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

Wybór najodpowiedniejszej platformy ruchu liniowego na bazie granitu do danego zastosowania zależy od wielu czynników i zmiennych. Kluczowe jest zrozumienie, że każda aplikacja ma swój własny, unikalny zestaw wymagań, które należy zrozumieć i ustalić priorytety, aby znaleźć skuteczne rozwiązanie w postaci platformy ruchu.

Jedno z bardziej powszechnych rozwiązań polega na montażu dyskretnych platform pozycjonujących na granitowej konstrukcji. Innym powszechnym rozwiązaniem jest integracja komponentów tworzących osie ruchu bezpośrednio w samym granicie. Wybór między platformą platformową na granicie a platformą ze zintegrowanym ruchem granitu (IGM) to jedna z pierwszych decyzji podejmowanych w procesie selekcji. Istnieją wyraźne różnice między tymi dwoma typami rozwiązań i oczywiście każde z nich ma swoje zalety – i wady – które należy dokładnie zrozumieć i rozważyć.

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

Tło

Aby zbadać podobieństwa i różnice między systemami IGM a tradycyjnymi systemami opartymi na etacie granitowym, stworzyliśmy 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, zlokalizowana na moście zespołu o przesuwie 400 mm, przenosi pionową oś Z o przesuwie 100 mm. Układ ten jest przedstawiony graficznie.

W przypadku konstrukcji sceny na granicie wybraliśmy szerokokadłubowy stolik PRO560LM dla osi Y ze względu na jego większą nośność, typową dla wielu aplikacji ruchu wykorzystujących układ „dzielonego mostu Y/XZ”. Dla osi X wybraliśmy stolik PRO280LM, który jest powszechnie używany jako oś mostowa w wielu zastosowaniach. PRO280LM oferuje praktyczną równowagę między zajmowaną powierzchnią 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 granitową i dlatego nie mają podstaw z obrabianych maszynowo komponentów, obecnych w projektach opartych na granicie.

Wspólnym elementem obu projektów jest oś Z, którą wybrano jako platformę PRO190SL z napędem śrubowo-tocznym. Jest to bardzo popularna oś do stosowania w orientacji pionowej na moście ze względu na dużą ładowność i stosunkowo kompaktową obudowę.

Na rysunku 2 zilustrowano szczegółowo badane systemy etap-na-granicie i IGM.

Porównanie techniczne

Systemy IGM są projektowane z wykorzystaniem różnorodnych technik i komponentów podobnych do tych stosowanych w tradycyjnych konstrukcjach z platformą na granicie. W rezultacie systemy IGM i systemy z platformą na granicie mają wiele wspólnych cech technicznych. Z kolei zintegrowanie osi ruchu bezpośrednio ze strukturą granitu oferuje szereg charakterystycznych cech, które odróżniają systemy IGM od systemów z platformą na granicie.

Współczynnik kształtu

Być może najbardziej oczywiste podobieństwo zaczyna się od fundamentu maszyny – granitu. Chociaż istnieją różnice w cechach i tolerancjach między konstrukcjami z granitu i IGM, wymiary całkowite granitowej podstawy, podestów i mostu są równoważne. Wynika to głównie z faktu, że nominalne i graniczne przesuwy są identyczne w przypadku konstrukcji z granitu i IGM.

Budowa

Brak baz osi z obrabianych mechanicznie komponentów w konstrukcji IGM zapewnia pewne korzyści w porównaniu z rozwiązaniami opartymi na granitowych podstawach. W szczególności redukcja liczby komponentów w pętli konstrukcyjnej IGM przyczynia się do zwiększenia ogólnej sztywności osi. Pozwala to również na skrócenie odległości między granitową podstawą a górną powierzchnią wózka. W tym konkretnym przypadku konstrukcja IGM oferuje o 33% niższą wysokość powierzchni roboczej (80 mm w porównaniu do 120 mm). Ta mniejsza wysokość robocza nie tylko pozwala na bardziej zwartą konstrukcję, ale także zmniejsza przesunięcia maszyny między silnikiem i enkoderem a punktem roboczym, co przekłada się na zmniejszenie błędów Abbego, a tym samym na poprawę wydajności pozycjonowania punktu roboczego.

Komponenty osi

Przyglądając się bliżej konstrukcji, rozwiązania Stage-on-Granite i IGM mają kilka wspólnych kluczowych komponentów, takich jak silniki liniowe i enkodery położenia. Wybór wspólnej ścieżki siły i magnesu zapewnia równoważne możliwości wyprowadzania siły. Podobnie, użycie tych samych enkoderów w obu konstrukcjach zapewnia identyczną rozdzielczość sprzężenia zwrotnego pozycjonowania. W rezultacie dokładność liniowa i powtarzalność nie różnią się znacząco między rozwiązaniami Stage-on-Granite i IGM. Podobne rozmieszczenie komponentów, w tym separacja łożysk i tolerancja, przekłada się na porównywalną wydajność pod względem błędów geometrycznych ruchów (tj. prostoliniowości poziomej i pionowej, pochylenia, przechyłu i odchylenia). Wreszcie, elementy pomocnicze obu konstrukcji, w tym system prowadzenia kabli, ograniczenia elektryczne i ograniczniki, są zasadniczo identyczne pod względem funkcji, chociaż mogą się nieco różnić wyglądem fizycznym.

