טכניקות חסכוניות לפיצוי על חוסר יישור מונעות עומס יתר על המיסבים וכשל בטרם עת של גנטרי

כלי יישור גנטרי

כאשר יצרני מערכות מיקום בונים מערכת גנטרי, הם בדרך כלל משתמשים בכלי יישור מיוחדים במהלך תהליך ההרכבה כדי להבטיח שהם עומדים במפרטי כוח, דיוק ואורך חיים.

אינטרפרומטרים בלייזר משמשים לעתים קרובות ליישור מכונות בדיוק של מיקרון וקשת שניות. לדוגמה, אינטרפרומטר בלייזר של רנישו מסייע ליישר את השטיחות, הישרות והריבועיות של מסילות גאנטרי.

כלים אחרים, כגון לייזרי יישור של Hamar, משתמשים בקרני לייזר מסתובבות כמישורי ייחוס מדויקים בחלל עם חיישנים הממוקמים על המגלשה הנעה. כוונון ברגי פילוס המסילה, או שימינג מתחת למסילות, מביאים את המסילה או הבמה לכיוון הרצוי. פילוס מסילות לדיוק גבוה עשוי להימשך ימים או שבועות, בהתאם לרמת הדיוק, לגודל ולתצורה של המכונה.

עבור דרישות יישור בעלות דיוק נמוך יותר, נעשה שימוש ברכיבים מכניים שונים, כולל פלסים אלקטרוניים, מחווני חוגה, קצוות ישרים וקורות מקבילות. בעזרת אלה, הטכנאים מיישרים את המסילה הראשית באמצעות מחוון חוגה כנגד משטח הרכבה מדויק או קצה ישר. לאחר הידוק מסילה אחת לדיוק הנדרש, מסלול מובל לאורך המסילה בעוד שברגי המסילה הצפה השנייה מהודקים, באמצעות מחוון חוגה או מסלול מנחה.

ללא קשר לשיטת היישור, יש להבטיח שחוסר יישור שיורי לא יפעיל כוחות על מסילות הבמה, מה שעלול לגרום לקיצור חיי המערכת או לכשל קטסטרופלי.

מערכות גנטרי, המכונות לעיתים רובוטים קרטזיים, הן מערכות מיקום אידיאליות עבור קווי העברה אוטומטיים. בסוג זה של תהליך ייצור, מסוע רציף או מסוע אינדוקס מעביר חלקים מתחנת גנטרי אחת לאחרת. כל תחנת גנטרי לאורך קו המסוע מתפעלת כלי ביחס לחלק כדי לבצע פעולות ייצור כגון עיבוד שבבי, הדבקה, הרכבה, בדיקה, הדפסה או אריזה. גנטרי משמשים בדרך כלל למיקום מוצרים בקווי העברה אוטומטיים.

ברור שאמינותה של כל מכונה בפעולת קו העברה חייבת להיות גבוהה ביותר כדי למזער את זמן ההשבתה, מכיוון שזמן השבתה במכונה אחת עלול להביא את כל קו ההעברה לעצירה יקרה. בנוסף, גנטריות כוללות אלמנטים קריטיים רבים, כגון בקר, מגבר, מנוע, צימוד, מפעיל (כגון בורג כדורי, רצועה או מנוע ליניארי), מסילות, מגלשה, בסיס, מעצורים, מקודד וכבלים. אמינות מערכת הגנטרי כולה היא הסכום הסטטיסטי של אמינות כל הרכיבים.

לאמינות גבוהה של המערכת, יש לגודל כל רכיב כך שהעומס עליו במהלך הפעולה לא יעלה על הערכים המדורגים שלו. בעוד שגודל כל רכיב עשוי להיות משימה הנדסית פשוטה, כפי שמומלץ על ידי יצרן הרכיבים, מצבי כשל של מסילה ליניארית מורכבים מעט יותר. הם תלויים, בנוסף ליכולת נשיאת העומס, גודל ודיוק, גם בכיוונם המדויק במרחב.

בעיות חוסר יישור

כמעט כל יצרן מסילות ליניאריות מסכים כי חוסר יישור מוביל לבעיות. מכל הגורמים התורמים לכשל בטרם עת של מיסבים ליניאריים, חוסר יישור מדורג קרוב לראש הרשימה.

זה מסווג כשלים של חוסר יישור מסילות הכוללים:fלייקינג: הסרת חומר מפני השטח של המסילה;לִלבּוֹשׁ: תוצאות של חיכוך מוגזם;הֲזָחָהכדורים מעוותים את המסילות; וחלקים פגומיםמסילות מעוותות עקב נפילת כדורים מחריצי המסילה.

