Линейный модуль с зубчатым ремнем можно использовать в качестве одной оси движения, но его высокая скорость, длинный ход и гибкое расположение двигателя делают его особенно подходящим для многоосных систем автоматизации. Объединив два или более модулей, инженеры могут создавать платформы позиционирования XY, системы манипулирования XZ, системы движения XYZ и крупноформатные портальные механизмы.

Проектирование многоосной системы предполагает нечто большее, чем просто установку одного линейного модуля поверх другого. Проектировщик должен учитывать ориентацию оси, движущуюся массу, распределение нагрузки, жесткость конструкции, размещение двигателя, прокладку кабелей и синхронизацию. Каждая добавленная ось изменяет нагрузку, приложенную к опорной оси, поэтому всю систему следует оценивать как интегрированную механическую конструкцию.

Timing belt linear module multi-axis system showing XY, XZ, XYZ and gantry configurations
Линейные модули ремня ГРМ можно комбинировать в XY, XZ, XYZ и портальные системы для высокоскоростной многоосной автоматизации.

Оглавление

  • Что такое линейная модульная система многоосного ремня ГРМ?
  • Распространенные многоосные конфигурации
  • Линейные модульные системы ремня ГРМ XY
  • Линейные модульные системы ремня ГРМ XZ
  • Линейные модульные системы ремня ГРМ XYZ
  • Портальные системы с ремнем ГРМ
  • Комбинация осей и структурное расположение
  • Распределение нагрузки в многоосных системах
  • Расположение двигателя и схема трансмиссии
  • Прокладка кабелей для многоосного движения
  • Синхронизация и управление движением
  • Процесс проектирования многоосной конфигурации
  • Распространенные ошибки проектирования
  • Часто задаваемые вопросы
  • Заключение

Что такое линейная модульная система многоосного ремня ГРМ?

Многоосная линейная модульная система с зубчатым ремнем объединяет две или более оси линейного движения для перемещения полезной нагрузки в нескольких направлениях. Каждый модуль обычно обеспечивает движение вдоль одной прямой оси, а весь механизм обеспечивает возможность двухмерного или трехмерного позиционирования.

Например, модуль оси X может обеспечивать горизонтальное перемещение, а второй модуль, установленный на его каретке, обеспечивает перемещение по оси Y. Добавление вертикальной оси Z создает трехосную систему, способную позиционировать инструмент, датчик, захват или заготовку в разных координатах.

Модули ремня ГРМ обычно выбираются для многоосных систем, поскольку они обеспечивают:

  • Высокая линейная скорость
  • Длительное доступное путешествие
  • Относительно низкая движущаяся масса
  • Гибкие направления монтажа двигателя
  • Простая интеграция с сервоприводами или шаговыми двигателями.
  • Хорошая пригодность для повторяющихся циклов перемещения и позиционирования.

Однако систему ремня ГРМ обычно выбирают для применений, в которых приоритет отдается скорости, ходу и времени цикла, а не чрезвычайно высокой тяге или сверхточной точности позиционирования.

Распространенные многоосные конфигурации

Наиболее распространенными комбинациями линейных модулей ремня ГРМ являются конфигурации XY, XZ, XYZ и портальная конфигурация. Правильная конструкция зависит от требуемых направлений движения, рабочей зоны, ориентации полезной нагрузки и компоновки машины.

Конфигурация Направления движения Типичная структура Общие приложения
система XY Горизонтальный и боковой Одна ось установлена ​​на каретке другой оси Дозирование, проверка, сортировка и планарное позиционирование
система XZ Горизонтальный и вертикальный Вертикальная ось установлена ​​на горизонтальной оси перемещения Сбор и размещение, погрузка, разгрузка и штабелирование
система XYZ Трехмерное движение Три перпендикулярные оси, объединенные последовательно Сборка, тестирование, обработка и автоматическая обработка
Портальная система Горизонтальное движение большой площади с дополнительной вертикальной осью Перекладина, поддерживаемая двумя параллельными осями Крупноформатная обработка, паллетирование и погрузка в машину

Линейные модульные системы ремня ГРМ XY

Система XY обеспечивает движение в двух перпендикулярных горизонтальных направлениях. Это одно из наиболее распространенных многоосных устройств для плоских рабочих площадей.

Нижняя ось обычно называется осью X и поддерживает верхнюю ось Y. Ось Y установлена ​​на каретке оси X, поэтому вся масса оси Y, ее двигателя, инструментов и полезной нагрузки становится движущейся нагрузкой по оси X.

