Różnica między systemem Stage-on-Granite a zintegrowanym systemem ruchu Granite

Wybór najbardziej odpowiedniej platformy ruchu liniowego na bazie granitu dla danego zastosowania zależy od wielu czynników i zmiennych. Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że każde zastosowanie ma swój własny, unikalny zestaw wymagań, które należy zrozumieć i ustalić priorytety, aby dążyć do skutecznego rozwiązania w zakresie platformy ruchu.

Jedno z bardziej powszechnych rozwiązań obejmuje montaż dyskretnych etapów pozycjonujących na granitowej konstrukcji. Inne powszechne rozwiązanie integruje komponenty, które składają się na osie ruchu bezpośrednio w samym granicie. Wybór między etapem na granicie a platformą zintegrowanego ruchu granitu (IGM) jest jedną z pierwszych decyzji, jakie należy podjąć w procesie selekcji. Istnieją wyraźne rozróżnienia między oboma typami rozwiązań i oczywiście każde z nich ma swoje zalety — i zastrzeżenia — które należy dokładnie zrozumieć i rozważyć.

Aby lepiej zrozumieć proces podejmowania decyzji, oceniamy różnice między dwoma podstawowymi projektami platform ruchu liniowego — tradycyjnym rozwiązaniem ze sceną na granicie i rozwiązaniem IGM — z perspektywy technicznej i finansowej w formie studium przypadku łożysk mechanicznych.

Tło

Aby zbadać podobieństwa i różnice między systemami IGM a tradycyjnymi systemami opartymi na etacie granitowym, opracowaliśmy dwa projekty przypadków testowych:

• Łożysko mechaniczne, stopień na granicie
• Łożysko mechaniczne, IGM

W obu przypadkach każdy system składa się z trzech osi ruchu. Oś Y oferuje 1000 mm przesuwu i znajduje się na podstawie granitowej konstrukcji. Oś X, znajdująca się na moście zespołu o przesuwie 400 mm, przenosi pionową oś Z o przesuwie 100 mm. Ten układ jest przedstawiony piktograficznie.

W przypadku konstrukcji sceny na granicie wybraliśmy scenę szerokokadłubową PRO560LM dla osi Y ze względu na jej większą nośność, powszechną w wielu zastosowaniach ruchu wykorzystujących układ „Y/XZ split-bridge”. W przypadku osi X wybraliśmy PRO280LM, która jest powszechnie używana jako oś mostu w wielu zastosowaniach. PRO280LM oferuje praktyczną równowagę między powierzchnią podstawy a możliwością przenoszenia osi Z z ładunkiem klienta.

W przypadku projektów IGM wiernie odtworzyliśmy podstawowe koncepcje konstrukcyjne i układy powyższych osi, przy czym główna różnica polega na tym, że osie IGM są wbudowane bezpośrednio w strukturę granitu i dlatego nie mają podstaw z obrabianych maszynowo komponentów, obecnych w projektach ze sceną na granicie.

Wspólna dla obu przypadków projektowych jest oś Z, która została wybrana jako napędzana śrubą kulową scena PRO190SL. Jest to bardzo popularna oś do stosowania w orientacji pionowej na moście ze względu na jej dużą ładowność i stosunkowo kompaktowy współczynnik kształtu.

Rysunek 2 ilustruje szczegółowo badane systemy typu stage-on-granit i IGM.

Porównanie techniczne

Systemy IGM są projektowane przy użyciu różnych technik i komponentów, które są podobne do tych, które można znaleźć w tradycyjnych projektach stage-on-granite. W rezultacie istnieje wiele wspólnych właściwości technicznych między systemami IGM i systemami stage-on-granite. Z drugiej strony, zintegrowanie osi ruchu bezpośrednio ze strukturą granitową oferuje kilka wyróżniających cech, które odróżniają systemy IGM od systemów stage-on-granite.

Współczynnik kształtu

Być może najbardziej oczywiste podobieństwo zaczyna się od fundamentu maszyny — granitu. Chociaż istnieją różnice w cechach i tolerancjach między konstrukcjami stage-on-granite i IGM, ogólne wymiary granitowej podstawy, podnośników i mostu są równoważne. Dzieje się tak głównie dlatego, że nominalne i graniczne przesuwy są identyczne między stage-on-granite i IGM.