גורמים נפוצים לחוסר יישור של מסילות כוללות חוסר שטוחות, ישרות, מקבילות ושישוריות משותפת של מסילות ליניאריות. ניתן למזער או לבטל גורמים אלה על ידי טכניקות הרכבה ויישור נכונות, אשר בתורן ממזערות עומס יתר על המסילה. גורמים נוספים לכשל של מסילה ליניארית כוללים שימון לא מספק וחדירת חלקיקים זרים, אותם ניתן למתן באמצעות איטום נאות ושימון תקופתי. למרות שהם חשובים, הם חורגים מהיקף מאמר זה.

יסודות היישור

מסילות גאנטרי כוללות בדרך כלל מיסבי כדורים מסתובבים (circulating messaging) המוטענים מראש בחריצי הריצה שלהם כדי לספק קשיחות גבוהה. קשיחות גבוהה ומסה בעלת תנועה נמוכה הן מאפייני גאנטרי קריטיים, מכיוון שהן מגדירות את התדר הטבעי הנמוך ביותר של המערכת. תדר טבעי גבוה, בסדר גודל של 150 הרץ, נדרש לרוחב פס מיקום גבוה. רוחב פס מיקום גבוה, בסדר גודל של 40 הרץ, נדרש לדיוק דינמי גבוה. דיוק דינמי גבוה, כגון מהירות קבועה עם שגיאת מיקום של כמה מיקרונים, או זמן התייצבות נמוך, בסדר גודל של כמה מילישניות לחלון התייצבות תת-מיקרון, נדרשים לאיכות חלק גבוהה ותפוקה גבוהה, בהתאמה. מאפייני ביצועים אלה נדרשים בדרך כלל תחת השפעות סותרות של תאוצה גבוהה ותנועה חלקה בתהליכים כגון בדיקת PCB, הדפסת הזרקת דיו וחריטה בלייזר.

כדי להבטיח קשיחות גבוהה של המיסב - בסדר גודל של 100 ניוטון/מיקרומטר - המיסבים נטענים מראש. עם זאת, כל חוסר יישור בין שני צידי המיסב בסדר גודל של עשרות מיקרונים, בין אם בכיוון אנכי (שטוחות) או אופקי (ישור), עלול להגדיל באופן דרמטי את עומס המיסב. דבר זה, בתורו, עלול להוביל לכשל קטסטרופלי עקב נפילת כדורים מחריצי המיסב או שקעים עמוקים במסילות. עיוותים קטנים יותר של המיסב עדיין עלולים לקצר את חיי המיסב באופן משמעותי.

כדי ליישר מסילות ליניאריות בדיוק של 10 שניות מיקרון לאורך אורכי מהלך ארוכים (בסדר גודל של מטר עד 3) נדרשים כלים יקרים כגון אינטרפרומטר לייזר ומתקנים מיוחדים. כלים אלה עשויים שלא להיות זמינים בקלות למשתמש הקצה הטיפוסי או למשלב מערכות. ללא כלים אלה, חוסר יישור של המסילות עלול להיות הגורם העיקרי לאמינות מערכת נמוכה, עלויות תחזוקה גבוהות, זמן השבתה וחיי מערכת קצרים.

למרבה המזל, קיימות אפשרויות שונות של פיצוי על חוסר יישור מוכח בשטח, שאולי אינן דורשות כלי יישור נרחבים, אך מספקות ערך גבוה על ידי הפחתת ההשפעות הקשות הפוטנציאליות של חוסר יישור מסילה. התקני פיצוי חוסר יישור אלה הופכים לחלקים בלתי נפרדים משלדת הגנטרי ומספקים את דרגות החופש הדרושות כדי למנוע עומסי יתר על המיסבים במגוון הרכבות מסילות גנטרי ותצורות הנעה צירית.

קינמטיקה של חוסר יישור

כדי להבין כיצד פועל מפצה חוסר יישור, יש להבין את המאפיינים הקינמטיים של המפצה כחלק ממערכת הגנטרי שלו. כדוגמה, דיאגרמת הגנטרי התלת-ממדית המצורפת מציגה ארבעה תומכים. בסיסי השלבים X₁(קישור מחובר 10) ו-X₂(קישור 1) מוצגים בצורה מוגזמת לא מיושרת בגובה (pitch), סטייה (yaw) וגלגול (roll) זה ביחס לזה, כמו גם בשטיחות (stableness) ובמקביליות (accordibility). נניח את ה-X השמאלי.₁גררה (9) היא המאסטר הממונע, ויש לה מפרק כדורי (j) התומך בשלב Y (4). ה-X הימני הממונע הנגדי₂לשלב (3) יש מפרק כדורי אחד (ב) ומפרק הזזה ליניארי אחד (ג) התומכים בשלב Y. שאר גררות ה-X (7 ו-6) הן גלגלים סרק ותומכים גם הן בשלב Y באמצעות מפרק כדורי ומחלקה ליניארית.