Namiar

W tym konkretnym projekcie jedną z najbardziej znaczących różnic jest wybór liniowych łożysk prowadzących. Chociaż łożyska kulkowe obiegowe są stosowane zarówno w systemach Stage-on-Granite, jak i IGM, system IGM umożliwia zastosowanie większych i sztywniejszych łożysk bez zwiększania wysokości roboczej osi. Ponieważ konstrukcja IGM opiera się na granicie jako podstawie, a nie na oddzielnej podstawie z obrabianego mechanicznie elementu, możliwe jest odzyskanie części pionowej przestrzeni, która w przeciwnym razie zostałaby zajęta przez podstawę obrabianą mechanicznie, i wypełnienie jej większymi łożyskami, jednocześnie zmniejszając całkowitą wysokość wózka nad granitem.

Sztywność

Zastosowanie większych łożysk w konstrukcji IGM ma ogromny wpływ na sztywność kątową. W przypadku dolnej osi szerokokorpusowej (Y), rozwiązanie IGM oferuje o ponad 40% większą sztywność przechyłu, o 30% większą sztywność pochylenia i o 20% większą sztywność odchylenia niż odpowiadająca mu konstrukcja z podstawą na granicie. Podobnie, mostek IGM oferuje czterokrotnie większą sztywność przechyłu, dwukrotnie większą sztywność pochylenia i o ponad 30% większą sztywność odchylenia niż jego odpowiednik z podstawą na granicie. Większa sztywność kątowa jest korzystna, ponieważ bezpośrednio przyczynia się do poprawy osiągów dynamicznych, co jest kluczowe dla zwiększenia przepustowości maszyny.

Nośność

Większe łożyska rozwiązania IGM pozwalają na znacznie większą ładowność niż w przypadku rozwiązania Stage-on-granite. Chociaż oś bazowa PRO560LM rozwiązania Stage-on-granite ma ładowność 150 kg, odpowiadające jej rozwiązanie IGM może udźwignąć 300 kg. Podobnie, oś mostu PRO280LM rozwiązania Stage-on-granite ma nośność 150 kg, podczas gdy oś mostu rozwiązania IGM może udźwignąć do 200 kg.

Poruszająca się masa

Chociaż większe łożyska w osiach IGM z łożyskami mechanicznymi oferują lepsze parametry kątowe i większą nośność, są one również wyposażone w większe i cięższe wózki. Ponadto wózki IGM zostały zaprojektowane w taki sposób, że pewne elementy obróbkowe niezbędne dla osi stopnia na granicie (ale nie wymagane przez oś IGM) zostały usunięte, aby zwiększyć sztywność części i uprościć produkcję. Czynniki te oznaczają, że oś IGM ma większą masę ruchomą niż odpowiadająca jej oś stopnia 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, ponieważ jej większa bezwładność może zapewnić większą odporność na zakłócenia, co może korelować ze zwiększoną stabilnością w położeniu.

Dynamika strukturalna

Większa sztywność łożysk i sztywniejszy wózek systemu IGM zapewniają dodatkowe korzyści, które są widoczne po zastosowaniu pakietu oprogramowania do analizy elementów skończonych (MES) do przeprowadzenia analizy modalnej. W niniejszym badaniu przeanalizowaliśmy pierwszy rezonans poruszającego się wózka ze względu na jego wpływ na szerokość pasma serwomechanizmu. Wózek PRO560LM napotyka rezonans przy częstotliwości 400 Hz, podczas gdy odpowiadający mu wózek IGM doświadcza tego samego trybu przy częstotliwości 430 Hz. Rysunek 3 ilustruje ten wynik.

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

Środowisko operacyjne

Uszczelnienie osi jest niemal zawsze obowiązkowe w przypadku obecności zanieczyszczeń, niezależnie od tego, czy powstają one w procesie użytkownika, czy też w inny sposób występują w otoczeniu maszyny. Rozwiązania typu „etap na granicie” są szczególnie odpowiednie w takich sytuacjach ze względu na z natury zamkniętą naturę osi. Na przykład stoliki liniowe serii PRO są wyposażone w twarde osłony i uszczelnienia boczne, które w rozsądnym stopniu chronią wewnętrzne elementy stolika przed zanieczyszczeniami. Stoły te mogą być również skonfigurowane z opcjonalnymi wycieraczkami blatu stołu, które zmiatają zanieczyszczenia z górnej twardej osłony podczas ruchu stolika. Z drugiej strony, platformy ruchu IGM są z natury otwarte, z odsłoniętymi łożyskami, silnikami i enkoderami. Chociaż nie stanowi to problemu w czystszych środowiskach, może być problematyczne w obecności zanieczyszczeń. Można rozwiązać ten problem, stosując specjalną osłonę w kształcie mieszka w 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

Łatwość serwisowania jest czynnikiem różnicującym platformy ruchu oparte na granitowych platformach i platformach IGM. Osie z silnikami liniowymi są znane ze swojej wytrzymałości, ale czasami konieczne jest przeprowadzenie konserwacji. Niektóre czynności konserwacyjne są stosunkowo proste i można je wykonać bez demontażu lub demontażu danej osi, ale czasami wymagany jest bardziej dokładny demontaż. Gdy platforma ruchu składa się z oddzielnych platform zamontowanych na granicie, serwisowanie jest stosunkowo prostym zadaniem. Najpierw należy zdemontować platformę z granitu, następnie wykonać niezbędne prace konserwacyjne i ponownie ją zamontować. Można też po prostu wymienić ją na nową platformę.

