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#Tendenze
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Mantenere i cavalletti sulla retta via
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Tecniche economiche di compensazione del disallineamento prevengono il sovraccarico dei cuscinetti e la rottura prematura del portale.
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Strumenti di allineamento Gantry
Quando i produttori di sistemi di posizionamento costruiscono un sistema gantry, in genere usano strumenti di allineamento speciali durante il processo di assemblaggio per garantire che soddisfino le specifiche di forza, precisione e durata.
Gli interferometri laser sono spesso utilizzati per l'allineamento delle macchine con una precisione dell'ordine dei micron e dei secondi d'arco. Ad esempio, un interferometro laser di Renishaw aiuta ad allineare la planarità, la rettilineità e l'ortogonalità delle rotaie del gantry.
Altri strumenti, come i laser di allineamento di Hamar, utilizzano raggi laser rotanti come piani di riferimento di precisione nello spazio con sensori posti sulla slitta in movimento. Regolando le viti di livellamento delle rotaie, o spessorando sotto le rotaie, si porta la rotaia o il palco all'orientamento desiderato. Il livellamento delle rotaie ad alta precisione può richiedere giorni o settimane a seconda del livello di precisione, delle dimensioni e della configurazione di una macchina.
Per i requisiti di allineamento di minore precisione, vengono utilizzati vari componenti meccanici, tra cui livellatori elettronici, comparatori, regoli e travi parallele. Con questi, i tecnici allineano la guida principale con un comparatore contro una superficie di montaggio di precisione o un regolo. Dopo che una guida è stata serrata con la precisione richiesta, una slitta viene guidata mentre i bulloni della seconda guida flottante vengono serrati, usando un comparatore o una slitta di guida.
Indipendentemente dal metodo di allineamento, deve garantire che il disallineamento residuo non eserciti forze sulle rotaie del palcoscenico, il che potrebbe comportare una breve durata o un guasto catastrofico.
I sistemi a portale, a volte chiamati robot cartesiani, sono sistemi di posizionamento ideali per le linee di trasferimento automatizzate. In questo tipo di processo produttivo, un trasportatore continuo o indicizzato trasferisce i pezzi da una stazione gantry all'altra. Ogni stazione gantry lungo la linea di trasporto manipola uno strumento rispetto a un pezzo per eseguire operazioni di produzione come la lavorazione, l'incollaggio, l'assemblaggio, l'ispezione, la stampa o l'imballaggio.
Chiaramente, l'affidabilità di ogni macchina in un'operazione di linea di trasferimento deve essere estremamente alta per minimizzare i tempi morti, perché il tempo morto di una macchina può portare l'intera linea di trasferimento a un costoso arresto. Inoltre, i carriponte includono molti elementi critici, come un controller, un amplificatore, un motore, un accoppiamento, un attuatore (come una vite a sfera, una cinghia o un motore lineare), binari, slitta, base, fermi, encoder e cavi. L'affidabilità dell'intero sistema a portale è la somma statistica delle affidabilità di tutti i componenti.
Per un'alta affidabilità del sistema, ogni componente deve essere dimensionato per assicurare che il suo carico durante il funzionamento non superi i suoi valori nominali. Mentre il dimensionamento di ogni componente può essere un compito ingegneristico semplice, come raccomandato dal produttore del componente, i modi di guasto della guida lineare sono un po' più complessi. Dipendono, oltre che dalla capacità di carico, dalle dimensioni e dalla precisione, dal loro preciso orientamento nello spazio.
Problemi di disallineamento
Quasi tutti i produttori di guide lineari concordano sul fatto che il disallineamento causa problemi. Di tutti i fattori che contribuiscono al fallimento prematuro delle guide lineari, il disallineamento è in cima alla lista.
Sono classificati i guasti da disallineamento delle guide che includono: sfaldamento: rimozione di materiale dalla superficie della guida; usura: risultati di un attrito eccessivo; dentellatura: le sfere deformano le guide; e parti danneggiate: guide deformate a causa di sfere che cadono dalle scanalature della guida.