Типичная структура XY

Стандартное расположение XY включает в себя:

  • Один длинноходовой модуль оси X
  • Один модуль оси Y, установленный перпендикулярно оси X.
  • Соединительная пластина между двумя осями
  • Отдельные двигатели для перемещения по осям X и Y.
  • Кабельный держатель для подвижной верхней оси
  • Контроллер для согласованного двухосного позиционирования

Рекомендации по проектированию XY-системы

Нижнюю ось X следует выбирать в соответствии с общей движущейся массой, а не только с внешней полезной нагрузкой. В эту сумму входят корпус оси Y, каретка, двигатель, соединительная пластина, кабельный держатель, инструменты и заготовка.

Длина оси Y также создает моментную нагрузку на каретку оси X. Широкая монтажная пластина, конструкция с двумя направляющими или два параллельных модуля оси X могут потребоваться, если ось Y длинная или когда полезная нагрузка расположена далеко от несущей каретки.

Платформы с ремнем XY обычно используются для дозирования, визуального контроля, маркировки, сортировки, сканирования и автоматического позиционирования в прямоугольной рабочей зоне.

Линейные модульные системы ремня ГРМ XZ

Система XZ сочетает в себе горизонтальное и вертикальное движение. Он широко используется в перегрузочном оборудовании, системах загрузки материалов, штабелёрах и передаточных механизмах.

Ось X обычно перемещает всю ось Z по горизонтали. Ось Z поднимает или опускает захват, присоску, инструмент или полезную нагрузку.

Требования к нагрузке по вертикальной оси

Ось Z должна преодолевать гравитацию в дополнение к ускорению и силам процесса. Поэтому требуемый крутящий момент двигателя следует рассчитывать на основе движущейся массы, радиуса шкива, ускорения, эффективности трансмиссии и коэффициента безопасности.

Вертикальная ось ремня ГРМ также может потребовать:

  • Тормозной двигатель для предотвращения падения при потере мощности.
  • Механизм противовеса для более тяжелых движущихся грузов.
  • Механический стопор или устройство предотвращения падения.
  • Подходящее расположение датчиков возврата в исходное положение и предельных значений.
  • Стратегия контролируемого замедления вблизи нижнего предела хода

Вертикальное направление установки оси

Ось Z может быть установлена ​​с движущимся корпусом модуля или с движущейся кареткой. Конструкция с подвижным корпусом может уменьшить консольное расстояние между инструментом и направляющей конструкцией, а конструкция с подвижной кареткой может упростить установку.

Правильный метод зависит от требуемого хода, формы инструмента, доступного пространства и моментной нагрузки. Вертикальная ось должна оставаться максимально компактной и легкой, поскольку вся ее масса приходится на горизонтальную ось.

Линейные модульные системы ремня ГРМ XYZ

Система XYZ обеспечивает движение в трех перпендикулярных направлениях и может располагать инструмент или заготовку в трехмерном рабочем объеме.

Типичная конструкция использует длинную ось X в качестве основания, ось Y, установленную на каретке оси X, и ось Z, установленную на каретке оси Y. Возможны и другие варианты расположения в зависимости от рамы машины и направления работы.

Иерархия осей

Иерархия осей важна, поскольку каждая ось нижнего уровня несет в себе все оси, установленные над ней. В обычном расположении XYZ:

  • Ось Z несет инструмент и полезную нагрузку.
  • Ось Y несет ось Z, инструмент и полезную нагрузку.
  • Ось X несет оси Y, ось Z, двигатели, инструменты, кабели и полезную нагрузку.

В результате базовая ось обычно требует максимальной грузоподъемности и жесткости конструкции. Также может потребоваться двигатель большего размера или более мощная серия модулей, чем для верхних осей.

Уменьшение движущейся массы

Уменьшение движущейся массы улучшает ускорение, время цикла и стабильность позиционирования. Общие методы включают в себя:

  • Использование компактных модулей для верхних осей
  • Монтаж двигателей в положениях, позволяющих снизить консольные нагрузки.
  • Использование легких алюминиевых соединительных пластин.
  • Уменьшение массы ненужного инструмента
  • Выбор кратчайшего практичного хода верхней оси
  • Отделение стационарных электрических компонентов от движущегося узла

Самый быстрый модуль — не всегда лучший выбор. Вся система должна быть оптимизирована по общей движущейся массе, жесткости и требуемому времени цикла.

Портальные системы с ремнем ГРМ

В портальной системе используется перекладина, поддерживаемая с двух сторон рамы машины. Он подходит для больших рабочих площадей, длинных ходов и применений, где движущийся мост должен оставаться стабильным на большом пролете.

Портал может использовать одну приводную ось и одну пассивную опорную ось или две параллельные оси с независимым приводом. Правильное расположение зависит от пролета, полезной нагрузки, ускорения и требуемых характеристик позиционирования.

