Forskellen mellem scene-på-granit og integrerede granit bevægelsessystemer

Valget af den bedst egnede granitbaserede lineære bevægelsesplatform til en given applikation afhænger af en lang række faktorer og variabler.Det er afgørende at erkende, at hver eneste applikation har sit eget unikke sæt af krav, som skal forstås og prioriteres for at forfølge en effektiv løsning i form af en bevægelsesplatform.

En af de mere allestedsnærværende løsninger involverer montering af diskrete positioneringstrin på en granitstruktur.En anden almindelig løsning integrerer de komponenter, der udgør bevægelsesakserne, direkte i selve granitten.At vælge mellem en scene-på-granit og en integreret granit motion (IGM) platform er en af ​​de tidligere beslutninger, der skal træffes i udvælgelsesprocessen.Der er klare skel mellem begge løsningstyper, og hver har naturligvis sine egne fordele - og forbehold - som skal forstås og overvejes omhyggeligt.

For at give bedre indsigt i denne beslutningsproces evaluerer vi forskellene mellem to grundlæggende design af lineære bevægelsesplatforme - en traditionel scene-på-granit-løsning og en IGM-løsning - fra både tekniske og økonomiske perspektiver i form af en mekanisk- bærende casestudie.

Baggrund

For at udforske lighederne og forskellene mellem IGM-systemer og traditionelle scene-på-granit-systemer, genererede vi to test-case designs:

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

I begge tilfælde består hvert system af tre bevægelsesakser.Y-aksen tilbyder 1000 mm vandring og er placeret på bunden af ​​granitstrukturen.X-aksen, placeret på broen af ​​samlingen med 400 mm vandring, bærer den lodrette Z-akse med 100 mm vandring.Dette arrangement er repræsenteret pikografisk.

Til scene-på-granit-designet valgte vi en PRO560LM wide-body scene til Y-aksen på grund af dens større belastningsbærende kapacitet, der er fælles for mange bevægelsesapplikationer, der bruger dette "Y/XZ split-bridge" arrangement.Til X-aksen valgte vi en PRO280LM, som almindeligvis bruges som broakse i mange applikationer.PRO280LM tilbyder en praktisk balance mellem dens fodaftryk og dens evne til at bære en Z-akse med en kundelast.

For IGM-designerne har vi nøje replikeret de grundlæggende designkoncepter og layouts af ovenstående akser, med den primære forskel er, at IGM-akserne er indbygget direkte i granitstrukturen og derfor mangler de bearbejdede komponentbaser, der er til stede i stage-on -granit design.

Fælles i begge designtilfælde er Z-aksen, som blev valgt til at være en PRO190SL kugleskrue-drevet scene.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 scene-på-granit-design.Som følge heraf er der adskillige tekniske egenskaber til fælles mellem IGM-systemer og scene-på-granit-systemer.Omvendt giver integration af bevægelsesakserne direkte i granitstrukturen adskillige karakteristiske egenskaber, der adskiller IGM-systemer fra scene-på-granit-systemer.

Formfaktor

Den måske mest åbenlyse lighed begynder med maskinens fundament - granitten.Selvom der er forskelle i funktionerne og tolerancerne mellem scene-på-granit- og IGM-design, er de overordnede dimensioner af granitbasen, stigrørene og broen ækvivalente.Dette skyldes primært, at de nominelle og grænsebevægelser er identiske mellem scene-på-granit og IGM.

Konstruktion

Manglen på bearbejdede komponentaksebaser i IGM-designet giver visse fordele i forhold til scene-på-granit-løsninger.Især er reduktionen af ​​komponenter i IGM'ens strukturelle sløjfe med til at øge den samlede aksestivhed.Det giver også mulighed for en kortere afstand mellem granitbunden og den øverste overflade af vognen.I dette særlige 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 den reducerer også maskinens forskydninger fra motoren og encoderen til arbejdspunktet, hvilket resulterer i reducerede Abbe-fejl og dermed forbedret arbejdspunktspositioneringsydelse.

