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#Produkttrends
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Schilderbrücken auf dem rechten Weg halten
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Wirtschaftliche Techniken zum Ausgleich von Fluchtungsfehlern verhindern eine Überlastung der Lager und einen vorzeitigen Ausfall des Portals.
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Gantry-Ausrichtwerkzeuge
Wenn Hersteller von Positioniersystemen ein Gantry-System bauen, verwenden sie in der Regel spezielle Ausrichtwerkzeuge während des Montageprozesses, um sicherzustellen, dass sie die Spezifikationen für Kraft, Präzision und Lebensdauer erfüllen.
Laserinterferometer werden häufig für die Ausrichtung von Maschinen mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von Mikrometern und Bogensekunden eingesetzt. Ein Laserinterferometer von Renishaw hilft beispielsweise dabei, die Ebenheit, Geradheit und Rechtwinkligkeit von Gantry-Schienen auszurichten.
Andere Werkzeuge, wie z. B. Ausrichtungslaser von Hamar, verwenden rotierende Laserstrahlen als präzise Referenzebenen im Raum mit Sensoren, die auf dem beweglichen Schlitten platziert sind. Das Einstellen von Schienen-Nivellierschrauben oder Unterlegscheiben unter den Schienen bringt die Schiene oder den Tisch in die gewünschte Ausrichtung. Das Nivellieren von Schienen mit hoher Präzision kann je nach Genauigkeitsgrad, Größe und Konfiguration einer Maschine Tage oder Wochen dauern.
Für weniger genaue Ausrichtungsanforderungen werden verschiedene mechanische Komponenten verwendet, darunter elektronische Nivelliergeräte, Messuhren, gerade Kanten und parallele Balken. Mit diesen richten Techniker die Masterschiene mit einer Messuhr gegen eine Präzisionsmontagefläche oder ein Lineal aus. Nachdem eine Schiene mit der erforderlichen Genauigkeit angezogen wurde, wird ein Schlitten entlang geführt, während die Schrauben der zweiten schwimmenden Schiene mit einer Messuhr oder einem Führungsschlitten angezogen werden.
Unabhängig von der Ausrichtmethode muss sichergestellt werden, dass eine verbleibende Fehlausrichtung keine Kräfte auf die Verstellerschienen ausübt, die zu einer kurzen Lebensdauer oder einem katastrophalen Ausfall führen können.
Gantry-Systeme, manchmal auch als kartesische Roboter bezeichnet, sind ideale Positioniersysteme für automatisierte Transferstraßen. Bei dieser Art von Fertigungsprozess transferiert ein kontinuierliches oder indexierendes Förderband Teile von einer Portalstation zur nächsten. Jede Gantry-Station entlang der Förderlinie manipuliert ein Werkzeug in Bezug auf ein Teil, um Fertigungsvorgänge wie Bearbeitung, Kleben, Montage, Inspektion, Bedrucken oder Verpacken durchzuführen.Gantrys werden häufig für die Positionierung von Produkten auf automatisierten Transferstraßen verwendet.
Es liegt auf der Hand, dass die Zuverlässigkeit jeder Maschine in einer Transferstraße extrem hoch sein muss, um Ausfallzeiten zu minimieren, da der Ausfall einer Maschine die gesamte Transferstraße zu einem kostspieligen Stillstand bringen kann. Darüber hinaus enthalten Portale viele kritische Elemente, wie z. B. eine Steuerung, einen Verstärker, einen Motor, eine Kupplung, einen Aktuator (z. B. eine Kugelumlaufspindel, einen Riemen oder einen Linearmotor), Schienen, einen Schlitten, eine Basis, Anschläge, einen Encoder und Kabel. Die Zuverlässigkeit des gesamten Portalsystems ist die statistische Summe der Zuverlässigkeiten aller Komponenten.
Um eine hohe Systemzuverlässigkeit zu erreichen, muss jede Komponente so dimensioniert werden, dass ihre Belastung während des Betriebs die Nennwerte nicht überschreitet. Während die Dimensionierung der einzelnen Komponenten, wie vom Komponentenhersteller empfohlen, eine einfache technische Aufgabe sein kann, sind die Ausfallarten der Linearschienen etwas komplexer. Sie hängen nicht nur von der Tragfähigkeit, Größe und Präzision ab, sondern auch von der genauen Ausrichtung im Raum.
Fehlausrichtungsprobleme
Fast alle Hersteller von Linearschienen sind sich einig, dass Fehlausrichtungen zu Problemen führen. Von allen Faktoren, die zum vorzeitigen Ausfall von Linearführungen beitragen, steht die Fehlausrichtung ganz oben auf der Liste.
Zu den klassifizierten Ausrichtungsfehlern von Schienen gehören: Abplatzen: Materialabtrag von der Schienenoberfläche; Verschleiß: Ergebnis übermäßiger Reibung; Eindrücken: Kugeln verformen die Schienen; und beschädigte Teile: verformte Schienen aufgrund von Kugeln, die aus den Schienenrillen fallen.
