Forskellen mellem scene-på-granit og integrerede granitbevægelsessystemer

Valget af den mest passende granitbaserede lineære bevægelsesplatform til en given applikation afhænger af en række faktorer og variabler. Det er afgørende at erkende, at hver eneste applikation har sit eget unikke sæt af krav, der skal forstås og prioriteres for at kunne finde en effektiv løsning med hensyn til en bevægelsesplatform.

En af de mere udbredte løsninger involverer montering af diskrete positioneringsplatforme på en granitstruktur. En anden almindelig løsning integrerer de komponenter, der udgør bevægelsesakserne, direkte i selve granitten. Valget mellem en platform på granit og en integreret granitbevægelsesplatform (IGM) er en af ​​de tidligste beslutninger, der skal træffes i udvælgelsesprocessen. Der er klare sondringer mellem begge løsningstyper, og selvfølgelig har hver især sine egne fordele - og forbehold - der skal forstås og overvejes nøje.

For at give bedre indsigt i denne beslutningsproces evaluerer vi forskellene mellem to grundlæggende lineære bevægelsesplatformdesigns - en traditionel scene-on-granit-løsning og en IGM-løsning - fra både tekniske og økonomiske perspektiver i form af en casestudie med mekaniske lejer.

Baggrund

For at undersøge lighederne og forskellene mellem IGM-systemer og traditionelle stage-on-granite-systemer, genererede vi to testcase-designs:

• Mekanisk leje, trin-på-granit
• Mekanisk leje, IGM

I begge tilfælde består hvert system af tre bevægelsesakser. Y-aksen har en bevægelsesafstand på 1000 mm og er placeret på basen af ​​granitstrukturen. X-aksen, der er placeret på broen i konstruktionen med en bevægelsesafstand på 400 mm, bærer den lodrette Z-akse med en bevægelsesafstand på 100 mm. Dette arrangement er vist piktografisk.

Til designet med scene på granit valgte vi en PRO560LM bredkropsscene til Y-aksen på grund af dens større bæreevne, hvilket er almindeligt for mange bevægelsesapplikationer, der bruger denne "Y/XZ split-bridge"-opsætning. Til X-aksen valgte vi en PRO280LM, som almindeligvis bruges som en broakse i mange applikationer. PRO280LM tilbyder en praktisk balance mellem dens størrelse og dens evne til at bære en Z-akse med en kundenyttelast.

Til IGM-designene har vi nøje gentaget de grundlæggende designkoncepter og layouts fra ovenstående akser, hvor den primære forskel er, at IGM-akserne er bygget direkte ind i granitstrukturen og derfor mangler de maskinbearbejdede komponentbaser, der findes i scene-på-granit-designene.

Fælles for begge designtilfælde er Z-aksen, som blev valgt som et PRO190SL kugleskruedrevet trin. Dette er en meget populær akse at bruge i lodret orientering på en bro på grund af dens generøse nyttelastkapacitet og relativt kompakte formfaktor.

Figur 2 illustrerer de specifikke undersøgte stage-on-granit- og IGM-systemer.

Teknisk sammenligning

IGM-systemer er designet ved hjælp af en række forskellige teknikker og komponenter, der ligner dem, der findes i traditionelle stage-on-granit-designs. Som et resultat er der adskillige tekniske egenskaber til fælles mellem IGM-systemer og stage-on-granit-systemer. Omvendt tilbyder integration af bevægelsesakserne direkte i granitstrukturen flere særlige karakteristika, der adskiller IGM-systemer fra stage-on-granit-systemer.

Formfaktor

Den måske mest åbenlyse lighed begynder med maskinens fundament - granitten. Selvom der er forskelle i funktioner og tolerancer mellem stage-on-granite og IGM-design, er de overordnede dimensioner af granitbasen, riser og bro ens. Dette skyldes primært, at den nominelle og begrænsede vandring er identiske mellem stage-on-granite og IGM.