Le cause comuni del disallineamento delle rotaie includono la mancanza di planarità, rettilineità, parallelismo e complanarità delle rotaie lineari. Queste cause potrebbero essere minimizzate o eliminate con tecniche di assemblaggio e allineamento adeguate, che, a loro volta, minimizzano il sovraccarico della guida. Altre cause di guasto delle guide lineari includono una lubrificazione insufficiente e l'ingresso di particelle estranee, che possono essere mitigate da una corretta sigillatura e da una lubrificazione periodica. Sebbene siano importanti, esulano dallo scopo di questo articolo.
Nozioni di base sull'allineamento
Le rotaie a cavalletto di solito includono cuscinetti a ricircolo di sfere che sono precaricati nelle loro scanalature per fornire un'alta rigidità. L'alta rigidità e la bassa massa in movimento sono caratteristiche critiche del portale, perché definiscono la più bassa frequenza naturale del sistema. Un'alta frequenza naturale, dell'ordine di 150 Hz, è necessaria per un'alta larghezza di banda di posizione. Un'elevata larghezza di banda di posizione, dell'ordine di 40 Hz, è necessaria per un'elevata precisione dinamica. L'alta precisione dinamica, come la velocità costante con un errore di posizione di pochi micron, o il basso tempo di assestamento, dell'ordine di pochi millisecondi fino a una finestra di assestamento submicron, sono richiesti rispettivamente per un'alta qualità del pezzo e un'alta produttività. Queste caratteristiche di prestazione sono tipicamente richieste sotto gli effetti conflittuali dell'alta accelerazione e del movimento fluido in processi come l'ispezione di PCB, la stampa a getto d'inchiostro e l'incisione laser.
Per assicurare un'elevata rigidità del gantry, dell'ordine di 100 N/µm, i cuscinetti sono precaricati. Tuttavia, qualsiasi disallineamento tra i due lati del gantry dell'ordine di decine di micron, sia nell'orientamento verticale (planarità) che orizzontale (rettilineità), può aumentare drasticamente il carico dei cuscinetti. Questo, a sua volta, può portare a guasti catastrofici dovuti alla caduta delle sfere dalle scanalature del cuscinetto o a profonde rientranze nelle guide. Deformazioni più piccole del cuscinetto possono ancora ridurre la vita del cuscinetto in modo sostanziale.
Per allineare le guide lineari con una precisione di decine di micron su lunghe corse (dell'ordine di 1 o 3 metri) sono necessari strumenti costosi come un interferometro laser e attrezzature speciali. Questi strumenti possono non essere facilmente disponibili per il tipico utente finale o per l'integratore di sistemi. Senza questi strumenti, il disallineamento delle rotaie può essere la causa principale della bassa affidabilità del sistema, degli alti costi di manutenzione, dei tempi morti e della breve durata del sistema.
Fortunatamente, ci sono varie opzioni di compensazione del disallineamento collaudate sul campo che possono non richiedere strumenti di allineamento estesi, ma forniscono un alto valore riducendo gli effetti potenzialmente duri del disallineamento delle rotaie. Questi dispositivi di compensazione del disallineamento diventano parti integranti del telaio del gantry e forniscono i gradi di libertà necessari per prevenire i sovraccarichi dei cuscinetti in vari montaggi delle rotaie del gantry e configurazioni di azionamento degli assi.
Cinematica del disallineamento
Per capire come funziona un compensatore di disallineamento, bisogna capire le caratteristiche cinematiche del compensatore come parte del suo sistema gantry. Come esempio, il diagramma 3D del gantry che accompagna mostra quattro supporti. Le basi degli stadi X1 (collegamento 10) e X2 (collegamento 1) sono mostrate esageratamente disallineate in beccheggio, imbardata e rollio l'una rispetto all'altra, così come in planarità e parallelismo. Supponiamo che il carrello sinistro X1 (9) sia il master motorizzato, e che abbia un giunto sferico (j) che sostiene lo stadio Y (4). Lo stadio X2 destro motorizzato opposto (3) ha un giunto sferico (b) e un giunto a slitta lineare (c) che sostengono lo stadio Y. Gli altri carrelli X (7 e 6) sono folli e sostengono anch'essi lo stadio Y con un giunto sferico e una guida lineare.
