Rozdíl mezi systémy pohybu na jeviště na žule a integrovanými systémy pohybu na žule

Výběr nejvhodnější lineární pohyblivé platformy na bázi žuly pro danou aplikaci závisí na řadě faktorů a proměnných. Je zásadní si uvědomit, že každá aplikace má svůj vlastní jedinečný soubor požadavků, které je třeba pochopit a upřednostnit, aby bylo možné najít efektivní řešení z hlediska pohyblivé platformy.

Jedním z více všudypřítomných řešení je montáž diskrétních polohovacích plošin na žulovou konstrukci. Dalším běžným řešením je integrace komponent, které tvoří osy pohybu, přímo do samotné žuly. Volba mezi plošinou na žule a platformou s integrovaným pohybem v žule (IGM) je jedním z prvních rozhodnutí, která je třeba učinit v procesu výběru. Mezi oběma typy řešení existují jasné rozdíly a samozřejmě každé z nich má své vlastní výhody – a výhrady – které je třeba pečlivě pochopit a zvážit.

Abychom lépe porozuměli tomuto rozhodovacímu procesu, vyhodnocujeme rozdíly mezi dvěma základními konstrukcemi lineárních pohyblivých platforem – tradičním řešením s plošinou na žule a řešením IGM – z technického i finančního hlediska formou případové studie mechanických ložisek.

Pozadí

Abychom prozkoumali podobnosti a rozdíly mezi systémy IGM a tradičními systémy typu „pódio na žule“, vytvořili jsme dva testovací návrhy:

• Mechanické ložisko, pódium na žule
• Mechanické ložisko, IGM

V obou případech se každý systém skládá ze tří os pohybu. Osa Y nabízí zdvih 1000 mm a je umístěna na základně žulové konstrukce. Osa X, umístěná na mostě sestavy s zdvihem 400 mm, nese svislou osu Z s zdvihem 100 mm. Toto uspořádání je znázorněno piktogramem.

Pro konstrukci s plošinou na žule jsme pro osu Y zvolili širokoúhlý plošinu PRO560LM kvůli její větší nosnosti, která je běžná pro mnoho pohybových aplikací využívajících toto uspořádání „děleného můstku Y/XZ“. Pro osu X jsme zvolili plošinu PRO280LM, která se v mnoha aplikacích běžně používá jako můstková osa. Plošina PRO280LM nabízí praktickou rovnováhu mezi svou velikostí a schopností nést osu Z s užitečným zatížením zákazníka.

U návrhů IGM jsme věrně replikovali základní konstrukční koncepty a rozvržení výše uvedených os, s hlavním rozdílem v tom, že osy IGM jsou zabudovány přímo do žulové konstrukce, a proto postrádají základny z obráběných komponentů, které jsou přítomny v konstrukcích „pódio na žule“.

Společnou v obou konstrukčních případech je osa Z, která byla zvolena jako stolek PRO190SL poháněný kuličkovým šroubem. Jedná se o velmi oblíbenou osu pro použití ve vertikální orientaci na mostě díky své velkorysé nosnosti a relativně kompaktnímu provedení.

Obrázek 2 znázorňuje specifické studované systémy stage-on-granite a IGM.

Technické srovnání

Systémy IGM jsou navrženy s využitím řady technik a komponent, které jsou podobné těm, které se nacházejí v tradičních konstrukcích „jeviště na žule“. V důsledku toho existuje mezi systémy IGM a systémy „jeviště na žule“ řada společných technických vlastností. Naopak integrace os pohybu přímo do struktury žuly nabízí několik rozlišovacích charakteristik, které odlišují systémy IGM od systémů „jeviště na žule“.

Tvarový faktor

Asi nejzřetelnější podobnost začíná u základu stroje – žuly. Přestože existují rozdíly ve vlastnostech a tolerancích mezi konstrukcemi s pódiem na žule a IGM, celkové rozměry žulové základny, stoupacích trámů a mostu jsou ekvivalentní. Je to dáno především tím, že jmenovité a mezní zdvihy jsou u pódia na žule a IGM shodné.