Портальная конфигурация с одним приводом

В портальном устройстве с одним приводом один двигатель приводит в движение обе стороны через механическое соединение, такое как общий вал, ремень ГРМ или система трансмиссии. Это обеспечивает механическую синхронизацию и может упростить управление.

Механическое соединение должно быть достаточно жестким, чтобы предотвратить крутильную деформацию и угловое смещение поперек перекладины.

Портальная конфигурация с двумя приводами

В портальном устройстве с двойным приводом каждая сторона имеет собственный двигатель и систему привода. Контроллер дает команду обеим осям двигаться вместе, отслеживая их положение.

Системы с двойным приводом подходят для широких порталов, длинных ходов и более высоких динамических нагрузок, но они требуют тщательного возврата в исходное положение, выравнивания и синхронизации. Разница в положении двух сторон может привести к перекосу перекладины, перегрузке направляющих или заклиниванию механизма.

Конструкция портальной перекладины

Поперечина должна противостоять изгибу и кручению во время ускорения. Его жесткость зависит от профиля балки, неопорного пролета, положения инструмента и полезной нагрузки.

Легкая балка улучшает ускорение, но недостаточная жесткость может создать вибрацию и ошибку позиционирования. Поэтому балку следует проектировать с учетом как статического отклонения, так и динамической реакции.

Комбинация осей и структурное расположение

Многоосные модули не следует объединять только по имеющимся монтажным отверстиям. Соединение между осями должно обеспечивать достаточную жесткость, соосность и поддержку.

Конструкция соединительной пластины

Соединительные пластины используются для крепления одной оси к другой. Подходящая тарелка должна:

  • Обеспечьте ровную монтажную поверхность
  • Распределите нагрузку по вагону
  • Минимизируйте ненужный вылет
  • Устойчивость к изгибу при ускорении
  • Разрешить установку двигателя, датчика и кабеля
  • Обеспечьте доступ для сборки и обслуживания.

Очень толстые пластины увеличивают движущуюся массу, а тонкие пластины могут деформироваться. Толщину пластины и армирование следует выбирать в соответствии с нагрузкой и расстоянием между консолью.

Ориентация модуля

Модуль можно устанавливать горизонтально, вертикально, на боку или в перевернутом положении. Однако допустимая полезная нагрузка и момент могут меняться в зависимости от направления монтажа.

Проектировщик должен проверить радиальную, осевую нагрузку и моментную нагрузку для фактической ориентации установки, а не полагаться только на общее значение полезной нагрузки.

Распределение нагрузки в многоосных системах

Расчет нагрузки является одной из наиболее важных частей многоосного проектирования. Нижняя ось несет не только заготовку. Он несет на себе весь подвижной узел, установленный над ним.

Общая движущая нагрузка

Суммарная движущая нагрузка может включать в себя:

  • Верхнийлинейные модули
  • Сервоприводы или шаговые двигатели
  • Редукторы и муфты
  • Соединительные пластины и кронштейны
  • Кабельные носители и кабели
  • Датчики и пневматические компоненты
  • Концевая оснастка
  • Транспортируемая заготовка

Эту общую массу следует использовать при расчете силы ускорения, требуемого крутящего момента двигателя и динамической нагрузки.

Моментная нагрузка

Моментная нагрузка возникает, когда центр тяжести полезной нагрузки смещен относительно центра каретки или направляющей. Длинные верхние оси и консольные инструменты могут создавать значительные моменты тангажа, рыскания или крена.

Моментную нагрузку можно уменьшить за счет:

  • Перемещение полезной нагрузки ближе к центру направляющей
  • Использование более широкой каретки
  • Увеличение расстояния между направляющими блоками
  • Использование двух параллельных опорных осей
  • Уменьшение длины кантилевера
  • Уменьшение массы верхней оси

Динамическая нагрузка

Ускорение и замедление создают силы, которые могут быть намного выше статической нагрузки. Система, которая плавно движется на низкой скорости, может вибрировать, отклоняться или терять устойчивость позиционирования при работе с высоким ускорением.

Поэтому выбранный модуль следует оценить с учетом предполагаемой скорости, ускорения, рабочего цикла и условий аварийной остановки.

Расположение двигателя и схема трансмиссии

Размещение двигателя влияет на размер системы, движущуюся массу, прокладку кабелей и доступ для обслуживания. Модули ремня ГРМ часто позволяют устанавливать двигатели напрямую, параллельно или через сложенную возвратную систему.