Budowa

Brak obrabianych maszynowo elementów bazowych osi w konstrukcji IGM zapewnia pewne zalety w porównaniu z rozwiązaniami typu stage-on-granite. W szczególności redukcja elementów w pętli strukturalnej IGM pomaga zwiększyć ogólną sztywność osi. Pozwala również na krótszą odległość między granitową podstawą a górną powierzchnią wózka. W tym konkretnym studium przypadku konstrukcja IGM oferuje o 33% niższą wysokość powierzchni roboczej (80 mm w porównaniu do 120 mm). Ta mniejsza wysokość robocza nie tylko umożliwia bardziej kompaktową konstrukcję, ale także zmniejsza przesunięcia maszyny od silnika i enkodera do punktu roboczego, co skutkuje zmniejszeniem błędów Abbego, a tym samym zwiększoną wydajnością pozycjonowania punktu roboczego.

Komponenty osi

Przyglądając się bliżej projektowi, rozwiązania stage-on-granite i IGM mają pewne wspólne kluczowe komponenty, takie jak silniki liniowe i enkodery położenia. Wybór wspólnej siły i toru magnesu prowadzi do równoważnych możliwości wyjściowych siły. Podobnie, użycie tych samych enkoderów w obu projektach zapewnia identycznie dokładną rozdzielczość dla sprzężenia zwrotnego pozycjonowania. W rezultacie dokładność liniowa i powtarzalność nie różnią się znacząco między rozwiązaniami stage-on-granite i IGM. Podobny układ komponentów, w tym separacja łożysk i tolerancja, prowadzi do porównywalnej wydajności pod względem ruchów błędów geometrycznych (tj. prostoliniowość pozioma i pionowa, pochylenie, przechylenie i odchylenie). Wreszcie, elementy pomocnicze obu projektów, w tym zarządzanie kablami, ograniczenia elektryczne i twarde ograniczniki, są zasadniczo identyczne pod względem funkcji, chociaż mogą się nieco różnić pod względem wyglądu fizycznego.

Namiar

W przypadku tej konkretnej konstrukcji jedną z najbardziej zauważalnych różnic jest wybór liniowych łożysk prowadzących. Chociaż łożyska kulkowe recyrkulacyjne są stosowane zarówno w systemach stage-on-granite, jak i IGM, system IGM umożliwia włączenie do konstrukcji większych, sztywniejszych łożysk bez zwiększania wysokości roboczej osi. Ponieważ konstrukcja IGM opiera się na granicie jako podstawie, w przeciwieństwie do oddzielnej podstawy z obrabianego elementu, możliwe jest odzyskanie części pionowej przestrzeni, która w przeciwnym razie zostałaby zajęta przez podstawę obrabianą, i zasadniczo wypełnienie tej przestrzeni większymi łożyskami, jednocześnie zmniejszając całkowitą wysokość wózka nad granitem.

Sztywność

Zastosowanie większych łożysk w konstrukcji IGM ma głęboki wpływ na sztywność kątową. W przypadku szerokiej dolnej osi (Y) rozwiązanie IGM oferuje ponad 40% większą sztywność przechyłu, 30% większą sztywność pochylenia i 20% większą sztywność odchylenia niż odpowiadający jej projekt z podstawą granitową. Podobnie most IGM oferuje czterokrotny wzrost sztywności przechyłu, dwukrotnie większą sztywność pochylenia i ponad 30% większą sztywność odchylenia niż jego odpowiednik z podstawą granitową. Większa sztywność kątowa jest korzystna, ponieważ bezpośrednio przyczynia się do poprawy osiągów dynamicznych, co jest kluczowe dla umożliwienia większej przepustowości maszyny.

Nośność

Większe łożyska rozwiązania IGM umożliwiają znacznie większą ładowność niż rozwiązanie stage-on-granite. Chociaż oś bazowa PRO560LM rozwiązania stage-on-granite ma ładowność 150 kg, odpowiadające jej rozwiązanie IGM może pomieścić ładowność 300 kg. Podobnie oś mostu PRO280LM rozwiązania stage-on-granite obsługuje 150 kg, podczas gdy oś mostu rozwiązania IGM może przenosić do 200 kg.

Poruszająca się masa

Podczas gdy większe łożyska w osiach IGM z łożyskami mechanicznymi oferują lepsze atrybuty wydajności kątowej i większą nośność, są one również wyposażone w większe, cięższe wózki. Ponadto wózki IGM są zaprojektowane tak, aby pewne obrobione elementy niezbędne dla osi etapu na granicie (ale nie wymagane przez oś IGM) zostały usunięte w celu zwiększenia sztywności części i uproszczenia produkcji. Czynniki te oznaczają, że oś IGM ma większą masę ruchomą niż odpowiadająca jej oś etapu na granicie. Niewątpliwą wadą jest to, że maksymalne przyspieszenie IGM jest niższe, zakładając, że siła wyjściowa silnika pozostaje niezmieniona. Jednak w pewnych sytuacjach większa masa ruchoma może być korzystna z perspektywy, że jej większa bezwładność może zapewnić większą odporność na zakłócenia, co może korelować ze zwiększoną stabilnością w pozycji.