Konstrukce

Absence obráběných osových základen v konstrukci IGM poskytuje určité výhody oproti řešením s plošinami na žule. Zejména snížení počtu součástí ve strukturální smyčce IGM pomáhá zvýšit celkovou tuhost osy. Umožňuje také kratší vzdálenost mezi žulovou základnou a horním povrchem vozíku. V této konkrétní případové studii nabízí konstrukce IGM o 33 % nižší výšku pracovní plochy (80 mm oproti 120 mm). Tato menší pracovní výška nejen umožňuje kompaktnější konstrukci, ale také snižuje odsazení stroje od motoru a enkodéru k pracovnímu bodu, což vede ke snížení Abbeho chyb a tím ke zlepšení výkonu polohování pracovního bodu.

Komponenty osy

Při hlubším pohledu na konstrukci sdílejí řešení stage-on-granite a IGM některé klíčové komponenty, jako jsou lineární motory a polohovací enkodéry. Společný výběr síly a magnetické dráhy vede k ekvivalentním možnostem výstupní síly. Použití stejných enkodérů v obou konstrukcích rovněž poskytuje stejně jemné rozlišení pro zpětnou vazbu polohování. V důsledku toho se lineární přesnost a opakovatelnost mezi řešeními stage-on-granite a IGM významně neliší. Podobné uspořádání součástí, včetně vzdálenosti ložisek a tolerancí, vede ke srovnatelnému výkonu z hlediska geometrických chybových pohybů (tj. horizontální a vertikální přímost, stoupání, klopení a stáčení). A konečně, nosné prvky obou konstrukcí, včetně správy kabelů, elektrických dorazů a pevných dorazů, jsou v zásadě funkčně identické, i když se mohou poněkud lišit ve fyzickém vzhledu.

Ložiska

U této konkrétní konstrukce je jedním z nejvýraznějších rozdílů výběr lineárních vodicích ložisek. Přestože se recirkulační kuličková ložiska používají jak v systémech s platformou „pódio na žule“, tak v systémech IGM, systém IGM umožňuje začlenit do konstrukce větší a tužší ložiska bez zvýšení pracovní výšky osy. Protože konstrukce IGM se opírá o žulu jako základnu, na rozdíl od samostatné základny z obráběných komponentů, je možné získat zpět část vertikálního prostoru, který by jinak obráběná základna spotřebovala, a v podstatě tento prostor vyplnit většími ložisky a zároveň snížit celkovou výšku vozíku nad žulou.

Ztuhlost

Použití větších ložisek v konstrukci IGM má zásadní vliv na úhlovou tuhost. V případě široké spodní osy (Y) nabízí řešení IGM o více než 40 % větší klopnou tuhost, o 30 % větší stoupací tuhost a o 20 % větší stáčivou tuhost než odpovídající konstrukce s plošinou na žule. Podobně můstek IGM nabízí čtyřnásobné zvýšení klopné tuhosti, dvojnásobnou stoupací tuhost a o více než 30 % větší stáčivou tuhost než jeho protějšek s plošinou na žule. Vyšší úhlová tuhost je výhodná, protože přímo přispívá ke zlepšení dynamického výkonu, což je klíčem k dosažení vyšší propustnosti stroje.

Nosnost

Větší ložiska řešení IGM umožňují podstatně vyšší nosnost než řešení s platformou pódium-na-žule. Přestože základní osa PRO560LM řešení s platformou pódium-na-žule má nosnost 150 kg, odpovídající řešení IGM unese užitečné zatížení 300 kg. Podobně mostní osa PRO280LM řešení s platformou pódium-na-žule unese 150 kg, zatímco mostní osa řešení IGM unese až 200 kg.