Häufige Ursachen für Schienenversatz sind mangelnde Ebenheit, Geradheit, Parallelität und Koplanarität von Linearschienen. Diese Ursachen können durch richtige Montage- und Ausrichttechniken minimiert oder beseitigt werden, was wiederum die Überlastung der Schienen minimiert. Weitere Ursachen für das Versagen von Linearschienen sind unzureichende Schmierung und das Eindringen von Fremdkörpern, die durch ordnungsgemäße Abdichtung und regelmäßige Schmierung verringert werden können. Sie sind zwar wichtig, würden aber den Rahmen dieses Artikels sprengen.
Grundlagen des Ausrichtens
Portalschienen enthalten typischerweise Kugelumlauflager, die in ihren Laufrillen vorgespannt sind, um eine hohe Steifigkeit zu gewährleisten. Hohe Steifigkeit und geringe bewegte Masse sind kritische Eigenschaften des Portals, da sie die niedrigste Eigenfrequenz des Systems definieren. Eine hohe Eigenfrequenz, in der Größenordnung von 150 Hz, ist für eine hohe Positionsbandbreite erforderlich. Eine hohe Positionsbandbreite, in der Größenordnung von 40 Hz, ist für eine hohe dynamische Genauigkeit erforderlich. Eine hohe dynamische Genauigkeit, wie z. B. konstante Geschwindigkeit mit einem Positionsfehler von wenigen Mikrometern, oder eine geringe Einschwingzeit in der Größenordnung von wenigen Millisekunden bis hin zu einem Einschwingfenster im Submikrometerbereich, sind für eine hohe Teilequalität bzw. einen hohen Durchsatz erforderlich. Diese Leistungsmerkmale werden typischerweise im Spannungsfeld zwischen hoher Beschleunigung und gleichmäßiger Bewegung in Prozessen wie Leiterplatteninspektion, Tintenstrahldruck und Laserstrukturierung benötigt.
Um eine hohe Steifigkeit des Portals zu gewährleisten - in der Größenordnung von 100 N/µm - werden die Lager vorgespannt. Jede Fehlausrichtung zwischen den beiden Gantry-Seiten in der Größenordnung von einigen 10 Mikrometern, entweder in vertikaler (Ebenheit) oder horizontaler (Geradheit) Ausrichtung, kann jedoch die Lagerbelastung drastisch erhöhen. Das wiederum kann zu einem katastrophalen Ausfall führen, weil die Kugeln aus den Lagernuten herausfallen oder tiefe Vertiefungen in den Schienen entstehen. Kleinere Lagerverformungen können die Lagerlebensdauer immer noch erheblich reduzieren.
Um Linearschienen mit einer Genauigkeit von 10 Mikrometern über lange Verfahrwege (in der Größenordnung von 1 bis 3 Metern) auszurichten, sind teure Werkzeuge wie ein Laserinterferometer und spezielle Spannvorrichtungen erforderlich. Diese Werkzeuge sind für den typischen Endanwender oder Systemintegrator nicht ohne weiteres verfügbar. Ohne diese Werkzeuge kann ein Schienenversatz die Ursache für eine geringe Systemzuverlässigkeit, hohe Wartungskosten, Ausfallzeiten und eine kurze Lebensdauer des Systems sein.
Glücklicherweise gibt es verschiedene praxiserprobte Optionen zum Ausgleich von Ausrichtungsfehlern, die zwar keine umfangreichen Ausrichtungswerkzeuge erfordern, aber dennoch einen hohen Wert bieten, indem sie die potenziell schädlichen Auswirkungen von Schienenfehlstellungen reduzieren. Diese Fehlausrichtungs-Kompensationsvorrichtungen werden zu integralen Bestandteilen des Gantry-Rahmens und bieten die notwendigen Freiheitsgrade, um Lagerüberlastungen in verschiedenen Gantry-Schienenbefestigungen und Achsantriebskonfigurationen zu verhindern.
Kinematik der Fehlausrichtung
Um zu verstehen, wie ein Schieflaufkompensator funktioniert, muss man die kinematischen Eigenschaften des Kompensators als Teil des Gantry-Systems verstehen. Als Beispiel zeigt das nebenstehende 3D-Gantry-Diagramm vier Stützen. Die Basen der Tische X1 (verbundenes Glied 10) und X2 (Glied 1) sind übertrieben versetzt in Nick-, Gier- und Rollrichtung zueinander sowie in Ebenheit und Parallelität dargestellt. Angenommen, der linke X1-Schlitten (9) ist der motorisierte Master und besitzt ein Kugelgelenk (j), das den Y-Versteller (4) trägt. Der gegenüberliegende motorisierte rechte X2-Tisch (3) hat ein Kugelgelenk (b) und ein Lineargleitgelenk (c), die den Y-Tisch unterstützen. Die anderen X-Schlitten (7 und 6) sind Leerlaufschlitten und unterstützen den Y-Tisch ebenfalls über ein Kugelgelenk und einen Linearschlitten.