Konstruktion

Manglen på aksebaser med maskinbearbejdede komponenter i IGM-designet giver visse fordele i forhold til stage-on-granite-løsninger. Især reduktionen af ​​komponenter i IGM'ens strukturelle løkke bidrager til at øge den samlede aksestivhed. Det giver også mulighed for en kortere afstand mellem granitbasen og vognens overflade. I dette specifikke casestudie tilbyder IGM-designet en 33 % lavere arbejdsfladehøjde (80 mm sammenlignet med 120 mm). Denne mindre arbejdshøjde giver ikke kun mulighed for et mere kompakt design, men reducerer også maskinforskydningerne fra motoren og encoderen til arbejdspunktet, hvilket resulterer i reducerede Abbe-fejl og dermed forbedret positioneringsydelse for arbejdspunktet.

Aksekomponenter

Hvis man ser dybere ned i designet, deler stage-on-granite- og IGM-løsningerne nogle nøglekomponenter, såsom lineære motorer og positionskodere. Fælles valg af kraftgiver og magnetspor fører til tilsvarende kraftudgangsfunktioner. Ligeledes giver brugen af ​​de samme kodere i begge designs identisk fin opløsning til positioneringsfeedback. Som et resultat er den lineære nøjagtighed og repeterbarhed ikke signifikant forskellig mellem stage-on-granite- og IGM-løsninger. Lignende komponentlayout, herunder lejeseparation og tolerancer, fører til sammenlignelig ydeevne med hensyn til geometriske fejlbevægelser (dvs. vandret og lodret retlinjethed, hældning, rulning og drejning). Endelig er begge designs understøttende elementer, herunder kabelstyring, elektriske begrænsninger og hardstops, fundamentalt identiske i funktion, selvom de kan variere noget i fysisk udseende.

Lejer

For dette specifikke design er en af ​​de mest bemærkelsesværdige forskelle valget af lineære styrelejer. Selvom recirkulerende kuglelejer anvendes i både stage-on-granit og IGM-systemer, gør IGM-systemet det muligt at inkorporere større, stivere lejer i designet uden at øge aksens arbejdshøjde. Fordi IGM-designet er baseret på granitten som base i modsætning til en separat base med maskinbearbejdede komponenter, er det muligt at genvinde noget af den vertikale plads, der ellers ville blive optaget af en maskinbearbejdet base, og i bund og grund udfylde dette rum med større lejer, samtidig med at den samlede slædehøjde over granitten reduceres.

Stivhed

Brugen af ​​større lejer i IGM-designet har en dybtgående indflydelse på vinkelstivheden. I tilfælde af den brede nedre akse (Y) tilbyder IGM-løsningen over 40 % større rullestivhed, 30 % større stigningsstivhed og 20 % større drejstivhed end et tilsvarende stage-on-granit-design. Tilsvarende tilbyder IGM's bro en firedobbelt stigning i rullestivhed, dobbelt stigningsstivhed og mere end 30 % større drejstivhed end dens stage-on-granit-modstykke. Højere vinkelstivhed er fordelagtig, fordi den direkte bidrager til forbedret dynamisk ydeevne, hvilket er nøglen til at muliggøre højere maskingennemstrømning.

Lastkapacitet

IGM-løsningens større lejer giver mulighed for en væsentligt højere nyttelastkapacitet end en stage-on-granite-løsning. Selvom PRO560LM-basisaksen i stage-on-granite-løsningen har en lastekapacitet på 150 kg, kan den tilsvarende IGM-løsning håndtere en nyttelast på 300 kg. Tilsvarende understøtter stage-on-granite's PRO280LM-broakse 150 kg, hvorimod IGM-løsningens broakse kan bære op til 200 kg.

Bevægelig masse

Selvom de større lejer i IGM-akserne med mekaniske lejer tilbyder bedre vinkelpræstationsegenskaber og større bæreevne, leveres de også med større, tungere vogne. Derudover er IGM-vognene designet således, at visse bearbejdede funktioner, der er nødvendige for en trin-på-granit-akse (men ikke påkrævet af en IGM-akse), fjernes for at øge delens stivhed og forenkle fremstillingen. Disse faktorer betyder, at IGM-aksen har en større bevægelig masse end en tilsvarende trin-på-granit-akse. En ubestridelig ulempe er, at IGM'ens maksimale acceleration er lavere, forudsat at motorkraftoutputtet er uændret. I visse situationer kan en større bevægelig masse dog være fordelagtig ud fra det perspektiv, at dens større inerti kan give større modstand mod forstyrrelser, hvilket kan korrelere med øget stabilitet i position.