Перемещение двигателя

Когда двигатель установлен на верхней движущейся оси, его масса переносится каждой опорной осью, находящейся под ним. Это увеличивает требуемую грузоподъемность и крутящий момент двигателей нижних осей.

Механизмы с движущимся двигателем механически просты, но для них требуются гибкие кабели питания и энкодера.

Стационарное расположение двигателя

Некоторые механические конструкции позволяют двигателю оставаться неподвижным, пока конструкция оси перемещается. Это может уменьшить подвижную массу и перемещение троса, но может потребовать более сложной траектории ремня, системы валов или конструкции трансмиссии.

Ориентация двигателя

Ориентацию двигателя следует выбирать в соответствии с:

  • Доступное место для установки
  • Опасность столкновения с соседними осями
  • Доступ для обслуживания
  • Радиус изгиба кабеля
  • Защита от пыли, охлаждающей жидкости и технологического мусора.
  • Центр тяжести системы

Двигатель не следует располагать там, где он неоправданно увеличивает расстояние кантилевера или мешает рабочей зоне.

Прокладка кабелей для многоосного движения

Прокладка кабеля становится более сложной по мере увеличения количества осей. Для каждой движущейся оси могут потребоваться кабели питания двигателя, кабели энкодера, провода датчиков, пневматические трубки, вакуумные линии или кабели связи.

Выбор кабельной несущей

Кабельный держатель должен иметь достаточное внутреннее пространство и радиус изгиба, отвечающий требованиям всех установленных кабелей и трубок. Переполнение держателя может увеличить трение и сократить срок службы кабеля.

При необходимости кабели разных типов следует разделять, чтобы уменьшить электрические помехи и истирание.

Вложенное движение кабеля

В системе XYZ тросы оси Z могут перемещаться вместе с осью Y, а кабели оси Y — с осью X. Это создает несколько уровней движения кабеля.

Прокладку кабеля следует планировать на этапе механического проектирования, а не добавлять после сборки. Для каждой оси должны быть определены подходящие фиксированные точки, точки перемещения, направления изгиба и контуры обслуживания.

Как избежать проблем, связанных с кабелем

  • Не позволяйте кабелям тереться об острые края.
  • Не превышайте минимальный радиус изгиба.
  • Не размещайте соединители внутри постоянно изгибающихся секций.
  • Не смешивайте гибкие и негибкие кабели на одном и том же пути без предварительной оценки.
  • Обеспечьте разгрузку от натяжения как в неподвижных, так и в подвижных точках соединения.
  • Убедитесь, что кабельный держатель не попадает в рабочую зону.

Синхронизация и управление движением

Многоосные системы требуют контроллера, способного координировать работу нескольких двигателей. Требуемый уровень управления зависит от того, движутся ли оси независимо, последовательно или одновременно по заданному пути.

Независимое движение оси

В простом передаточном оборудовании одна ось может завершить движение до того, как запустится следующая ось. Это снижает сложность управления и может быть достаточным для базовых циклов загрузки и разгрузки.

Интерполированное движение

При дозировании, резке, сканировании и отслеживании контуров может потребоваться одновременное перемещение по двум или трем осям. Контроллер должен выполнять линейную или круговую интерполяцию, сохраняя при этом необходимую скорость и точность траектории.

Синхронизация двухосного гентри

Портал с двойным приводом требует, чтобы обе параллельные оси сохраняли одно и то же положение. Контроллер может использовать управление «ведущий-подчиненный», электронную передачу или функцию синхронизации портала.

Обе стороны должны иметь соответствующие датчики самонаведения или эталонные процедуры. Система управления также должна отслеживать ошибку рассогласования, чтобы машина могла остановиться до того, как чрезмерное смещение повредит конструкцию.

Процесс проектирования многоосной конфигурации

Систематический процесс проектирования помогает предотвратить превышение размеров, недостаточную жесткость и проблемы интеграции.

  1. Определите рабочую зону.Определите необходимое перемещение по осям X, Y и Z, включая запасы безопасности и размеры инструмента.
  2. Определите полезную нагрузку.Рассчитайте массу и центр тяжести заготовки, оснастки, кронштейнов и верхних осей.
  3. Выберите иерархию осей.Решите, какая ось поддерживает остальные, и определите общую движущуюся массу по каждой оси.
  4. Рассчитать динамические требования.Определите скорость, ускорение, замедление, время движения и время цикла.
  5. Проверьте допустимую нагрузку и момент.Оцените радиальные нагрузки, осевые нагрузки, а также моменты тангажа, рыскания и крена.
  6. Выберите размер модуля.Выберите подходящий профиль, конструкцию направляющих, размер ремня, длину каретки и мощность двигателя.
  7. Спроектировать соединительные элементы.Создайте жесткие монтажные пластины, кронштейны и поперечины с подходящей плоскостностью.
  8. Спланируйте двигательные позиции.Подтвердите свободное пространство, расстояние до столкновения, прокладку кабелей и доступ для обслуживания.
  9. Спланируйте прокладку кабелей.Выберите кабельные трассы, радиусы изгиба, направления прокладки и фиксированные точки.
  10. Определите метод управления.Подтвердите требования к независимому движению, интерполяции или синхронизации гентри.
  11. Проверьте корпус машины.Убедитесь, что основание и опорная конструкция достаточно жесткие и ровные.
  12. Протестируйте всю систему.Введите в эксплуатацию пониженную скорость, а затем постепенно увеличивайте ускорение и скорость цикла.

