Rozdíl mezi systémy Stage-on-Granite a Integrated Granite Motion Systems

Výběr nejvhodnější platformy lineárního pohybu na bázi žuly pro danou aplikaci závisí na řadě faktorů a proměnných.Je důležité si uvědomit, že každá aplikace má svůj vlastní jedinečný soubor požadavků, kterým je třeba porozumět a upřednostnit je, aby bylo možné hledat efektivní řešení z hlediska platformy pohybu.

Jedno z více všudypřítomných řešení zahrnuje montáž diskrétních polohovacích stupňů na žulové konstrukce.Jiné běžné řešení integruje komponenty, které tvoří osy pohybu, přímo do samotné žuly.Volba mezi platformou stage-on-granite a integrovanou granitovou pohybovou (IGM) platformou je jedním z dřívějších rozhodnutí, která je třeba učinit v procesu výběru.Mezi oběma typy řešení existují jasné rozdíly a každé má samozřejmě své vlastní přednosti – a výhrady – které je třeba pečlivě pochopit a zvážit.

Abychom mohli lépe nahlédnout do tohoto rozhodovacího procesu, vyhodnocujeme rozdíly mezi dvěma základními návrhy platforem lineárního pohybu – tradičním řešením stage-on-granite a řešením IGM – z technického i finančního hlediska ve formě mechanického nosná případová studie.

Pozadí

Abychom prozkoumali podobnosti a rozdíly mezi systémy IGM a tradičními systémy stage-on-granite, vytvořili jsme dva návrhy testovacích případů:

• Mechanické ložisko, stupeň 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 můstku sestavy se zdvihem 400 mm, nese svislou osu Z se zdvihem 100 mm.Toto uspořádání je znázorněno piktograficky.

Pro konstrukci stolku na žule jsme pro osu Y vybrali stolek PRO560LM se širokým tělem kvůli jeho větší nosnosti, která je společná pro mnoho pohybových aplikací využívajících toto uspořádání „rozděleného můstku Y/XZ“.Pro osu X jsme zvolili PRO280LM, který se běžně používá jako mostní osa v mnoha aplikacích.PRO280LM nabízí praktickou rovnováhu mezi svým půdorysem a schopností nést osu Z s užitečným zatížením zákazníka.

U návrhů IGM jsme úzce 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 obráběných součástí přítomné v etapě. - žulové vzory.

Společná v obou konstrukčních případech je osa Z, která byla vybrána jako stupeň PRO190SL s kuličkovým šroubem.Jedná se o velmi oblíbenou osu pro použití ve vertikální orientaci na mostě kvůli její velkorysé nosnosti a relativně kompaktnímu tvaru.

Obrázek 2 ilustruje konkrétní studované systémy stage-on-granite a IGM.

Technické srovnání

Systémy IGM jsou navrženy pomocí různých technik a komponent, které jsou podobné těm, které se nacházejí v tradičních konstrukcích typu stage-on-granite.V důsledku toho existuje mnoho společných technických vlastností mezi systémy IGM a systémy stage-on-granite.Naopak integrace os pohybu přímo do žulové struktury nabízí několik charakteristických vlastností, které odlišují IGM systémy od systémů jeviště na žule.

Form Factor

Snad nejviditelnější podobnost začíná u základů stroje – žuly.I když existují rozdíly ve vlastnostech a tolerancích mezi návrhy stage-on-granite a IGM, celkové rozměry žulové základny, stoupaček a mostu jsou ekvivalentní.Důvodem je především to, že jmenovité a limitní dráhy jsou identické mezi stupněm na žule a IGM.

Konstrukce

Absence osových základen obráběných součástí v konstrukci IGM poskytuje určité výhody oproti řešením typu stage-on-granite.Zejména redukce 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 design IGM o 33 % nižší výšku pracovní plochy (80 mm ve srovnání se 120 mm).Nejen, že tato menší pracovní výška umožňuje kompaktnější konstrukci, ale také snižuje odchylky stroje od motoru a kodéru k pracovnímu bodu, což má za následek snížení chyb Abbe, a tedy lepší výkon polohování pracovního bodu.

Součásti osy

Když se podíváme hlouběji do designu, řešení stage-on-granite a IGM sdílejí některé klíčové komponenty, jako jsou lineární motory a poziční kodéry.Společný výběr silové a magnetické dráhy vede k ekvivalentním schopnostem silového výstupu.Stejně tak použití stejných kodérů v obou provedeních poskytuje identicky jemné rozlišení pro zpětnou vazbu polohy.Výsledkem je, že lineární přesnost a opakovatelnost se významně neliší mezi řešeními stage-on-granite a IGM.Podobné rozložení součástí, včetně separace ložisek a tolerancí, vede ke srovnatelnému výkonu, pokud jde o pohyby geometrických chyb (tj. horizontální a vertikální přímost, stoupání, naklánění a vybočení).A konečně, nosné prvky obou návrhů, včetně vedení kabelů, elektrických limitů a pevných dorazů, mají v zásadě identickou funkci, i když se mohou poněkud lišit ve fyzickém vzhledu.