לאחר מכן, לאחר סופרים את המספר הכולל של דרגות חופש ומחסירים את המספר הכולל של האילוצים, התוצאה היא דרגת חופש אחת. משמעות הדבר היא שרק ציר ה-X הראשי יכול לנוע באופן עצמאי וכל שאר החוליות יבואו בעקבותיו. במקרה זה, אם מנוע עצמאי אחר מניע את ציר ה-X השני, עלול להיגרם עומס מוגזם על המסילות. זוהי תצורה לא רצויה עבור שלבי Y ארוכים, ולכן, מהנדסים חייבים לבצע שינויים מתקנים כדי לאפשר לשלב ה-X השני לנוע באופן עצמאי משלב ה-X הראשון.

הוספת דרגת חופש נוספת למערכת, כמו למשל עבור עבד X, פירושה הוספת דרגת חופש נוספת לאחד המפרקים. תיקון נפוץ בתצורות כאלה מאפשר למגלשת סרק אחת להיות בעלת דרגת חופש בכיוון Z, לדוגמה, בין המפרקים הכדוריים d למפרק המגלשה e.

התוצאה תהיה הרכבה קינמטית עבור שלב Y במפרקים b, j ו-i, שתתאים לכיוון התלת-ממדי של מישור שלב 4 ללא כל אילוצים. עם זאת, כדי למנוע תמיכה של שלב 4 בשלוש נקודות פינה בלבד, נוהג נפוץ הוא להוסיף גמישות מסוימת בכיוון Z בין מפרק d למגלשה e כדי לקחת חלק מהעומס. במקרים מסוימים הגמישות של קישור 4 עשויה להספיק; במקרים אחרים, ניתן להשתמש בדסקית Belleville תואמת.

עיצובים של מפצים

מפצי חוסר יישור משולבים מיועדים לתצורות גנטרי דו-ממדיות. העיצוב כולל שתי לוחות המקיפות כיפוף המספק דרגת חופש ליניארית בכיוון Y.

בואו נסקור שני עיצובים של מפצה על חוסר יישור. האחד הוא חיבור סיבובי מורכב עם חיבור מחוון ליניארי, עבור תצורת גנטרי תלת-ממדית. השני הוא חיבור סיבובי משולב עם חיבור כיפוף ליניארי עבור תצורת גנטרי דו-ממדית. בגרסה הדו-ממדית, נניח שמסילות הגנטרי X₁ו-X₂הם קופלנריים.

עיצוב מפרקים מורכבים.קחו לדוגמה יישום של גנטרי בתהליך ייצור פחיות. הגנטרי משתמש בשני שלבים מונעי רצועה התומכים במסגרת ריתוך חזקה על ארבעה מסילות. מנוע סרוו מניע כל שלבת גנטרי בתצורת מאסטר-סגל. רצועה מניעה מסילה אחת של כל שלבה, והמסילה השנייה היא גלגל סרק.

השלבים, שהורכבו על ידי המשתמש הסופי, חוו כשל מוקדם במיסב השלב. הבעיה תוקנה על ידי הוספת ארבעה מפרקים כדוריים סטנדרטיים זמינים, המותקנים על ארבעה מסילות ליניאריות, לארבע המסילות של שני השלבים הליניאריים של המנוע. כדי להתאים את התצורה למנוע שנדון קודם לכן, מסילה אחת "קורקעה" באמצעות לוחית נעילה. העיצוב מחדש פתר את הבעיה לחלוטין.

החיסרון בשימוש במפצה כזה, לעומת זאת, הוא עלייה משמעותית בגובה, שעשויה לדרוש שינויים בשלב Z.

עיצוב מפרקים משולבים.ניתן להשתמש במפצה משולב על חוסר יישור בתצורות גנטרי דו-ממדיות. התכנון כולל שתי פלטות. לפלטה אחת יש חורי הרכבה למגלשת ה-X של הגנטרי ולפלטה השנייה יש חורי הרכבה לבסיס במת ה-Y בעלת הציר הרוחבי. מיסב במרכז מחבר את שתי הפלטות.

בנוסף, פלטה אחת כוללת כיפוף המספק דרגת חופש ליניארית בכיוון Y. כדי להשתמש באותו רכיב עבור כל המפרקים, ניתן להשתמש בשני ברגים כדי "לקרקע" את דרגת החופש הליניארית של הכיפוף ולשמור רק על חופש התנועה הסיבובי בין שני הפלטות. הכיפוף מתוכנן לפעול בסטייה מקסימלית מתחת לגבול העייפות.

לבסוף, כדי למנוע, במקרה של תצורות גנטרי דו-ממדיות, עומס על הכיפוף במומנט כיפוף סביב ציר ה-Y, ארבעה ברגי תמך תופסים את עומסי המומנט.

היתרונות של עיצוב זה כוללים רכיבים משולבים, פרופיל נמוך, גודל קומפקטי וקלות הרכבה על במות גנטרי קיימות בפחות מ-15 דקות.