EN
Ο Ρόλος του Βραχίονα Φυσητήρα στον Ακριβή Έλεγχο Κίνησης
Κατά τον σχεδιασμό συστημάτων που απαιτούν ακρίβεια υπο-μικρομετρικής τάξης, η μηχανική ελαστικότητα (backlash) και η μη συγκέντρωση (misalignment) αποτελούν τους μεγαλύτερους εχθρούς. Στον τομέα της αυτοματοποίησης, στάδια ακριβούς κίνησης (precision motion stages) και τελικοί εκτελεστές (end-effectors) χρησιμοποιούνται για την επιλογή και τοποθέτηση ημιαγωγικών συσκευών, καθώς και για την εκτέλεση διαφόρων εργασιών στις διαδικασίες κατασκευής και συναρμολόγησης πλακών (wafer). Κατά τη διάρκεια αυτών των εργασιών, τα στάδια κίνησης και οι τελικοί εκτελεστές πρέπει να είναι εξαιρετικά ακριβή και επαναλήψιμα. Αν και η ελαστικότητα (backlash) μπορεί να ελαχιστοποιηθεί με τη χρήση συζευκτήρων με φυσαρμόνικα (bellows couplings), τα φυσαρμόνικα είναι τόσο καλά όσο και η βάση που τα στηρίζει. Αυτή η βάση ονομάζεται βάση φυσαρμόνικου (bellows bracket). Η απουσία μιας κατάλληλα σχεδιασμένης και μηχανικά εξετασμένης βάσης φυσαρμόνικου μπορεί να υπονομεύσει ένα σύστημα σύζευξης και να οδηγήσει σε σφάλματα και απώλεια ακρίβειας. Ως εκ τούτου, ο σχεδιασμός μιας βάσης φυσαρμόνικου μπορεί να έχει σημαντική επίδραση στη συνολική απόδοση ενός συστήματος κίνησης. Αυτό δείχνει πόσο σημαντικός είναι ο σχεδιασμός μιας βάσης φυσαρμόνικου για τη συνολική απόδοση ενός συστήματος κίνησης.
Γιατί η δομική ακεραιότητα του προστήματος καθορίζει την απόδοση του συστήματος
Η κύρια λειτουργία ενός στηρίγματος φυσαρμόνικας είναι να διατηρεί τη σύζευξη στον άξονα κίνησης και απόλυτα στοιχισμένη. Το φυσαρμόνικα είναι λεπτό και εύκαμπτο, επομένως εξαρτάται από το σταθερό άγκυρο για τη μετάδοση ροπής χωρίς εισαγωγή οπισθοχώρησης. Εάν το στήριγμα καμφθεί ακόμη και ελάχιστα κατά τη διάρκεια μιας κίνησης υψηλής ταχύτητας, η σύζευξη εκτοπίζεται από τη σωστή θέση. Αυτό προκαλεί μη επαναλαμβανόμενα σφάλματα. Στην κατεργασία CNC και στην υψηλής ακρίβειας μετρολογία, η μηχανή πρέπει να είναι επαναληψιμότητας στην ακριβώς ίδια θέση εκατομμύρια φορές κατά τη διάρκεια της ζωής της. Ως εκ τούτου, ένα υψηλής ποιότητας στήριγμα πρέπει να είναι εξαιρετικά σκληρό. Το στήριγμα μπορεί να κατασκευαστεί από κράμα υψηλής αντοχής για να διατηρεί τη σκληρότητά του. Ωστόσο, μια καλή σχεδίαση είναι επίσης πολύ σημαντική. Παχιές ενισχύσεις βοηθούν στη διατήρηση της σκληρότητας και μειώνουν την κάμψη, ενώ ένα χαμηλό κέντρο βάρους βελτιώνει τη σταθερότητα. Αυτό βοηθά τη σύζευξη να παραμένει απόλυτα στοιχισμένη με τον άξονα, ανεξάρτητα από την ταχύτητα με την οποία κινείται η μηχανή και το μέγεθος των φορτίων.
Ισορροπία μεταξύ σκληρότητας και δυναμικής ευελιξίας
Η υπερβολική σκληρότητα μπορεί να είναι εξίσου επιζήμια όσο και η ανεπαρκής σκληρότητα. Οι βάσεις που δεν επιτρέπουν τη θερμική διαστολή του συστήματος μπορούν να μεταδίδουν τάσεις στις διαδοχικές κυματώσεις των φυσαλίδων. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ρωγμές κόπωσης στις συγκολλήσεις. Η χρήση της Ανάλυσης Πεπερασμένων Στοιχείων (FEA) επιτρέπει στους μηχανικούς να προσομοιώσουν τη συμπεριφορά ενός εξαρτήματος υπό φόρτιση. Ο στόχος είναι να αυξηθεί η σκληρότητα της βάσης επαρκώς για να διατηρηθεί η στοίχιση, αλλά ταυτόχρονα να επιτρέπεται η διαστολή του συστήματος και οι εντονότητες των εντονότητων. Αυτή η δυναμική σταθερότητα μειώνει τις τάσεις στις φυσαλίδες και επεκτείνει τη διάρκεια ζωής του συστήματος. Σε εφαρμογές με υψηλό κύκλο λειτουργίας, η χρήση δυναμικής σταθερότητας για τη μείωση των τάσεων στις φυσαλίδες είναι απαραίτητη για τη διάρκεια ζωής του συστήματος.