Quindi contando il numero totale di gradi di libertà e sottraendo il numero totale di vincoli, il risultato è 1 grado di libertà. Questo significa che solo l'asse X principale può muoversi in modo indipendente e tutti gli altri collegamenti lo seguiranno. In questo caso, se un altro motore indipendente aziona l'altro X, può risultare un carico eccessivo sulle rotaie. Questa è una configurazione indesiderabile per stadi Y lunghi e, quindi, gli ingegneri devono apportare modifiche correttive per permettere al secondo stadio X di muoversi indipendentemente dal primo stadio X.
Aggiungere un altro grado di libertà al sistema, come per lo slave X, significa aggiungere un altro grado di libertà a uno dei giunti. Una correzione comune in queste configurazioni permette a una slitta folle di avere un grado di libertà nella direzione Z, per esempio, tra i giunti sferici d e il giunto a slitta e.
Il risultato sarà un supporto cinematico per lo stadio Y ai giunti b, j e i, che ospita l'orientamento 3D del piano dello stadio 4 senza alcun vincolo. Tuttavia, per evitare il supporto della fase 4 in soli tre punti d'angolo, la pratica comune è quella di aggiungere un po' di conformità in direzione Z tra il giunto d e la slitta e per prendere parte del carico. In alcuni casi la flessibilità del collegamento 4 può essere sufficiente; in altri casi, si può usare una rondella Belleville conforme.
Progetti di compensatori
I compensatori di disallineamento integrati sono destinati alle configurazioni a portale 2D. Il design include due piastre che circondano una flessione che fornisce un grado di libertà lineare nella direzione Y.
Esaminiamo due design di compensatori di disallineamento. Uno è un giunto revoluto composto con un giunto a cursore lineare, per una configurazione gantry 3D. Il secondo è un giunto revoluto integrato con un giunto a flessione lineare per una configurazione gantry 2D. Nella versione 2D, supponiamo che le rotaie del gantry X1 e X2 siano complanari.
Progettazione di giunti composti. Consideriamo un'applicazione gantry in un processo di produzione di lattine. Il gantry utilizza due stadi azionati a cinghia che supportano un robusto telaio saldato su quattro guide. Un servomotore aziona ogni stadio gantry in una configurazione master-slave. Una cinghia aziona una slitta di ogni stadio, e l'altra slitta è un tenditore.
Gli stadi, assemblati dall'utente finale, hanno subito un guasto prematuro al cuscinetto dello stadio. Il problema è stato corretto aggiungendo quattro giunti sferici standard prontamente disponibili montati su quattro guide lineari alle quattro guide delle due fasi lineari gantry. Per far corrispondere la configurazione al gantry discusso in precedenza, una slitta è stata "messa a terra" con una piastra di bloccaggio. La riprogettazione ha risolto completamente il problema.
Lo svantaggio dell'uso di un tale compensatore, tuttavia, è un sostanziale aumento dell'altezza, che può richiedere modifiche allo stadio Z.
Design a giunti integrati. Un compensatore di disallineamento integrato può essere usato in configurazioni gantry 2D. Il design include due piastre. Una piastra ha dei fori di montaggio sulla slitta X del gantry e l'altra piastra ha dei fori di montaggio sulla base dello stadio Y ad asse trasversale. Un cuscinetto al centro collega le due piastre.
Inoltre, una piastra include una flessione che fornisce un grado di libertà lineare nella direzione Y. Per utilizzare lo stesso componente per tutti i giunti, si possono usare due bulloni per "mettere a terra" il grado di libertà lineare della flessione e mantenere solo la libertà di movimento rotazionale tra le due piastre. La flessione è progettata per funzionare alla massima deflessione sotto il limite di fatica.
Infine, per evitare, nel caso di configurazioni a portale 2D, di caricare la flessione in un momento flettente intorno all'asse Y, quattro bulloni di fissaggio assorbono i carichi del momento.
I vantaggi di questo design includono componenti integrati, basso profilo, dimensioni compatte e facilità di assemblaggio alle fasi gantry esistenti in meno di 15 minuti.