E come si può evitare…

I portali si differenziano da altri tipi di sistemi multiasse (come robot cartesiani e tavole XY) perché utilizzano due assi base (X) paralleli, collegati da un asse perpendicolare (Y). Sebbene questa disposizione a doppio asse X offra un ingombro ampio e stabile e consenta ai sistemi a portale di offrire elevata capacità di carico, lunghe corse e buona rigidità, può anche portare a un fenomeno comunemente noto come "cremagliera".

Ogni volta che due assi lineari vengono montati e collegati in parallelo, c'è il rischio che non si muovano in perfetta sincronia. In altre parole, durante il movimento, uno degli assi X può "rimanere indietro" rispetto all'altro e l'asse principale tenterà di trascinare con sé il suo partner in ritardo. Quando ciò accade, l'asse di collegamento (Y) può inclinarsi, non più perpendicolare ai due assi X. La condizione in cui gli assi X e Y perdono l'ortogonalità è detta "racking" e può causare inceppamenti durante il movimento del sistema nella direzione X, oltre a forze potenzialmente dannose su entrambi gli assi.

Il problema delle scaffalature nei sistemi a portale può essere causato da diversi fattori di progettazione e assemblaggio, ma uno dei più influenti è il metodo di azionamento degli assi X. Con due assi X in parallelo, i progettisti possono scegliere di azionare ciascun asse X in modo indipendente oppure di azionare un asse e trattare l'altro come asse "slave" o inseguitore.

Nelle applicazioni a bassa velocità con una distanza relativamente piccola tra i due assi X (corsa breve dell'asse Y), può essere accettabile azionare un solo asse X e consentire al secondo asse X di fungere da follower, senza alcun meccanismo di azionamento. In questo tipo di progetto, un aspetto fondamentale è la rigidità della connessione tra gli assi, in altre parole, la rigidità dell'asse Y.

Poiché l'asse condotto "tira" effettivamente l'asse non condotto, se il collegamento tra i due subisce flessioni, torsioni o altri comportamenti non rigidi, qualsiasi differenza di attrito o carico tra i due assi X può causare immediatamente cedimenti e inceppamenti. E più lungo è l'asse Y, meno rigido sarà. Per questo motivo, la configurazione "azionatore-inseguitore" è generalmente consigliata per applicazioni in cui la distanza tra gli assi X è inferiore a un metro.

La soluzione di azionamento più sofisticata consiste nell'utilizzare un motore separato su ciascun asse, con i motori sincronizzati in un sistema master-slave tramite il controller. In questa configurazione, tuttavia, gli errori di corsa degli azionamenti meccanici devono essere perfettamente (o quasi) sincronizzati, altrimenti lievi deviazioni nella distanza percorsa da ciascun asse per giro del motore possono causare slittamenti e inceppamenti.

Per le applicazioni a portale ad alta velocità e precisione, i meccanismi di azionamento preferiti sono in genere viti a sfere e azionamenti a cremagliera e pignone. Entrambe queste tecnologie possono essere abbinate selettivamente per fornire un errore lineare simile su ciascun asse, evitando parte dell'accumulo di errori che può verificarsi in gruppi di azionamento non abbinati. Poiché le trasmissioni a cinghia e a catena presentano errori di passo difficili da abbinare e compensare, queste non sono generalmente consigliate per i sistemi a portale quando gli assi X sono azionati in modo indipendente. D'altra parte, i motori lineari sono una scelta eccellente per gli assi paralleli nei sistemi a portale, poiché non presentano errori meccanici e possono fornire lunghe corse e velocità elevate.

Un'altra soluzione, in un certo senso un compromesso tra le due opzioni descritte sopra, consiste nell'utilizzare un unico motore per azionare entrambi gli assi X. Questo può essere fatto collegando l'uscita dell'asse motorizzato all'ingresso del secondo asse tramite un giunto distanziale (detto anche albero di collegamento). Questa configurazione elimina il secondo motore (e la relativa sincronizzazione che sarebbe necessaria).

Tuttavia, la rigidità torsionale del giunto distanziale è importante. Se la coppia trasferita tra gli assi provoca un "wind-up" del giunto, possono comunque verificarsi deformazioni e inceppamenti. Questa configurazione è spesso una buona opzione quando la distanza tra gli assi X è compresa tra uno e tre metri, con requisiti di carico e velocità moderati.

Un altro fattore che può causare problemi di scaffalature nei sistemi a portale è la mancanza di precisione di montaggio e parallelismo tra i due assi X. Ogni volta che due guide lineari vengono montate e azionate in parallelo, richiedono una certa tolleranza di parallelismo, planarità e rettilineità per evitare di sovraccaricare i cuscinetti di una o entrambe le guide. Nei sistemi a portale, dove gli assi X tendono ad essere molto distanziati (a causa della lunga corsa dell'asse Y), il montaggio e il parallelismo degli assi X diventano ancora più critici, con errori angolari amplificati su lunghe distanze.

Diverse tecnologie di guida richiedono diversi livelli di precisione in termini di parallelismo, planarità e rettilineità. Nelle applicazioni a portale, la migliore tecnologia di guida lineare per gli assi X paralleli è in genere quella che offre la maggiore tolleranza agli errori di montaggio e allineamento, pur garantendo la capacità di carico e la rigidità richieste.

Le guide profilate a ricircolo di sfere o rulli offrono in genere la massima capacità di carico e rigidità tra tutte le tecnologie di guida lineare, ma quando utilizzate in configurazione parallela, richiedono tolleranze di parallelismo e altezza di montaggio molto precise per evitare inceppamenti. Alcuni produttori offrono versioni "autoallineanti" di cuscinetti a ricircolo di sfere in grado di compensare alcuni disallineamenti, sebbene la rigidità e la capacità di carico possano risultare ridotte.

D'altro canto, le ruote di guida che scorrono su binari di precisione richiedono una minore precisione di montaggio e allineamento rispetto alle guide profilate. Possono essere montate anche su superfici moderatamente imprecise senza causare problemi di scorrimento come vibrazioni e inceppamenti, anche quando due binari vengono utilizzati in parallelo.

Sebbene l'allineamento possa essere eseguito con strumenti semplici come comparatori e fili, le elevate lunghezze richieste dai sistemi a portale spesso lo rendono poco pratico. Inoltre, l'allineamento di più assi paralleli e perpendicolari aumenta esponenzialmente la complessità e i tempi e la manodopera richiesti.

Ecco perché un interferometro laser è spesso lo strumento migliore per garantire rettilineità, planarità e ortogonalità tra gli assi del gantry.