Ložiska

U tohoto konkrétního provedení je jedním z nejpozoruhodnějších rozdílů výběr lineárních vodicích ložisek.Přestože se recirkulační kuličková ložiska používají v systémech stage-on-granite i IGM, systém IGM umožňuje začlenit do konstrukce větší, tužší ložiska bez zvýšení pracovní výšky osy.Vzhledem k tomu, že design IGM spoléhá na žulu jako základnu, na rozdíl od samostatné základny opracovaných součástí, je možné získat zpět část vertikálních nemovitostí, které by jinak spotřebovala opracovaná základna, a v podstatě vyplnit tento prostor větším ložiska při současném snížení celkové výšky vozíku nad žulou.

Ztuhlost

Použití větších ložisek v konstrukci IGM má hluboký dopad na úhlovou tuhost.V případě široké spodní osy (Y) nabízí řešení IGM o více než 40 % vyšší tuhost náklonu, o 30 % vyšší tuhost stoupání a o 20 % vyšší tuhost ve vychýlení než odpovídající návrh typu stage-on-granite.Podobně můstek IGM nabízí čtyřnásobné zvýšení tuhosti naklánění, dvojnásobnou tuhost stoupání a o více než 30 % větší tuhost vybočení než jeho protějšek na jevišti na žule.Vyšší úhlová tuhost je výhodná, protože přímo přispívá ke zlepšení dynamického výkonu, což je klíčové pro umožnění vyšší propustnosti stroje.

Nosnost

Větší ložiska řešení IGM umožňují podstatně vyšší kapacitu užitečného zatížení než řešení typu stage-on-granite.Přestože základní osa PRO560LM řešení stage-on-granite má nosnost 150 kg, odpovídající řešení IGM pojme užitečné zatížení 300 kg.Podobně osa mostu PRO280LM stage-on-granite unese 150 kg, zatímco osa mostu řešení IGM unese až 200 kg.

Pohyblivá mše

Zatímco větší ložiska v osách IGM s mechanickými ložisky nabízejí lepší úhlové vlastnosti a větší nosnost, přicházejí také s většími a těžšími nákladními vozy.Vozíky IGM jsou navíc navrženy tak, že určité obrobené prvky nezbytné pro osu etapy na žule (ale nevyžadované pro osu IGM) jsou odstraněny, aby se zvýšila tuhost součásti a zjednodušila se výroba.Tyto faktory znamenají, že osa IGM má větší pohyblivou hmotu než odpovídající osa stupně na žule.Nespornou nevýhodou je, že maximální zrychlení IGM je nižší, za předpokladu, že výstupní síla motoru se nezmění.Přesto v určitých situacích může být větší pohybující se hmota výhodná z hlediska toho, že její větší setrvačnost může poskytnout větší odolnost vůči poruchám, které mohou korelovat se zvýšenou polohovou stabilitou.

Strukturální dynamika

Vyšší tuhost ložisek a tužší vozík systému IGM poskytují další výhody, které jsou zřejmé po použití softwarového balíku pro analýzu konečných prvků (FEA) k provedení modální analýzy.V této studii jsme zkoumali první rezonanci pohybujícího se vozíku kvůli jejímu vlivu na šířku pásma serva.Vozík PRO560LM narazí na rezonanci při 400 Hz, zatímco odpovídající vozík IGM zažije stejný režim při 430 Hz.Obrázek 3 ilustruje tento výsledek.

Vyšší rezonance řešení IGM ve srovnání s tradičním jevištěm na žule lze částečně přičíst tužší konstrukci vozíku a ložisek.Vyšší rezonance vozíku umožňuje dosáhnout větší šířky pásma servopohonů a tím i lepší dynamický výkon.

Provozní prostředí

Těsnění osy je téměř vždy povinné, pokud jsou přítomny nečistoty, ať už jsou vytvářeny procesem uživatele nebo se vyskytují jinak v prostředí stroje.V těchto situacích jsou zvláště vhodná řešení typu stage-on-granit, protože osy jsou ve své podstatě uzavřené.Například lineární stolky řady PRO jsou vybaveny pevnými deskami a bočními těsněními, které v rozumné míře chrání vnitřní součásti stolku před kontaminací.Tyto plošiny mohou být také nakonfigurovány s volitelnými stolními stěrači, které smévají nečistoty z horní pevné desky, když se plošina posouvá.Na druhou stranu pohybové platformy IGM jsou ze své podstaty otevřené, s odkrytými ložisky, motory a kodéry.Ačkoli to není problém v čistších prostředích, může to být problematické, pokud je přítomna kontaminace.Tento problém je možné vyřešit začleněním speciálního vlnovcového krytu do konstrukce osy IGM, který poskytuje ochranu před úlomky.Pokud však není správně implementován, může měch negativně ovlivnit pohyb osy tím, že na vozík působí vnější síly, když se pohybuje v celém rozsahu svého pohybu.