Ταίριασμα του υλικού του προσαρτήματος με το περιβάλλον λειτουργίας
Το υλικό που επιλέγεται για τη βάση πρέπει να είναι κατάλληλο για το περιβάλλον στο οποίο λειτουργεί το σύστημα κίνησης. Τα τυποποιημένα αυστηνιτικά ανοξείδωτα χάλυβα, όπως τα 304 ή 316, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ελεγχόμενα εσωτερικά περιβάλλοντα ή σε ξηρά βιομηχανικά περιβάλλοντα. Άλλα συστήματα ελέγχου κίνησης λειτουργούν σε πολύ πιο απαιτητικά περιβάλλοντα. Για παράδειγμα, στα συστήματα ελέγχου κίνησης που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία τροφίμων, οι βάσεις πρέπει να αντέχουν συχνές πλύσεις με χημικά απολυμαντικά. Στην παρουσία θαλασσινού νερού, ο μη επεξεργασμένος χάλυβας μπορεί να σκουριάσει και να παρουσιάσει διάβρωση πολύ γρήγορα. Σε αυτές τις περιπτώσεις, πρέπει να χρησιμοποιηθούν κράματα όπως το Hastelloy ή το Inconel. Όταν τα κράματα που χρησιμοποιούνται για τις βάσεις και για τους άξονες που στηρίζονται από αυτές έχουν πολύ διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής, η λειτουργία του συστήματος μπορεί να προκαλέσει σύφλιξη ή αστοχία των βάσεων. Η εξισορρόπηση των ιδιοτήτων θερμικής διαστολής των βάσεων μπορεί να εξαλείψει τη θερμική σύφλιξη και τις αστοχίες.
Η ποιότητα της διαδικασίας εγκατάστασης καθορίζει το δυναμικό μιας βάσης φυσαρμόνικα
Τα δεδομένα συντήρησης επιτόπου στη βιομηχανία αυτοματισμού δείχνουν σαφώς ότι η πλειοψηφία των αστοχιών των βραχιόνων δακτυλίων (bellows brackets) οφείλεται σε λάθη κατά τη συναρμολόγηση, και όχι σε ελαττώματα του υλικού από το οποίο κατασκευάζονται οι δακτύλιοι (bellows). Όπως συμβαίνει με τους περισσότερους μεταλλικούς δακτυλίους (metal bellows), η αστοχία προκαλείται από κόπωση (fatigue), και ο κύριος παράγοντας που προκαλεί κόπωση στους δακτυλίους είναι η μη στοίχιση (misalignment). Η μη στοίχιση των δακτυλίων οφείλεται σε ανεπαρκή τοποθέτηση της σύζευξης (coupling), ενώ η ανεπαρκής τοποθέτηση της σύζευξης είναι αποτέλεσμα μη στοιχισμένων βραχιόνων (brackets). Ένα από τα συνηθέστερα λάθη κατά τη συναρμολόγηση ενός συστήματος δακτυλίων (bellows system) είναι η τελική σφίξιμο των βιδών στερέωσης (mounting bolts). Η χρήση ακατάλληλου κλειδιού (wrench) κατά την τελική σφίξιμο των βιδών προκαλεί ανομοιόμορφη δύναμη σύσφιξης (clamping force). Η υπερβολική σφίξιμο μιας βίδας παραμορφώνει τον βραχίονα (bracket), προκαλώντας μη στοίχιση της σύζευξης. Ακόμη και μια μικρή απόκλιση της τάξης των εκατοστών του χιλιοστού του μέτρου είναι επαρκής για να θέσει τους δακτυλίους σε ελαφρώς πλάγια λειτουργία, με αποτέλεσμα το μέταλλο να αστοχεί πολύ πιο γρήγορα. Το προσωπικό εγκατάστασης θα πρέπει να χρησιμοποιεί κλειδιά ροπής (torque wrenches) για να διασφαλίζει ομοιόμορφη δύναμη σύσφιξης. Επίσης, θα πρέπει να επαληθεύεται η επίπεδη επιφάνεια (flatness) των επιφανειών στερέωσης.
