Экономичные методы компенсации несоосности предотвращают перегрузку подшипников и преждевременный выход из строя портала

Инструменты для выравнивания портала

При создании портальных систем производители систем позиционирования обычно используют специальные инструменты выравнивания в процессе сборки, чтобы гарантировать их соответствие характеристикам усилия, точности и срока службы.

Лазерные интерферометры часто используются для юстировки станков с точностью порядка микрометров и угловых секунд. Например, лазерный интерферометр компании Renishaw помогает юстировать рельсы портала на плоскостность, прямолинейность и перпендикулярность.

Другие инструменты, такие как выравнивающие лазеры Hamar, используют вращающиеся лазерные лучи в качестве прецизионных опорных плоскостей в пространстве с датчиками, расположенными на подвижной каретке. Регулировка винтов выравнивания рельс или установка прокладок под рельсы позволяет установить рельс или стол в нужное положение. Высокоточное выравнивание рельс может занять несколько дней или недель в зависимости от уровня точности, размера и конфигурации станка.

Для менее точных требований к выравниванию используются различные механические компоненты, включая электронные нивелиры, циферблатные индикаторы, линейки и параллельные балки. С их помощью специалисты выравнивают главный рельс с помощью циферблатного индикатора по прецизионной монтажной поверхности или линейке. После того, как один рельс затянут с требуемой точностью, по нему перемещается каретка, в то время как болты второго плавающего рельса затягиваются с помощью циферблатного индикатора или направляющей каретки.

Независимо от метода выравнивания, он должен гарантировать, что остаточная несоосность не будет оказывать воздействия на рельсы сцены, что может привести к сокращению срока службы или катастрофическому отказу.

Портальные системы, иногда называемые декартовыми роботами, являются идеальными системами позиционирования для автоматизированных линий передачи. В этом типе производственного процесса непрерывный или шаговый конвейер перемещает детали с одной портальной станции на другую. Каждая портальная станция на конвейерной линии управляет инструментом относительно детали для выполнения таких производственных операций, как механическая обработка, склеивание, сборка, контроль, печать или упаковка. Портальные системы обычно используются для позиционирования изделий на автоматизированных линиях передачи.

Очевидно, что надежность каждого станка в составе поточной линии должна быть исключительно высокой, чтобы минимизировать простои, поскольку простой одного станка может привести к дорогостоящей остановке всей линии. Кроме того, портальные краны включают в себя множество критически важных элементов, таких как контроллер, усилитель, двигатель, муфта, привод (например, шарико-винтовая передача, ремень или линейный двигатель), рельсы, каретка, основание, упоры, энкодер и кабели. Надежность всей портальной системы определяется статистической суммой надежности всех компонентов.

Для обеспечения высокой надежности системы каждый компонент должен быть рассчитан таким образом, чтобы нагрузка на него во время работы не превышала номинальных значений. Хотя расчет параметров каждого компонента может быть простой инженерной задачей, согласно рекомендациям производителя, виды отказов линейных рельсов несколько сложнее. Они зависят, помимо грузоподъемности, размера и точности, от их точного положения в пространстве.

Проблемы с несоосностью

Практически все производители линейных направляющих согласны с тем, что перекос приводит к проблемам. Среди всех факторов, способствующих преждевременному выходу из строя линейных подшипников, перекос занимает одно из первых мест.

Классифицируются неисправности, связанные с несоосностью рельсов, которые включают в себя:fлакирование: удаление материала с поверхности рельса;носить: результаты чрезмерного трения;отступ: шарики деформируют рельсы; иповрежденные детали: деформированные рельсы из-за выпадения шариков из рельсовых канавок.

К распространённым причинам несоосности рельсов относятся неплоскостность, прямолинейность, параллельность и копланарность линейных рельсов. Эти причины можно минимизировать или устранить с помощью правильных методов сборки и выравнивания, что, в свою очередь, снижает перегрузку рельсов. К другим причинам выхода из строя линейных рельсов относятся недостаточная смазка и попадание посторонних частиц, последствия которых можно устранить с помощью надлежащей герметизации и периодической смазки. Несмотря на свою важность, они выходят за рамки данной статьи.

Основы выравнивания

Рельсы портала обычно включают в себя рециркулирующие шарикоподшипники, которые предварительно нагружены в своих ходовых канавках для обеспечения высокой жесткости. Высокая жесткость и малая подвижная масса являются критическими характеристиками портала, поскольку они определяют самую низкую собственную частоту системы. Высокая собственная частота, порядка 150 Гц, требуется для высокой полосы пропускания позиционирования. Высокая полоса пропускания позиционирования, порядка 40 Гц, требуется для высокой динамической точности. Высокая динамическая точность, такая как постоянная скорость с погрешностью позиционирования в несколько микрон или малое время установления, порядка нескольких миллисекунд до субмикронного окна установления, требуются для высокого качества деталей и высокой производительности соответственно. Эти эксплуатационные характеристики обычно требуются в условиях противоречивых эффектов высокого ускорения и плавного движения в таких процессах, как контроль печатных плат, струйная печать и лазерная гравировка.

Для обеспечения высокой жёсткости портала — порядка 100 Н/мкм — подшипники предварительно нагружены. Однако любое отклонение соосности двух сторон портала порядка десятков микрометров, как в вертикальном (плоскостность), так и в горизонтальном (прямолинейность) положении, может значительно увеличить нагрузку на подшипник. Это, в свою очередь, может привести к серьёзному отказу из-за выпадения шариков из канавок подшипника или образования глубоких вмятин на направляющих. Более незначительные деформации подшипников могут существенно сократить срок их службы.