Dynamika strukturalna

Większa sztywność łożyska i sztywniejszy wózek systemu IGM zapewniają dodatkowe korzyści, które są widoczne po użyciu pakietu oprogramowania do analizy elementów skończonych (FEA) w celu wykonania analizy modalnej. W tym badaniu zbadaliśmy pierwszy rezonans ruchomego wózka ze względu na jego wpływ na szerokość pasma serwomechanizmu. Wózek PRO560LM napotyka rezonans przy 400 Hz, podczas gdy odpowiadający mu wózek IGM doświadcza tego samego trybu przy 430 Hz. Rysunek 3 ilustruje ten wynik.

Wyższy rezonans rozwiązania IGM w porównaniu z tradycyjnym etapem na granicie można częściowo przypisać sztywniejszej konstrukcji wózka i łożyska. Wyższy rezonans wózka umożliwia uzyskanie większej szerokości pasma serwomechanizmu, a tym samym poprawę wydajności dynamicznej.

Środowisko operacyjne

Uszczelnienie osi jest niemal zawsze obowiązkowe, gdy obecne są zanieczyszczenia, niezależnie od tego, czy są one generowane przez proces użytkownika, czy też w inny sposób występują w środowisku maszyny. Rozwiązania Stage-on-granite są szczególnie odpowiednie w takich sytuacjach ze względu na zamkniętą naturę osi. Na przykład liniowe stoliki serii PRO są wyposażone w twarde osłony i uszczelnienia boczne, które chronią wewnętrzne elementy stolika przed zanieczyszczeniem w rozsądnym zakresie. Te stoliki mogą być również skonfigurowane z opcjonalnymi wycieraczkami blatu stołu, aby zmiatać zanieczyszczenia z górnej twardej osłony podczas przesuwania stolika. Z drugiej strony platformy ruchu IGM są z natury otwarte, a łożyska, silniki i enkodery są odsłonięte. Chociaż nie jest to problem w czystszych środowiskach, może być problematyczne, gdy obecne są zanieczyszczenia. Można rozwiązać ten problem, włączając specjalną osłonę w stylu miechów do konstrukcji osi IGM, aby zapewnić ochronę przed zanieczyszczeniami. Jeśli jednak miech nie zostanie zainstalowany prawidłowo, może negatywnie wpłynąć na ruch osi, wywierając siły zewnętrzne na wózek podczas jego ruchu w pełnym zakresie ruchu.

Konserwacja

Możliwość serwisowania jest czynnikiem różnicującym platformy ruchu Stage-on-Granite od platform ruchu IGM. Osie z silnikami liniowymi są dobrze znane ze swojej wytrzymałości, ale czasami konieczne jest przeprowadzenie konserwacji. Niektóre czynności konserwacyjne są stosunkowo proste i można je wykonać bez wyjmowania lub rozmontowywania danej osi, ale czasami wymagane jest dokładniejsze rozebranie. Gdy platforma ruchu składa się z oddzielnych etapów zamontowanych na granicie, serwisowanie jest stosunkowo prostym zadaniem. Najpierw zdemontuj etap z granitu, a następnie wykonaj niezbędne prace konserwacyjne i zamontuj go ponownie. Albo po prostu wymień go na nowy etap.

Rozwiązania IGM mogą czasami być trudniejsze podczas wykonywania konserwacji. Chociaż wymiana pojedynczego toru magnetycznego silnika liniowego jest w tym przypadku bardzo prosta, bardziej skomplikowane prace konserwacyjne i naprawy często wymagają całkowitego demontażu wielu lub wszystkich komponentów składających się na oś, co jest bardziej czasochłonne, gdy komponenty są montowane bezpośrednio do granitu. Trudniej jest również ponownie wyrównać osie oparte na granicie względem siebie po wykonaniu konserwacji — zadanie, które jest znacznie prostsze w przypadku etapów dyskretnych.

Tabela 1. Podsumowanie podstawowych różnic technicznych pomiędzy rozwiązaniami mechanicznymi na granitowym podłożu a rozwiązaniami IGM.

Porównanie ekonomiczne

Chociaż całkowity koszt dowolnego systemu ruchu będzie się różnić w zależności od kilku czynników, w tym długości przesuwu, precyzji osi, nośności i możliwości dynamicznych, względne porównania analogicznych systemów ruchu IGM i systemów ze stolikiem na granicie przeprowadzone w tym badaniu sugerują, że rozwiązania IGM są w stanie zapewnić ruch o średniej do wysokiej precyzji przy umiarkowanie niższych kosztach niż ich odpowiedniki ze stolikiem na granicie.