Εξάλειψη της μη σύμφωνης ευθυγράμμισης με εργαλεία ακριβούς μέτρησης
Πριν από την τελική σύσφιξη των συνδετικών στοιχείων, πρέπει να χρησιμοποιηθούν ελέγξιμα μετρητικά εργαλεία για την επαλήθευση της στοίχισης της βάσης σε σχέση με τον άξονα κίνησης. Δείκτες ρολογιού και λέιζερ εργαλεία στοίχισης αποτελούν παραδείγματα μετρητικών εργαλείων που χρησιμοποιούνται σε αυτήν την εφαρμογή. Η βάση πρέπει να ρυθμιστεί έτσι ώστε να μειωθεί η εκκεντρότητα σε αυστηρό επίτρεπτο όριο μερικών χιλιοστών της ίντσας. Μια αστοίχιση της τάξης των 0,5 χιλιοστών μπορεί να προκαλέσει ανομοιόμορφη κάμψη των φυσαρμόνικων, με αποτέλεσμα σημαντική μείωση της διάρκειας ζωής τους. Αφού επιτευχθεί η ομοκεντρικότητα, η υψηλής ποιότητας πρακτική εγκατάστασης συνιστά τη χρήση αναερόβιας ουσίας στερέωσης σπειρωμάτων στα συνδετικά στοιχεία, προκειμένου να αποτραπεί η χαλάρωση των βιδών λόγω δόνησης. Μετά τη συναρμολόγηση και πριν από την ενεργοποίηση του συστήματος, πρέπει να διεξαχθεί εκτενής δοκιμή στατικής φόρτισης για να διαπιστωθεί εάν το σύστημα, συμπεριλαμβανομένων των σφραγίδων, παρουσιάζει κάμψη ή ολίσθηση υπό την εργασιακή ροπή.
Αναγνώριση και πρόληψη συνήθων μακροπρόθεσμων αποτυχιών
Ακόμα και με μια τέλεια εγκατάσταση, η προσάρτηση μπελός πρέπει να παρακολουθείται καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής της. Ο συνηθέστερος τρόπος αστοχίας για αυτά τα εξαρτήματα είναι η κόπωση. Αυτή συνήθως αρχίζει στις οξείες εσωτερικές γωνίες της προσάρτησης, όπου η τάση συσσωρεύεται φυσικά κατά τους επαναλαμβανόμενους κύκλους εκκίνησης-διακοπής. Οι ρωγμές μπορεί να είναι δύσκολο να εντοπιστούν με γυμνό μάτι, αλλά τελικά επεκτείνονται στην επιφάνεια, υπονομεύοντας την ακαμψία της προσάρτησης και οδηγώντας σε καταστροφική αστοχία του συστήματος. Η διάβρωση αποτελεί άλλη σημαντική απειλή, ιδιαίτερα σε περιβάλλοντα όπου η προσάρτηση εκτίθεται σε υγρασία ή χημικούς ατμούς. Οι μικρές ρωγμές γύρω από τα περιστρεφόμενα μπολτ παρέχουν ιδανικούς τόπους για την έναρξη διάβρωσης με πιτινγκ, η οποία τελικά αδυναμώνει τη διατομή της προσάρτησης. Για να μειωθούν αυτοί οι κίνδυνοι, ένα προληπτικό πρόγραμμα συντήρησης πρέπει να περιλαμβάνει οπτική επιθεώρηση της προσάρτησης, των μπολτ και των γειτονικών μπελός τουλάχιστον μία φορά το τρίμηνο. Η πρώιμη ανίχνευση επιφανειακού πιτινγκ ή ρωγμών με πάχος μαλλιού επιτρέπει στους μηχανικούς να αντικαταστήσουν το εξάρτημα κατά τη διάρκεια προγραμματισμένης διακοπής λειτουργίας, αποφεύγοντας ακριβές έκτακτες επισκευές.
Γιατί ο έλεγχος της διαδικασίας κατασκευής εγγυάται την τελική ακρίβεια
Η μακροπρόθεσμη απόδοση ενός βραχίονα δακτυλίου καθορίζεται τελικά από το πόσο αυστηρά τηρούνται οι κανόνες παραγωγής κατά την κατασκευή του. Η ακρίβεια της CNC φρεζαριστικής επεξεργασίας, η συνέπεια της θερμικής κατεργασίας και η επιφανειακή επεξεργασία επηρεάζουν την απόδοση του βραχίονα υπό μικρο-τάσεις. Οι κατασκευαστές που λειτουργούν σύμφωνα με αυστηρά ελεγχόμενα διεθνή συστήματα διαχείρισης ποιότητας, όπως το ISO 9001, επιτυγχάνουν αυστηρά επιτρεπόμενα όρια ανοχών. Μέσω της παρακολούθησης της εντοπισιμότητας του υλικού — από τα αρχικά κράματα μέχρι την τελική επεξεργασία με ψεκασμό — οι αξιόπιστοι προμηθευτές διασφαλίζουν ότι κάθε βραχίονας που κατασκευάζουν έχει τις ίδιες μηχανικές ιδιότητες. Για έναν ολοκληρωτή συστημάτων που βασίζει την ακρίβεια του εξοπλισμού του στην αξιοπιστία αυτών των στηριγμάτων, η ύπαρξη αυστηρής παραγωγικής πειθαρχίας στην εγκατάσταση κατασκευής των βραχίονων δακτυλίου παρέχει εγγύηση ότι το σύστημα κίνησης που ολοκληρώνεται στον εξοπλισμό του θα διατηρήσει τη βαθμονόμησή του για μεγάλο χρονικό διάστημα.