Akse komponenter

Ser man dybere ind i designet, deler scene-på-granit- og IGM-løsningerne nogle nøglekomponenter, såsom lineære motorer og positionskodere.Fælles kraft- og magnetsporvalg fører til tilsvarende kraft-output-kapacitet.Ligeledes giver brug af de samme encodere i begge designs identisk fin opløsning til positioneringsfeedback.Som et resultat er den lineære nøjagtighed og repeterbarhedsydelse ikke signifikant forskellig mellem scene-på-granit- og IGM-løsninger.Tilsvarende komponentlayout, herunder lejeadskillelse og tolerance, fører til sammenlignelig ydeevne med hensyn til geometriske fejlbevægelser (dvs. vandret og lodret rethed, stigning, rulning og krøjning).Endelig er begge designs bærende elementer, herunder kabelstyring, elektriske grænser og hardstop, grundlæggende identiske i funktion, selvom de kan variere en del i fysisk udseende.

Lejer

For dette særlige design er en af ​​de mest bemærkelsesværdige forskelle valget af lineære styrelejer.Selvom recirkulerende kuglelejer bruges 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 afhængigt af granitten som sin base, i modsætning til en separat bearbejdet komponentbase, er det muligt at genvinde noget af den vertikale ejendom, som ellers ville blive forbrugt af en bearbejdet base, og i det væsentlige fylde dette rum med større lejer samtidig med at den samlede vognhøjde over granitten reduceres.

Stivhed

Brugen af ​​større lejer i IGM-designet har en dyb indvirkning på vinkelstivheden.I tilfælde af den bredere nedre akse (Y) tilbyder IGM-løsningen over 40 % større rullestivhed, 30 % større stigningsstivhed og 20 % større krøjningsstivhed end et tilsvarende trin-på-granit-design.På samme måde tilbyder IGM's bro en firedobling i rulningsstivhed, dobbelt stigningsstivhed og mere end 30 % større krøjningsstivhed end sin modstykke i scene-på-granit.Højere vinkelstivhed er fordelagtig, fordi den direkte bidrager til forbedret dynamisk ydeevne, hvilket er nøglen til at muliggøre højere maskingennemstrømning.

Belastningskapacitet

IGM-løsningens større lejer giver mulighed for en væsentlig højere nyttelastkapacitet end en scene-på-granit-løsning.Selvom PRO560LM-basisaksen i scene-på-granit-løsningen har en belastningskapacitet på 150 kg, kan den tilsvarende IGM-løsning rumme en nyttelast på 300 kg.Tilsvarende understøtter scene-på-granittens PRO280LM broakse 150 kg, hvorimod IGM-løsningens broakse kan bære op til 200 kg.

Flyttemesse

Mens de større lejer i de mekanisk lejede IGM-akser tilbyder bedre vinkelegenskaber og større bæreevne, kommer de også med større, tungere lastbiler.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 scene-på-granit-akse.En ubestridelig ulempe er, at IGM'ens maksimale acceleration er lavere, forudsat at motorkraftoutputtet er uændret.Men i visse situationer kan en større bevægelig masse 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 vogn giver yderligere fordele, som 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 vogn på grund af dens effekt på servobåndbredden.PRO560LM-vognen støder på en resonans ved 400 Hz, mens den tilsvarende IGM-vogn oplever den samme tilstand ved 430 Hz.Figur 3 illustrerer dette resultat.

Den højere resonans af IGM-løsningen, sammenlignet med traditionel stage-on-granit, kan til dels tilskrives det stivere vogn- og lejedesign.En højere vognresonans gør det muligt at få 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.Stage-on-granit-løsninger er særligt velegnede i disse situationer på grund af aksens iboende lukkede karakter.PRO-seriens lineære trin er for eksempel udstyret med hardcovers og sidetætninger, der beskytter de indvendige trinkomponenter mod forurening i et rimeligt omfang.Disse trin kan også konfigureres med valgfri bordpladeviskere til at feje snavs af det øverste hardcover, når scenen krydser.På den anden side er IGM-bevægelsesplatforme i sagens natur åbne, med lejer, motorer og indkodere 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 særligt bælg-stil vejdæksel i et IGM-aksedesign for at give beskyttelse mod affald.Men hvis den ikke implementeres korrekt, kan bælgen påvirke aksens bevægelse negativt ved at påføre slæden ydre kræfter, når den bevæger sig gennem hele dens bevægelsesområde.