Strukturel dynamik

IGM-systemets højere lejestivhed og mere stive slæde giver yderligere fordele, der er tydelige efter brug af en finite-element-analyse (FEA) softwarepakke til at udføre en modal analyse. I denne undersøgelse undersøgte vi den første resonans af den bevægelige slæde på grund af dens effekt på servobåndbredden. PRO560LM-slæden møder en resonans ved 400 Hz, mens den tilsvarende IGM-slæde oplever den samme mode ved 430 Hz. Figur 3 illustrerer dette resultat.

Den højere resonans ved IGM-løsningen sammenlignet med traditionel stage-on-granite kan delvist tilskrives det stivere slæde- og lejedesign. En højere slæderesonans gør det muligt at have en større servobåndbredde og dermed forbedret dynamisk ydeevne.

Driftsmiljø

Akseforsegling er næsten altid obligatorisk, når der er forurenende stoffer til stede, uanset om de genereres gennem brugerens proces eller på anden måde findes i maskinens miljø. Fase-på-granit-løsninger er særligt velegnede i disse situationer på grund af aksens iboende lukkede natur. PRO-seriens lineære faser er for eksempel udstyret med hårde dæksler og sidetætninger, der beskytter de interne fasekomponenter mod forurening i et rimeligt omfang. Disse faser kan også konfigureres med valgfrie bordviskere til at feje snavs af det øverste hårde dæksel, når fasen bevæger sig. På den anden side er IGM-bevægelsesplatforme i sagens natur åbne, med lejer, motorer og encodere blotlagte. Selvom det ikke er et problem i renere miljøer, kan dette være problematisk, når der er forurening til stede. Det er muligt at løse dette problem ved at inkorporere et specielt bælglignende vejdæksel i et IGM-aksedesign for at beskytte mod snavs. Men hvis bælgen ikke implementeres korrekt, kan den påvirke aksens bevægelse negativt ved at påføre eksterne kræfter på slæden, når den bevæger sig gennem sit fulde bevægelsesområde.

Opretholdelse

Servicevenlighed er en differentieringsfaktor mellem scene-on-granit og IGM-bevægelsesplatforme. Lineære motorakser er velkendte for deres robusthed, men nogle gange bliver det nødvendigt at udføre vedligeholdelse. Visse vedligeholdelsesoperationer er relativt enkle og kan udføres uden at fjerne eller skille den pågældende akse ad, men nogle gange kræves en mere grundig nedtagning. Når bevægelsesplatformen består af separate scener monteret på granit, er service en forholdsvis ligetil opgave. Først afmonteres scenen fra granitten, derefter udføres det nødvendige vedligeholdelsesarbejde, og den monteres igen. Eller blot udskiftes den med en ny scene.

IGM-løsninger kan til tider være mere udfordrende, når der udføres vedligeholdelse. Selvom det er meget enkelt at udskifte et enkelt magnetspor på den lineære motor i dette tilfælde, involverer mere kompliceret vedligeholdelse og reparationer ofte fuldstændig adskillelse af mange eller alle komponenterne, der udgør aksen, hvilket er mere tidskrævende, når komponenterne monteres direkte på granit. Det er også vanskeligere at justere de granitbaserede akser i forhold til hinanden efter udførelse af vedligeholdelse - en opgave, der er betydeligt mere ligetil med separate trin.

Tabel 1. En oversigt over de grundlæggende tekniske forskelle mellem mekanisk lejede trin-på-granit- og IGM-løsninger.

Økonomisk sammenligning

Selvom den absolutte pris for ethvert bevægelsessystem vil variere baseret på flere faktorer, herunder bevægelseslængde, aksepræcision, lastekapacitet og dynamiske egenskaber, tyder de relative sammenligninger af analoge IGM- og stage-on-granite-bevægelsessystemer, der er udført i denne undersøgelse, på, at IGM-løsninger er i stand til at tilbyde bevægelse med mellem til høj præcision til moderat lavere omkostninger end deres stage-on-granite-modstykker.