Rozwiązania IGM mogą czasami stanowić większe wyzwanie podczas 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 wchodzących w skład osi, co jest bardziej czasochłonne, gdy komponenty są zamontowane bezpośrednio do granitu. Trudniejsze jest również ponowne ustawienie osi opartych na granicie względem siebie po przeprowadzeniu konserwacji — zadanie to jest znacznie prostsze w przypadku stopni dyskretnych.

Tabela 1. Podsumowanie podstawowych różnic technicznych pomiędzy rozwiązaniami mechanicznymi w technologii „etap na granicie” i 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 sceną na granicie przeprowadzone w tym badaniu sugerują, że rozwiązania IGM są w stanie zapewnić ruch o średniej lub wysokiej precyzji przy umiarkowanie niższych kosztach niż ich odpowiedniki ze sceną na granicie.

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

Części maszyn

Rozwiązanie IGM oferuje znaczące oszczędności w porównaniu z rozwiązaniem typu „etap na granicie” pod względem części maszyny. Wynika to przede wszystkim z braku skomplikowanych, obrobionych maszynowo podstaw stolików w osiach Y i X, które zwiększają złożoność i koszt rozwiązań typu „etap na granicie”. Co więcej, oszczędności można przypisać względnemu uproszczeniu innych obrabianych maszynowo części w rozwiązaniu IGM, takich jak ruchome wózki, które mogą mieć prostsze funkcje i nieco bardziej elastyczne tolerancje, gdy są zaprojektowane do użytku w systemie IGM.

Zespoły granitowe

Chociaż granitowe zespoły podstawy, podestu i mostu, zarówno w systemie IGM, jak i w systemie Stage-on-granite, wydają się mieć podobny kształt 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 od granitu generalnie węższych tolerancji w newralgicznych obszarach, a nawet dodatkowych cech, takich jak na przykład wytłaczane nacięcia i/lub gwintowane wkładki stalowe. Jednak w naszym studium przypadku dodatkowa złożoność struktury granitowej jest z nawiązką 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, rozpatrywane w tym badaniu, jest o około 15% tańsze niż rozwiązanie z łożyskiem mechanicznym i stopniem na granicie.

Oczywiście, wyniki analizy ekonomicznej zależą nie tylko od takich atrybutów, jak długość transportu, precyzja i nośność, ale także od czynników takich jak wybór dostawcy granitu. Dodatkowo, rozsądnie jest wziąć pod uwagę koszty wysyłki i logistyki związane z zakupem konstrukcji granitowej. Szczególnie pomocne w przypadku bardzo dużych systemów granitowych, choć dotyczy to wszystkich rozmiarów, jest wybranie wykwalifikowanego dostawcy granitu, który znajduje się bliżej miejsca montażu finalnego systemu.

Należy również zauważyć, że analiza ta nie uwzględnia kosztów po wdrożeniu. Załóżmy na przykład, że konieczne staje się serwisowanie systemu ruchu poprzez naprawę lub wymianę osi ruchu. System z podstawą na granit można serwisować, po prostu wymontowując i naprawiając/wymieniając uszkodzoną oś. Ze względu na bardziej modułową konstrukcję, można to zrobić stosunkowo łatwo i szybko, pomimo wyższych początkowych kosztów systemu. Chociaż systemy IGM są zazwyczaj tańsze niż ich odpowiedniki z podstawą na granit, ich demontaż i serwisowanie mogą być trudniejsze ze względu na zintegrowaną konstrukcję.

Wniosek

Oczywiście każdy rodzaj platformy ruchu – Stage-on-Granite czy IGM – może oferować różne korzyści. Jednak nie zawsze jest oczywiste, który wybór jest najlepszy dla danego zastosowania. Dlatego niezwykle korzystna jest współpraca z doświadczonym dostawcą systemów ruchu i automatyki, takim jak Aerotech, który oferuje wyraźnie zorientowane na zastosowania, doradcze podejście, pozwalające na analizę i dostarczenie cennych informacji na temat alternatywnych rozwiązań dla wymagających aplikacji sterowania ruchem i automatyki. Zrozumienie nie tylko różnic między tymi dwoma rodzajami rozwiązań automatyki, ale także podstawowych aspektów problemów, które mają one rozwiązać, jest kluczem do sukcesu w wyborze systemu ruchu, który spełnia zarówno techniczne, jak i finansowe cele projektu.

Od AEROTECH.