Pohybující se hmota

Větší ložiska v mechanicky uložených osách IGM sice nabízejí lepší úhlové vlastnosti a větší nosnost, ale jsou také dodávána s většími a těžšími podvozky. Vozíky IGM jsou navíc navrženy tak, že některé obráběné prvky nezbytné pro osu typu „stolek na žule“ (ale nevyžadované osou IGM) jsou odstraněny, aby se zvýšila tuhost dílu a zjednodušila výroba. Tyto faktory znamenají, že osa IGM má větší pohyblivou hmotnost než odpovídající osa typu „stolek na žule“. Nespornou nevýhodou je, že maximální zrychlení IGM je nižší, za předpokladu, že výstupní síla motoru se nezmění. V určitých situacích však může být větší pohyblivá hmotnost výhodná z hlediska toho, že její větší setrvačnost může poskytnout větší odolnost vůči poruchám, což může korelovat se zvýšenou stabilitou v poloze.

Strukturální dynamika

Vyšší tuhost ložisek a tužší vozík systému IGM poskytují další výhody, které jsou patrné po provedení modální analýzy pomocí softwarového balíčku pro analýzu konečných prvků (FEA). V této studii jsme zkoumali první rezonanci pohybujícího se vozíku z důvodu jejího vlivu na šířku pásma serva. Vozík PRO560LM zažívá rezonanci při 400 Hz, zatímco odpovídající vozík IGM zažívá stejný režim při 430 Hz. Obrázek 3 ilustruje tento výsledek.

Vyšší rezonance řešení IGM ve srovnání s tradičními plošinami na žule lze částečně připsat tužší konstrukci vozíku a ložisek. Vyšší rezonance vozíku umožňuje větší šířku pásma serva a tím i lepší dynamický výkon.

Provozní prostředí

Utěsnění osy je téměř vždy povinné, pokud jsou přítomny kontaminanty, ať už generované procesem uživatele nebo jinak existující v prostředí stroje. Řešení typu „stolek na žule“ jsou v těchto situacích obzvláště vhodná kvůli inherentně uzavřené povaze osy. Například lineární stoly řady PRO jsou vybaveny pevnými kryty a bočními těsněními, která v rozumné míře chrání vnitřní součásti stolu před kontaminací. Tyto stoly mohou být také konfigurovány s volitelnými stěrači na horní straně stolu, které při pohybu stolu smetou nečistoty z horního pevného krytu. Na druhou stranu jsou pohyblivé platformy IGM ze své podstaty otevřené, s odkrytými ložisky, motory a enkodéry. I když to v čistějším prostředí není problém, může to být problematické, pokud je přítomna kontaminace. Tento problém je možné řešit začleněním speciálního krytu dráhy ve tvaru vlnovce do konstrukce osy IGM, který poskytuje ochranu před nečistotami. Pokud však není vlnovec implementován správně, může negativně ovlivnit pohyb osy tím, že na vozík působí vnější síly, když se pohybuje v celém rozsahu svého pohybu.

Údržba

Rozlišovacím prvkem mezi pohyblivými platformami s plošinami na žule a IGM je snadnost údržby. Osy s lineárními motory jsou dobře známé svou robustností, ale někdy je nutné provést údržbu. Některé údržbářské operace jsou relativně jednoduché a lze je provést bez demontáže dané osy, ale někdy je nutná důkladnější demontáž. Pokud se pohyblivá platforma skládá z jednotlivých plošin namontovaných na žule, je údržba poměrně jednoduchým úkolem. Nejprve demontujte plošinu z žuly, poté proveďte potřebné údržbářské práce a znovu ji namontujte. Nebo ji jednoduše vyměňte za novou plošinu.

Řešení IGM mohou být někdy náročnější při provádění údržby. I když je výměna jedné magnetické dráhy lineárního motoru v tomto případě velmi jednoduchá, složitější údržba a opravy často zahrnují úplnou demontáž mnoha nebo všech součástí tvořících osu, což je časově náročnější, pokud jsou součásti namontovány přímo na žulu. Po provedení údržby je také obtížnější znovu vyrovnat osy na bázi žuly – úkol, který je u samostatných plošin podstatně jednodušší.

Tabulka 1. Shrnutí základních technických rozdílů mezi řešeními s mechanickými ložisky pro jeviště na žule a IGM.