Vores økonomiske undersøgelse består af tre grundlæggende omkostningskomponenter: maskindele (inklusive både fremstillede dele og indkøbte komponenter), granitmontering samt arbejdskraft og overhead.

Maskindele

En IGM-løsning tilbyder bemærkelsesværdige besparelser i forhold til en stage-on-granite-løsning med hensyn til maskindele. Dette skyldes primært IGM's mangel på indviklet bearbejdede stagebaser på Y- og X-akserne, hvilket øger kompleksiteten og omkostningerne ved stage-on-granite-løsningerne. Yderligere kan omkostningsbesparelserne tilskrives den relative forenkling af andre bearbejdede dele på IGM-løsningen, såsom de bevægelige vogne, som kan have enklere funktioner og noget mere afslappede tolerancer, når de er designet til brug i et IGM-system.

Granitmonteringer

Selvom granitbase-riser-bro-aggregaterne i både IGM- og stage-on-granit-systemerne synes at have en lignende formfaktor og udseende, er IGM-granitaggregatet marginalt dyrere. Dette skyldes, at granitten i IGM-løsningen erstatter de maskinbearbejdede scenebaser i stage-on-granit-løsningen, hvilket kræver, at granitten generelt har snævrere tolerancer i kritiske områder og endda yderligere funktioner, såsom ekstruderede snit og/eller gevindskårne stålindsatser. I vores casestudie opvejes den øgede kompleksitet af granitstrukturen dog mere end af forenklingen i maskindelene.

Arbejdskraft og overhead

På grund af de mange ligheder i samling og test af både IGM- og stage-on-granite-systemerne er der ikke en væsentlig forskel i løn- og driftsomkostninger.

Når alle disse omkostningsfaktorer kombineres, er den specifikke mekanisk lejrede IGM-løsning, der undersøgtes i denne undersøgelse, cirka 15 % billigere end den mekanisk lejrede løsning med trin-på-granit.

Resultaterne af den økonomiske analyse afhænger naturligvis ikke kun af egenskaber som transportlængde, præcision og lasteevne, men også af faktorer som valget af granitleverandør. Derudover er det klogt at overveje forsendelses- og logistikomkostningerne forbundet med anskaffelse af en granitstruktur. Det er især nyttigt for meget store granitsystemer, selvom det gælder for alle størrelser, at vælge en kvalificeret granitleverandør tættere på placeringen af ​​den endelige systemmontering kan også hjælpe med at minimere omkostningerne.

Det skal også bemærkes, at denne analyse ikke tager højde for omkostninger efter implementering. Antag f.eks., at det bliver nødvendigt at servicere bevægelsessystemet ved at reparere eller udskifte en bevægelsesakse. Et trin-på-granit-system kan serviceres ved blot at fjerne og reparere/udskifte den berørte akse. På grund af det mere modulære trin-lignende design kan dette gøres relativt nemt og hurtigt, på trods af de højere startomkostninger. Selvom IGM-systemer generelt kan fås til en lavere pris end deres trin-på-granit-modstykker, kan de være mere udfordrende at adskille og servicere på grund af konstruktionens integrerede karakter.

Konklusion

Det er klart, at hver type bevægelsesplatformdesign - stage-on-granite og IGM - kan tilbyde forskellige fordele. Det er dog ikke altid indlysende, hvilket der er det mest ideelle valg til en bestemt bevægelsesapplikation. Derfor er det meget fordelagtigt at samarbejde med en erfaren leverandør af bevægelses- og automatiseringssystemer, såsom Aerotech, der tilbyder en tydelig applikationsfokuseret, rådgivende tilgang til at udforske og give værdifuld indsigt i løsningsalternativer til udfordrende bevægelseskontrol- og automatiseringsapplikationer. At forstå ikke kun forskellen mellem disse to typer automatiseringsløsninger, men også de grundlæggende aspekter af de problemer, de skal løse, er den underliggende nøgle til succes med at vælge et bevægelsessystem, der adresserer både projektets tekniske og økonomiske mål.

Fra AEROTECH.