Údržba

Obslužnost je rozdílem mezi platformami pro pohyb stage-on-granite a IGM.Osy s lineárním motorem jsou dobře známé pro svou robustnost, ale někdy je nutné provádět údržbu.Některé operace údržby jsou relativně jednoduché a lze je provést bez demontáže nebo demontáže příslušné osy, ale někdy je zapotřebí důkladnější demontáž.Když se pohybová platforma skládá z diskrétních stupňů namontovaných na žule, je servis poměrně jednoduchý úkol.Nejprve demontujte stolek ze žuly, poté proveďte nezbytnou údržbu a znovu jej namontujte.Nebo jej jednoduše vyměňte za nový stupeň.

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

Tabulka 1. Shrnutí základních technických rozdílů mezi řešeními mechanického ložiska na žule a IGM.

Ekonomické srovnání

Zatímco absolutní cena jakéhokoli pohybového systému se bude lišit v závislosti na několika faktorech, včetně délky dráhy, přesnosti os, nosnosti a dynamických schopností, relativní srovnání analogických IGM a pohybových systémů jeviště na žule provedená v této studii naznačují, že řešení IGM jsou schopné nabídnout středně až vysoce přesný pohyb při mírně nižších nákladech než jejich protějšky na jevišti na žule.

Naše ekonomická studie se skládá ze tří základních nákladových složek: strojních dílů (včetně vyrobených dílů i nakupovaných dílů), žulové sestavy a práce a režie.

Části strojů

Řešení IGM nabízí pozoruhodné úspory oproti řešení typu stage-on-granite, pokud jde o strojní součásti.To je primárně způsobeno tím, že IGM nemá složitě obrobené podstavce na osách Y a X, což zvyšuje složitost a náklady na řešení typu stage-on-granite.Úspory nákladů lze dále přičíst relativnímu zjednodušení jiných obráběných dílů na řešení IGM, jako jsou pohyblivé vozíky, které mohou mít jednodušší vlastnosti a poněkud uvolněnější tolerance, když jsou navrženy pro použití v systému IGM.

Žulové sestavy

I když se zdá, že sestavy žulové základny, stoupačky a můstku v systémech IGM a jeviště na žule mají podobný tvar a vzhled, je žulová sestava IGM o něco dražší.Důvodem je to, že žula v řešení IGM zaujímá místo obrobených patek v řešení jeviště na žule, což vyžaduje, aby žula měla obecně užší tolerance v kritických oblastech a dokonce i další prvky, jako jsou extrudované řezy a/nebo nebo například ocelové vložky se závitem.V naší případové studii je však přidaná složitost žulové struktury více než kompenzována zjednodušením strojních částí.

Práce a režie

Vzhledem k mnoha podobnostem při sestavování a testování jak IGM, tak systémů stage-on-granite, neexistuje významný rozdíl v mzdových a režijních nákladech.

Jakmile jsou všechny tyto nákladové faktory zkombinovány, je specifické řešení IGM s mechanickým ložiskem zkoumané v této studii přibližně o 15 % méně nákladné než řešení s mechanickým ložiskem se stupněm na žule.

Výsledky ekonomické analýzy samozřejmě závisí nejen na atributech, jako je délka pojezdu, přesnost a nosnost, ale také na faktorech, jako je výběr dodavatele žuly.Kromě toho je rozumné zvážit přepravní a logistické náklady spojené s pořízením žulové konstrukce.Obzvláště užitečné pro velmi velké žulové systémy, i když platí pro všechny velikosti, výběr kvalifikovaného dodavatele žuly v bližší blízkosti místa montáže konečného systému může také pomoci minimalizovat náklady.

Je třeba také poznamenat, že tato analýza nezohledňuje náklady po implementaci.Předpokládejme například, že je nutné provést údržbu pohybového systému opravou nebo výměnou osy pohybu.Systém stage-on-granite lze opravit jednoduchým odstraněním a opravou/výměnou postižené osy.Díky modulárnějšímu designu jevištního stylu to lze provést relativně snadno a rychle, a to i přes vyšší počáteční náklady na systém.Přestože systémy IGM lze obecně získat za nižší cenu než jejich protějšky na žule, jejich demontáž a servis mohou být náročnější kvůli integrované povaze konstrukce.

Závěr

Je zřejmé, že každý typ návrhu pohybové platformy – stage-on-granite a IGM – může nabídnout odlišné výhody.Není však vždy zřejmé, která volba je pro konkrétní aplikaci pohybu nejideálnější.Proto je velmi přínosné spolupracovat se zkušeným dodavatelem pohybových a automatizačních systémů, jako je Aerotech, který nabízí konzultační přístup výrazně zaměřený na aplikace a poskytuje cenný náhled na alternativy řešení k náročným aplikacím řízení pohybu a automatizace.Pochopení nejen rozdílu mezi těmito dvěma variantami automatizačních řešení, ale také základních aspektů problémů, které je třeba vyřešit, je základním klíčem k úspěchu při výběru pohybového systému, který odpovídá technickým i finančním cílům projektu.

Od AEROTECH.