Ekonomické srovnání

Ačkoliv absolutní náklady na jakýkoli pohybový systém se budou lišit v závislosti na několika faktorech, včetně délky pojezdu, přesnosti osy, nosnosti a dynamických schopností, relativní srovnání analogických systémů IGM a systémů pohybu typu „pódium-na-žule“ provedená v této studii naznačují, že řešení IGM jsou schopna nabídnout středně až vysoce přesný pohyb za mírně nižší náklady než jejich protějšky typu „pódium-na-žule“.

Naše ekonomická studie se skládá ze tří základních nákladových složek: strojních dílů (včetně vyrobených i nakupovaných komponentů), montáže žuly a práce a režijních nákladů.

Strojní díly

Řešení IGM nabízí oproti řešení s plošinou na žule pozoruhodné úspory, pokud jde o strojní součásti. To je dáno především tím, že IGM nemá složitě obráběné základny plošin na osách Y a X, což řešení s plošinou na žule zvyšuje složitost a náklady. Úspory nákladů lze dále připsat relativnímu zjednodušení dalších obráběných součástí v řešení IGM, jako jsou pohyblivé vozíky, které mohou mít jednodušší prvky a poněkud volnější tolerance, pokud jsou navrženy pro použití v systému IGM.

Žulové sestavy

Přestože se sestavy žulové základny, podpěry a můstku v systémech IGM i pódium na žule zdají mít podobný tvar a vzhled, žulová sestava IGM je o něco dražší. Je to proto, že žula v řešení IGM nahrazuje obráběné základny pódia v řešení pódium na žule, což vyžaduje, aby žula měla obecně menší tolerance v kritických oblastech, a dokonce i další prvky, jako jsou například extrudované výřezy a/nebo závitové ocelové vložky. V naší případové studii je však přidaná složitost žulové struktury více než vyvážena zjednodušením strojních součástí.

Práce a režijní náklady

Vzhledem k mnoha podobnostem v montáži a testování systémů IGM a pódia na žule není významný rozdíl v nákladech na práci a režijní náklady.

Jakmile se všechny tyto nákladové faktory spojí, je specifické řešení IGM s mechanickými ložisky, které je zkoumáno v této studii, přibližně o 15 % levnější než řešení s mechanickými ložisky a platformou na žule.

Výsledky ekonomické analýzy samozřejmě nezávisí pouze na atributech, jako je délka pojezdu, přesnost a nosnost, ale také na faktorech, jako je výběr dodavatele žuly. Dále je rozumné zvážit náklady na dopravu a logistiku spojené s pořízením žulové konstrukce. Obzvláště užitečné je u velmi velkých žulových systémů, ačkoli platí pro všechny velikosti. Výběr kvalifikovaného dodavatele žuly v bližší blízkosti místa finální montáže systému může také pomoci minimalizovat náklady.

Je třeba také poznamenat, že tato analýza nezohledňuje náklady po implementaci. Předpokládejme například, že je nutné provést servis pohybového systému opravou nebo výměnou osy pohybu. Systém „jeviště na žule“ lze opravit pouhým odstraněním a opravou/výměnou postižené osy. Díky modulárnější konstrukci ve stylu jevište to lze provést relativně snadno a rychle, a to i přes vyšší počáteční náklady na systém. Ačkoli lze systémy IGM obecně pořídit za nižší cenu než jejich protějšky „jeviště na žule“, jejich demontáž a servis mohou být kvůli integrované povaze konstrukce náročnější.

Závěr

Každý typ konstrukce pohyblivé platformy – pódium na žule a IGM – může jednoznačně nabízet odlišné výhody. Není však vždy zřejmé, která z nich je pro konkrétní aplikaci pohybu nejideálnější volbou. Proto je velmi výhodné spolupracovat se zkušeným dodavatelem pohybových a automatizačních systémů, jako je Aerotech, který nabízí zřetelně aplikačně zaměřený konzultační přístup k prozkoumání a poskytnutí cenných poznatků o alternativních řešeních pro náročné aplikace řízení pohybu a automatizace. Pochopení nejen rozdílu mezi těmito dvěma variantami automatizačních řešení, ale také základních aspektů problémů, které mají řešit, je základním klíčem k úspěchu při výběru pohybového systému, který splňuje jak technické, tak finanční cíle projektu.

Od společnosti AEROTECH.