Для выравнивания линейных направляющих с точностью до десятков микрометров на больших расстояниях (порядка 1–3 метров) требуются дорогостоящие инструменты, такие как лазерный интерферометр и специальные приспособления. Эти инструменты могут быть недоступны обычному конечному пользователю или системному интегратору. Без них несоосность направляющих может стать основной причиной низкой надежности системы, высоких затрат на обслуживание, простоев и короткого срока службы.

К счастью, существуют различные проверенные на практике варианты компенсации несоосности, которые могут не требовать использования сложных инструментов для центровки, но при этом обеспечивают высокую эффективность, снижая потенциально серьёзные последствия несоосности рельсов. Эти устройства компенсации несоосности становятся неотъемлемой частью рамы портала и обеспечивают необходимую степень свободы для предотвращения перегрузок подшипников в различных вариантах крепления рельс портала и конфигурациях приводов осей.

Кинематика несоосности

Чтобы понять принцип работы компенсатора несоосности, необходимо изучить его кинематику как части портальной системы. В качестве примера, на прилагаемой трёхмерной схеме портальной системы показаны четыре опоры. Основания ступеней X₁(подключенная ссылка 10) и X₂(звено 1) показаны преувеличенно смещенными по тангажу, рысканию и крену относительно друг друга, а также по плоскости и параллельности. Предположим, что левая X₁Каретка (9) – это моторизованный ведущий узел, имеющий сферический шарнир (j), который поддерживает узел Y (4). Противоположный моторизованный правый узел X₂Ступень (3) имеет одно сферическое сочленение (b) и одно линейное скользящее сочленение (c), которые поддерживают ступень Y. Другие каретки X (7 и 6) являются направляющими и также поддерживают ступень Y с помощью сферического сочленения и линейного скользящего сочленения.

Затем, подсчитав общее количество степеней свободы и вычтя общее количество ограничений, получаем 1 степень свободы. Это означает, что только главная ось X может двигаться независимо, а все остальные звенья будут следовать за ней. В этом случае, если другой независимый двигатель будет приводить в движение другую ось X, может возникнуть чрезмерная нагрузка на рельсы. Такая конфигурация нежелательна для длинных ступеней оси Y, поэтому инженерам необходимо внести корректирующие изменения, чтобы вторая ступень оси X могла двигаться независимо от первой.

Добавление дополнительной степени свободы в систему, например, для ведомого устройства по оси X, означает добавление дополнительной степени свободы к одному из сочленений. В таких конфигурациях обычно используется решение, позволяющее одному ролику скользить с некоторой степенью свободы в направлении оси Z, например, между сферическими шарнирами d и подвижным шарниром e.

В результате будет получено кинематическое крепление для ступени Y в сочленениях b, j и i, обеспечивающее трёхмерную ориентацию плоскости ступени 4 без каких-либо ограничений. Однако, чтобы предотвратить опору ступени 4 только в трёх угловых точках, обычно добавляют податливость в направлении Z между сочленением d и ползуном e для принятия части нагрузки. В некоторых случаях может быть достаточно гибкости звена 4; в других случаях можно использовать податливую тарельчатую шайбу.

Конструкции компенсаторов

Интегрированные компенсаторы несоосности предназначены для двухмерных портальных систем. Конструкция включает в себя две пластины, охватывающие изгиб, обеспечивающий линейную степень свободы в направлении Y.

Рассмотрим две конструкции компенсатора несоосности. Одна из них представляет собой составное поворотное сочленение с линейным шарниром скольжения для трёхмерной конфигурации портального механизма. Вторая — интегрированное поворотное сочленение с линейным шарниром изгиба для двумерной конфигурации портального механизма. В двумерной версии предположим, что рельсы портального механизма X₁и Х₂являются копланарными.

Конструкция со сложными соединениями.Рассмотрим применение портального станка в процессе производства консервных банок. Портальный станок использует две секции с ременным приводом, которые поддерживают прочную сварную раму на четырёх направляющих. Серводвигатель приводит в движение каждую секцию портального станка по схеме «ведущий-ведомый». Ремень приводит в движение одну салазку каждой секции, а другая салазка является холостой.

Сборка ступеней конечным пользователем привела к преждевременному выходу из строя подшипника. Проблема была устранена путём добавления четырёх стандартных сферических шарниров, установленных на четырёх линейных направляющих, к четырём направляющим двух линейных ступеней портального типа. Для соответствия конфигурации ранее обсуждавшейся портальной конструкции один направляющий был «заземлён» с помощью стопорной пластины. Модернизация конструкции полностью решила проблему.

Однако недостатком использования такого компенсатора является существенное увеличение высоты, что может потребовать внесения изменений в ступень Z.

Конструкция с интегрированными соединениями.Встроенный компенсатор несоосности может использоваться в двухкоординатных портальных системах. Конструкция включает в себя две пластины. Одна пластина имеет монтажные отверстия для салазок портала по оси X, а другая — для основания стола с поперечной осью Y. Подшипник в центре соединяет две пластины.

Кроме того, одна пластина включает изгиб, обеспечивающий линейную степень свободы в направлении Y. Чтобы использовать один и тот же компонент для всех соединений, можно использовать два болта, чтобы «заземлить» линейную степень свободы изгиба и сохранить только свободу вращения между двумя пластинами. Изгиб рассчитан на работу при максимальном прогибе ниже предела усталости.

Наконец, для предотвращения, в случае двухмерных портальных конфигураций, нагрузки на изгиб изгибающим моментом относительно оси Y, четыре стопорных болта воспринимают моментные нагрузки.

Преимущества данной конструкции включают интегрированные компоненты, низкий профиль, компактный размер и простоту сборки на существующих портальных платформах менее чем за 15 минут.