Nasze badanie ekonomiczne obejmuje trzy podstawowe składniki kosztów: części maszyn (obejmujące zarówno części wyprodukowane fabrycznie, jak i zakupione), montaż granitu oraz robociznę i koszty ogólne.

Części maszyn

Rozwiązanie IGM oferuje znaczące oszczędności w porównaniu z rozwiązaniem stage-on-granite pod względem części maszynowych. Wynika to przede wszystkim z braku w IGM misternie obrobionych podstaw stage na osiach Y i X, które zwiększają złożoność i koszt rozwiązań stage-on-granite. Ponadto oszczędności kosztów można przypisać względnemu uproszczeniu innych obrobionych części w rozwiązaniu IGM, takich jak ruchome wózki, które mogą mieć prostsze funkcje i nieco bardziej zrelaksowane tolerancje, gdy są zaprojektowane do użytku w systemie IGM.

Zespoły granitowe

Chociaż zespoły baza-podnośnik-most granitowy w obu systemach IGM i stage-on-granite wydają się mieć podobny współczynnik kształtu i wygląd, zespół granitowy IGM jest nieznacznie droższy. Wynika to z faktu, że granit w rozwiązaniu IGM zastępuje obrobione podstawy sceny w rozwiązaniu stage-on-granite, co wymaga, aby granit miał ogólnie węższe tolerancje w krytycznych obszarach, a nawet dodatkowe cechy, takie jak wytłaczane nacięcia i/lub gwintowane wkładki stalowe, na przykład. Jednak w naszym studium przypadku dodatkowa złożoność struktury granitowej jest więcej niż rekompensowana przez uproszczenie części maszyn.

Praca i koszty ogólne

Ze względu na liczne podobieństwa w montażu i testowaniu systemów IGM i Stage-on-Granit, nie ma znaczącej różnicy w kosztach pracy i narzutach.

Po uwzględnieniu wszystkich tych czynników kosztowych, konkretne rozwiązanie IGM z łożyskiem mechanicznym badane w tym badaniu jest o około 15% tańsze niż rozwiązanie z łożyskiem mechanicznym na granicie.

Oczywiście wyniki analizy ekonomicznej zależą nie tylko od takich atrybutów jak długość podróży, precyzja i ładowność, ale także od takich czynników jak wybór dostawcy granitu. Ponadto, rozsądnie jest wziąć pod uwagę koszty wysyłki i logistyki związane z zakupem konstrukcji granitowej. Szczególnie pomocne w przypadku bardzo dużych systemów granitowych, chociaż prawdziwe dla wszystkich rozmiarów, wybranie wykwalifikowanego dostawcy granitu w bliższej odległości od miejsca ostatecznego montażu systemu może również pomóc zminimalizować koszty.

Należy również zauważyć, że analiza ta nie uwzględnia kosztów po wdrożeniu. Na przykład załóżmy, że konieczne staje się serwisowanie systemu ruchu poprzez naprawę lub wymianę osi ruchu. System stage-on-granite można serwisować, po prostu wyjmując i naprawiając/wymieniając uszkodzoną oś. Ze względu na bardziej modułową konstrukcję w stylu stage, można to zrobić stosunkowo łatwo i szybko, pomimo wyższych początkowych kosztów systemu. Chociaż systemy IGM można ogólnie uzyskać po niższych kosztach niż ich odpowiedniki stage-on-granite, ich demontaż i serwisowanie mogą być trudniejsze ze względu na zintegrowany charakter konstrukcji.

Wniosek

Oczywiście każdy rodzaj projektu platformy ruchu — stage-on-granite i IGM — może oferować różne korzyści. Jednak nie zawsze jest oczywiste, który jest najbardziej idealnym wyborem dla konkretnego zastosowania ruchu. Dlatego bardzo korzystne jest nawiązanie współpracy z doświadczonym dostawcą systemów ruchu i automatyki, takim jak Aerotech, który oferuje wyraźnie zorientowane na zastosowanie, konsultacyjne podejście do eksploracji i dostarczania cennych informacji na temat alternatywnych rozwiązań dla wymagających zastosowań sterowania ruchem i automatyki. Zrozumienie nie tylko różnicy między tymi dwoma rodzajami rozwiązań automatyki, ale także podstawowych aspektów problemów, które muszą one rozwiązać, jest podstawowym kluczem do sukcesu w wyborze systemu ruchu, który uwzględnia zarówno cele techniczne, jak i finansowe projektu.

Od AEROTECH.