Zählt man nun die Gesamtzahl der Freiheitsgrade und subtrahiert die Gesamtzahl der Zwangsbedingungen, so ergibt sich 1 Freiheitsgrad. Das bedeutet, dass sich nur die Master-X-Achse unabhängig bewegen kann und alle anderen Verbindungen folgen. Wenn in diesem Fall ein weiterer unabhängiger Motor die andere X-Achse antreibt, kann dies zu einer übermäßigen Belastung der Schienen führen. Dies ist eine unerwünschte Konfiguration für lange Y-Stufen und daher müssen die Ingenieure Korrekturen vornehmen, damit sich die zweite X-Stufe unabhängig von der ersten X-Stufe bewegen kann.
Das Hinzufügen eines weiteren Freiheitsgrads zum System, z. B. für den X-Versteller, bedeutet, dass ein weiterer Freiheitsgrad zu einem der Gelenke hinzugefügt wird. Eine übliche Korrektur in solchen Konfigurationen lässt einen Leerlaufschlitten einen Freiheitsgrad in Z-Richtung haben, z. B. zwischen Kugelgelenk d und Schlittengelenk e.
Das Ergebnis ist eine kinematische Lagerung des Verstellers in Y-Richtung an den Gelenken b, j und i, die die 3D-Orientierung der Ebene des Verstellers 4 ohne Zwang berücksichtigt. Um jedoch zu verhindern, dass der Versteller 4 nur an drei Eckpunkten gelagert wird, ist es gängige Praxis, eine gewisse Nachgiebigkeit in Z-Richtung zwischen Gelenk d und Schlitten e hinzuzufügen, um einen Teil der Last aufzunehmen. In einigen Fällen kann die Nachgiebigkeit des Gelenks 4 ausreichend sein, in anderen Fällen kann eine nachgiebige Tellerfeder verwendet werden.
Kompensator-Ausführungen
Integrierte Schieflaufkompensatoren sind für 2D-Portalkonfigurationen vorgesehen. Die Konstruktion umfasst zwei Platten, die ein Biegeelement umgeben, das einen linearen Freiheitsgrad in Y-Richtung bietet.
Betrachten wir zwei Ausführungen von Fehlausrichtungskompensatoren. Die eine ist ein zusammengesetztes Drehgelenk mit einem linearen Schiebergelenk für eine 3D-Portalkonfiguration. Die zweite ist ein integriertes Drehgelenk mit einem linearen Biegegelenk für eine 2D-Gantry-Konfiguration. Bei der 2D-Version wird angenommen, dass die Gantry-Schienen X1 und X2 koplanar sind.
Konstruktion mit zusammengesetzten Gelenken. Betrachten Sie eine Gantry-Anwendung in einem Dosenherstellungsprozess. Das Portal verwendet zwei riemengetriebene Tische, die einen robusten Schweißrahmen auf vier Schlitten tragen. Ein Servomotor treibt jede Gantry-Stufe in einer Master-Slave-Konfiguration an. Ein Riemen treibt einen Schlitten jeder Stufe an, der andere Schlitten ist eine Umlenkrolle.
Bei den vom Endanwender montierten Tischen kam es zu einem vorzeitigen Ausfall des Tisches im Lager. Das Problem wurde behoben, indem die vier Schlitten der beiden Gantry-Lineartische um vier leicht erhältliche Standard-Kugelgelenke ergänzt wurden, die auf vier Linearschlitten montiert waren. Um die Konfiguration an die zuvor besprochene Gantry anzupassen, wurde ein Schlitten mit einer Sicherungsplatte "geerdet". Die Neukonstruktion löste das Problem vollständig.
Der Nachteil des Einsatzes eines solchen Kompensators ist jedoch ein erheblicher Höhenzuwachs, der eventuell Änderungen am Z-Tisch erforderlich macht.
Konstruktion mit integrierten Gelenken. Ein integrierter Fehlausrichtungskompensator kann in 2D-Gantry-Konfigurationen verwendet werden. Die Konstruktion umfasst zwei Platten. Eine Platte hat Befestigungslöcher am Gantry-X-Schlitten und die andere Platte hat Befestigungslöcher an der Basis des Kreuztisches Y. Ein Lager in der Mitte verbindet die beiden Platten miteinander.
Zusätzlich enthält eine Platte ein Biegeelement, das einen linearen Freiheitsgrad in Y-Richtung bietet. Um das gleiche Bauteil für alle Gelenke zu verwenden, können zwei Schrauben verwendet werden, um den linearen Freiheitsgrad der Flexur zu "schleifen" und nur die rotatorische Bewegungsfreiheit zwischen den beiden Platten beizubehalten. Das Biegeelement ist für den Betrieb bei maximaler Durchbiegung unterhalb der Ermüdungsgrenze ausgelegt.
Um schließlich bei 2D-Portalkonfigurationen zu verhindern, dass die Flexur durch ein Biegemoment um die Y-Achse belastet wird, nehmen vier Haltebolzen die Momentlasten auf.
Zu den Vorteilen dieser Konstruktion gehören integrierte Komponenten, ein niedriges Profil, eine kompakte Größe und eine einfache Montage an vorhandenen Portaltischen in weniger als 15 Minuten.