И как этого избежать…

Портальные системы отличаются от других типов многоосевых систем (таких как декартовы роботы и XY-столы) использованием двух параллельных осей основания (X), соединенных перпендикулярной осью (Y). Хотя такое расположение двух осей X обеспечивает широкую и стабильную опорную поверхность и позволяет портальным системам развивать высокую грузоподъемность, большую длину перемещения и хорошую жесткость, оно также может приводить к явлению, обычно называемому деформацией.

Всякий раз, когда две линейные оси установлены и соединены параллельно, существует риск того, что оси не будут двигаться в идеальной синхронизации. Другими словами, во время движения одна из осей X может «отставать» от другой, и ведущая ось будет пытаться тянуть за собой отстающую. Когда это происходит, соединяющая (ось Y) ось может перекоситься — перестать быть перпендикулярной двум осям X. Состояние, при котором оси X и Y теряют ортогональность, называется деформацией, и это может привести к заеданию при движении системы в направлении X, а также к потенциально разрушительным воздействиям на обе оси X и Y.

Деформация в портальных системах может быть вызвана различными конструктивными и сборочными факторами, но одним из наиболее влияющих факторов является способ управления осями X. При параллельном подключении двух осей X конструкторы могут либо управлять каждой осью X независимо, либо управлять одной осью, а другую рассматривать как «ведомую» или следящую.

В низкоскоростных приложениях с относительно небольшим расстоянием между двумя осями X (короткий ход оси Y) допустимо приводить в движение только одну ось X, а вторая ось X может быть ведомой, без какого-либо механизма привода. В такой конструкции ключевым моментом является жесткость соединения между осями — иными словами, жесткость оси Y.

Поскольку ведомая ось фактически «тянет» за собой неведомую ось, если соединение между ними подвергается изгибу, скручиванию или другим нежестким воздействиям, любая разница в трении или нагрузке между двумя осями X может немедленно привести к перекосу и заклиниванию. И чем длиннее ось Y, тем менее жесткой она будет. Именно поэтому схема «ведомая-следящая» обычно рекомендуется для применений, где расстояние между осями X составляет менее одного метра.

Более совершенное решение для привода заключается в использовании отдельного двигателя на каждой оси, при этом двигатели синхронизируются в режиме «ведущий-ведомый» через контроллер. Однако в этой конфигурации погрешности перемещения механических приводов должны быть идеально (или почти идеально) согласованы — в противном случае небольшие отклонения в расстоянии, которое проходит каждая ось за один оборот двигателя, могут вызвать заедание и заклинивание.

Для высокоскоростных и высокоточных портальных систем обычно используются шариковые винты и реечные приводы. Обе эти технологии позволяют подобрать одинаковые линейные ошибки по каждой оси, избегая накопления ошибок, которое может возникать при использовании несовпадающих приводных узлов. Поскольку ременные и цепные приводы имеют ошибки шага, которые трудно подобрать и компенсировать, они, как правило, не рекомендуются для портальных систем, где оси X приводятся в движение независимо. С другой стороны, линейные двигатели являются отличным выбором для параллельных осей в портальных системах, поскольку они не имеют механических ошибок и могут обеспечивать большие расстояния перемещения и высокие скорости.

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

Однако жесткость на кручение дистанционной муфты имеет важное значение. Если крутящий момент, передаваемый между осями, вызывает «закручивание» муфты, все равно могут возникать перекосы и заедание. Такая конфигурация часто является хорошим вариантом, когда расстояние между осями X составляет от одного до трех метров, при умеренных требованиях к нагрузке и скорости.

Еще одним фактором, который может вызывать перекосы в портальных системах, является недостаточная точность монтажа и параллельность двух осей X. Всякий раз, когда две линейные направляющие устанавливаются и работают параллельно, требуется определенный допуск на параллельность, плоскостность и прямолинейность, чтобы избежать перегрузки подшипников на одной или обеих направляющих. В портальных системах, где оси X, как правило, расположены на значительном расстоянии друг от друга (из-за большого хода по оси Y), монтаж и параллельность осей X становятся еще более критичными, при этом угловые ошибки усиливаются на больших расстояниях.

Различные технологии направляющих требуют разной точности в отношении параллельности, плоскостности и прямолинейности. В портальных системах наилучшей технологией линейных направляющих для параллельных осей X обычно является та, которая обеспечивает наибольшую «прощаемость» ошибок монтажа и выравнивания, сохраняя при этом необходимую грузоподъемность и жесткость.

Направляющие с профилированными шариками или роликами, как правило, обеспечивают самую высокую несущую способность и жесткость среди всех технологий линейных направляющих, но при использовании в параллельной конфигурации они требуют очень точных допусков по высоте и параллельности установки во избежание заедания. Некоторые производители предлагают «самоустанавливающиеся» версии подшипников с шариками, способные компенсировать некоторое смещение, хотя при этом жесткость и несущая способность могут быть снижены.

С другой стороны, направляющие колеса, движущиеся по прецизионным рельсам, требуют меньшей точности при монтаже и выравнивании, чем профилированные рельсовые направляющие. Их можно устанавливать даже на поверхности с умеренной неточностью без возникновения проблем в движении, таких как дребезжание и заедание, даже при использовании двух параллельных рельсов.

Хотя выравнивание можно выполнить с помощью простых инструментов, таких как индикаторы часового типа и проволока, большая длина проводов в портальных системах часто делает это нецелесообразным. Кроме того, выравнивание нескольких параллельных и перпендикулярных осей экспоненциально увеличивает сложность, а также время и трудозатраты.

Именно поэтому лазерный интерферометр часто является наилучшим инструментом для обеспечения прямолинейности, плоскостности и ортогональности между осями портала.