Vedligeholdelse

Servicevenlighed er en differentiator mellem scene-på-granit og IGM bevægelsesplatforme.Lineærmotorakser 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 adskille den pågældende akse, men nogle gange kræves en mere grundig nedrivning.Når bevægelsesplatformen består af diskrete trin monteret på granit, er servicering en rimelig ligetil opgave.Afmonter først scenen fra granitten, udfør derefter det nødvendige vedligeholdelsesarbejde og genmonter det.Eller bare udskift det med et nyt trin.

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

Tabel 1. En oversigt over de fundamentale tekniske forskelle mellem mekanisk bærende scene-på-granit- og IGM-løsninger.

Økonomisk sammenligning

Mens de absolutte omkostninger ved ethvert bevægelsessystem vil variere baseret på flere faktorer, herunder bevægelseslængde, aksepræcision, belastningskapacitet og dynamiske egenskaber, tyder de relative sammenligninger af analoge IGM og scene-på-granit bevægelsessystemer udført i denne undersøgelse, at IGM-løsninger er i stand til at tilbyde medium til høj præcision bevægelse til moderat lavere omkostninger end deres scene-på-granit modstykker.

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

Maskindele

En IGM-løsning giver bemærkelsesværdige besparelser i forhold til en scene-på-granit-løsning med hensyn til maskindele.Dette skyldes primært IGM's mangel på kompliceret bearbejdede scenebaser på Y- og X-akserne, som tilføjer kompleksitet og omkostninger til scene-på-granit-løsningerne.Yderligere kan omkostningsbesparelser tilskrives den relative forenkling af andre bearbejdede dele på IGM-løsningen, såsom bevægelige vogne, som kan have enklere funktioner og noget mere afslappede tolerancer, når de er designet til brug i et IGM-system.

Granitsamlinger

Selvom granitbase-stiger-bro-samlingerne i både IGM- og scene-on-granit-systemerne ser ud til at have en lignende formfaktor og udseende, er IGM-granitsamlingen marginalt dyrere.Dette skyldes, at granitten i IGM-løsningen træder i stedet for de bearbejdede scenebaser i fase-på-granit-løsningen, hvilket kræver, at granitten har generelt snævrere tolerancer i kritiske områder, og endda yderligere funktioner, såsom ekstruderede snit og/ eller gevindskårne stålindsatser, for eksempel.Men i vores casestudie er den ekstra kompleksitet af granitstrukturen mere end opvejet af forenklingen i maskindele.

Arbejdskraft og Overhead

På grund af de mange ligheder i at samle og teste både IGM og scene-on-granit-systemer, er der ikke en signifikant forskel i arbejds- og overheadomkostninger.

Når alle disse omkostningsfaktorer er kombineret, er den specifikke mekanisk bærende IGM-løsning, der er undersøgt i denne undersøgelse, ca. 15 % billigere end den mekanisk bærende, fase-på-granit-løsning.

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

Det skal også bemærkes, at denne analyse ikke tager hensyn til omkostninger efter implementering.Antag for eksempel, at det bliver nødvendigt at servicere bevægelsessystemet ved at reparere eller udskifte en bevægelsesakse.Et scene-på-granit-system kan serviceres ved blot at fjerne og reparere/udskifte den berørte akse.På grund af det mere modulære scenedesign kan dette gøres med relativ lethed og hastighed på trods af de højere initiale systemomkostninger.Selvom IGM-systemer generelt kan fås til en lavere pris end deres scene-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 - scene-på-granit og IGM - kan tilbyde forskellige fordele.Det er dog ikke altid indlysende, hvad der er det mest ideelle valg til en bestemt bevægelsesanvendelse.Derfor er det meget fordelagtigt at samarbejde med en erfaren leverandør af bevægelses- og automatiseringssystemer, såsom Aerotech, der tilbyder en udpræget applikationsfokuseret, konsultativ tilgang til at udforske og give værdifuld indsigt i løsningsalternativer til udfordrende motion control- og automatiseringsapplikationer.At forstå ikke kun forskellen mellem disse to varianter af 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 de tekniske og økonomiske mål for projektet.

Fra AEROTECH.