И как этого можно избежать…

Портальные системы отличаются от других типов многокоординатных систем (таких как декартовы роботы и XY-столы) использованием двух параллельных базовых осей (X) и перпендикулярной им оси (Y), соединяющей их. Хотя такая конфигурация с двумя осями X обеспечивает широкую, устойчивую опорную поверхность и позволяет портальным системам обеспечивать высокую грузоподъемность, большую длину хода и хорошую жесткость, она также может привести к явлению, обычно называемому проскальзыванием.

При параллельной установке и подключении двух линейных осей существует риск несинхронного перемещения осей. Другими словами, во время движения одна из осей X может «отставать» от другой, и ведущая ось будет пытаться потянуть за собой отстающую. При этом соединительная ось (ось Y) может перекоситься, перестав быть перпендикулярной двум осям X. Состояние, при котором оси X и Y теряют ортогональность, называется смещением (racking), и это может привести к заклиниванию системы при движении в направлении X, а также к потенциально опасным нагрузкам как на оси X, так и на оси Y.

Перекосы в портальных системах могут быть вызваны различными факторами конструкции и сборки, но одним из наиболее влиятельных является способ управления осями X. При наличии двух параллельных осей X проектировщики могут выбирать: управлять каждой осью X независимо или управлять одной осью, а другую использовать как «ведомую», или ведомую.

В низкоскоростных приложениях с относительно небольшим расстоянием между двумя осями X (короткий ход оси Y) может быть приемлемо управлять только одной осью X, а вторая ось X должна быть ведомой, без приводного механизма. В такой конструкции ключевым фактором является жёсткость соединения между осями, то есть жёсткость оси Y.

Поскольку ведомая ось фактически «тянет» ведомую ось, то, если соединение между ними испытывает изгиб, скручивание или иное нежесткое поведение, любая разница в трении или нагрузке между двумя осями X может немедленно привести к перекосу и заклиниванию. И чем длиннее ось Y, тем менее жёсткой она будет. Именно поэтому схема «ведомый-ведомый» обычно рекомендуется для применений, где расстояние между осями X составляет менее одного метра.

Более сложное решение заключается в использовании отдельного двигателя на каждой оси с синхронизацией двигателей по схеме «ведущий-ведомый» через контроллер. Однако в такой схеме погрешности перемещения механических приводов должны быть идеально (или почти идеально) согласованы, в противном случае небольшие отклонения в расстоянии, проходимом каждой осью за один оборот двигателя, могут привести к заклиниванию и заеданию.

Для высокоскоростных и прецизионных портальных систем в качестве приводных механизмов обычно выбирают шарико-винтовые и реечные приводы. Обе эти технологии можно избирательно сочетать для обеспечения одинаковой линейной погрешности по каждой оси, избегая накопления погрешностей, которое может возникнуть в несовместимых приводных узлах. Поскольку ременные и цепные приводы имеют погрешности шага, которые сложно согласовать и компенсировать, их, как правило, не рекомендуется использовать для портальных систем с независимым приводом по осям X. С другой стороны, линейные двигатели являются отличным выбором для параллельных осей в портальных системах, поскольку они не имеют механической погрешности и могут обеспечивать большие перемещения и высокие скорости.

Другое решение — своего рода компромисс между двумя описанными выше вариантами — заключается в использовании одного двигателя для привода обеих осей X. Это можно реализовать, соединив выход оси, управляемой двигателем, со входом второй оси через дистанционную муфту (также называемую соединительным валом). Такая конфигурация исключает необходимость во втором двигателе (и, соответственно, в необходимой синхронизации).

Однако крутильная жёсткость дистанционной муфты важна. Если крутящий момент, передаваемый между осями, приводит к «закручиванию» муфты, возможно её заклинивание и заклинивание. Такая конфигурация часто подходит, когда расстояние между осями X составляет от одного до трёх метров, а требования к нагрузке и скорости умеренные.

Другим фактором, способным вызвать смещение в портальных системах, является недостаточная точность монтажа и непараллельность двух осей X. При параллельной установке и работе двух линейных направляющих требуется определённый допуск на параллельность, плоскостность и прямолинейность, чтобы избежать перегрузки подшипников одной или обеих направляющих. В портальных системах, где оси X, как правило, разнесены на большое расстояние (из-за большого перемещения по оси Y), монтаж и параллельность осей X становятся ещё более критичными, поскольку угловые погрешности увеличиваются на больших расстояниях.

Различные технологии направляющих требуют разной точности параллельности, плоскостности и прямолинейности. В портальных системах наилучшей технологией линейных направляющих для параллельных осей X обычно является та, которая обеспечивает максимальную «снисходительность» к ошибкам монтажа и выравнивания, сохраняя при этом необходимую грузоподъёмность и жёсткость.

Профилированные рельсовые направляющие с циркулирующими шариками или роликами обычно обеспечивают самую высокую грузоподъёмность и жёсткость среди всех линейных направляющих, но при использовании в параллельной конфигурации требуют очень точного соблюдения допусков по высоте монтажа и параллельности, чтобы избежать заклинивания. Некоторые производители предлагают «самоустанавливающиеся» версии подшипников с циркулирующими шариками, способные компенсировать некоторую несоосность, хотя жёсткость и грузоподъёмность могут снизиться.

С другой стороны, направляющие колёса, движущиеся по прецизионным рельсам, требуют меньшей точности монтажа и выравнивания, чем профильные рельсовые направляющие. Их можно устанавливать даже на поверхности с умеренной погрешностью, не вызывая проблем с ходом, таких как вибрация и заедание, даже при параллельном использовании двух рельсов.

Хотя выравнивание можно выполнить с помощью простых инструментов, таких как циферблатные индикаторы и провода, большая длина портальных систем часто делает это непрактичным. Кроме того, выравнивание нескольких параллельных и перпендикулярных осей увеличивает сложность и требуемое время и трудозатраты в геометрической прогрессии.

Вот почему лазерный интерферометр часто является наилучшим инструментом для обеспечения прямолинейности, плоскостности и ортогональности между осями гантри.