Распространенные ошибки проектирования

Расчет только внешней полезной нагрузки

Игнорирование массы верхних осей, двигателей и соединительных пластин может привести к тому, что опорная ось окажется заниженной. Весь подвижный узел должен быть включен в расчет нагрузки.

Игнорирование моментных нагрузок

Полезная нагрузка может находиться в пределах номинальной массы, но при этом превышать допустимый момент, поскольку она расположена далеко от центра каретки.

Использование недостаточно жесткой соединительной пластины

Гибкая пластина может снизить стабильность позиционирования, даже если сами линейные модули достаточно жесткие.

Установка тяжелой оси сверху

Неоправданно большая верхняя ось увеличивает нагрузку и требования к двигателю каждой нижней оси. Верхние оси следует по возможности сохранять компактными.

Планировать прокладку кабеля слишком поздно

Добавление кабельных держателей после механической сборки может уменьшить доступный ход, создать помехи или привести кабели к неподходящему радиусу изгиба.

Игнорирование выравнивания гентри

Параллельные оси портала должны быть установлены точно. Плохое выравнивание увеличивает сопротивление направляющей, нагрузку на ремень и ток двигателя.

Использование чрезмерного ускорения

Высокое ускорение может вызвать вибрацию, прогиб рамы, колебание ремня и потерю устойчивости позиционирования, даже если двигатель имеет достаточную мощность.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли использовать линейные модули ремня ГРМ для систем XYZ?

Да. Модули ремня ГРМ широко используются в системах XYZ, требующих большого хода, высокой скорости и умеренной точности позиционирования. Базовая ось должна быть рассчитана на полную массу всех верхних осей, инструментов и полезной нагрузки.

Какая ось должна иметь наибольшую грузоподъемность?

В традиционной многоуровневой системе самая нижняя опорная ось обычно требует наибольшей грузоподъемности, поскольку на ней находятся все верхние оси и движущиеся компоненты.

Когда следует использовать две параллельные оси?

Две параллельные оси могут потребоваться, если поперечная балка широкая, полезная нагрузка создает большой момент или одна каретка не может обеспечить достаточную опору и жесткость.

Нужен ли порталу с двумя приводами контроль синхронизации?

Да. Две стороны с независимым приводом должны оставаться синхронизированными во время возврата в исходное положение и работы. Контроллер должен следить за разностью положений и останавливать систему в случае превышения допустимого отклонения.

Можно ли использовать модуль ремня ГРМ в качестве вертикальной оси Z?

Да, но двигатель должен преодолевать силу тяжести, и система должна включать подходящую защиту от отключения питания, например двигатель с тормозом, противовес или механическое устройство для предотвращения падения.

Как можно уменьшить движущуюся массу?

Используйте меньшие по размеру модули верхней оси, легкие соединительные пластины, компактные инструменты, подходящее расположение двигателей и максимально короткие ходы верхней оси.

Подходят ли многоосные системы с зубчатым ремнем для точной обработки?

Они подходят для многих задач автоматического позиционирования, транспортировки, дозирования, проверки и погрузочно-разгрузочных работ. Для применений, требующих очень высокой жесткости, больших сил резания или сверхточного позиционирования, вместо этого может потребоваться шариковый винт или система линейного двигателя.

Заключение

Линейные модули ремня ГРМмогут быть объединены в гибкие системы XY, XZ, XYZ и портальные системы перемещения для высокоскоростной автоматизации. Успешная интеграция зависит от выбора правильной иерархии осей, расчета полной движущейся нагрузки, контроля моментных нагрузок и обеспечения достаточной жесткости конструкции.

Размещение двигателя, прокладка кабеля и синхронизация должны учитываться с самого начала процесса проектирования. Оценивая весь механизм, а не рассматривая каждую ось отдельно, инженеры могут создать многоосную систему со стабильным движением, эффективным временем цикла и надежной долгосрочной работой.