Разликата между сценични системи върху гранит и интегрирани гранитни системи за движение

Изборът на най-подходящата линейна платформа за движение на гранитна основа за дадено приложение зависи от множество фактори и променливи. Важно е да се разбере, че всяко приложение има свой уникален набор от изисквания, които трябва да бъдат разбрани и приоритизирани, за да се намери ефективно решение по отношение на платформата за движение.

Едно от по-разпространените решения включва монтиране на дискретни позициониращи платформи върху гранитна конструкция. Друго често срещано решение интегрира компонентите, които съставляват осите на движение, директно в самия гранит. Изборът между платформа за позициониране върху гранит и платформа за интегрирано гранитно движение (IGM) е едно от по-ранните решения, които трябва да се вземат в процеса на избор. Има ясни разграничения между двата типа решения и, разбира се, всяко има своите предимства – и ограничения – които трябва да бъдат внимателно разбрани и разгледани.

За да предложим по-добра представа за този процес на вземане на решения, ние оценяваме разликите между два основни дизайна на платформи за линейно движение - традиционно решение със сцена върху гранит и IGM решение - както от техническа, така и от финансова гледна точка, под формата на казус с механични лагери.

Предистория

За да изследваме приликите и разликите между IGM системите и традиционните системи „сцена върху гранит“, генерирахме два тестови проекта:

• Механичен лагер, сцена върху гранит
• Механичен лагер, IGM

И в двата случая всяка система се състои от три оси на движение. Оста Y предлага ход от 1000 мм и е разположена върху основата на гранитната конструкция. Оста X, разположена върху моста на възела с ход от 400 мм, носи вертикалната ос Z с ход от 100 мм. Това разположение е представено пиктографски.

За дизайна със сцена върху гранит избрахме ширококорпусна сцена PRO560LM за оста Y, поради по-голямата ѝ товароносимост, често срещана за много приложения за движение, използващи тази схема с „Y/XZ разделен мост“. За оста X избрахме PRO280LM, която често се използва като мостова ос в много приложения. PRO280LM предлага практичен баланс между размерите си и способността си да носи ос Z с полезен товар на клиента.

За проектите на IGM, ние точно възпроизведохме основните дизайнерски концепции и оформление на гореспоменатите оси, като основната разлика е, че осите на IGM са вградени директно в гранитната структура и следователно нямат основите с машинно обработени компоненти, присъстващи в проектите „сцена върху гранит“.

Обща и в двата случая на проектиране е оста Z, която е избрана да бъде PRO190SL задвижвана от сачмено-винтова платформа. Това е много популярна ос за използване във вертикална ориентация на мост, поради големия си полезен товар и относително компактния си форм-фактор.

Фигура 2 илюстрира специфичните изследвани системи „етап върху гранит“ и IGM.

Техническо сравнение

IGM системите са проектирани с помощта на различни техники и компоненти, подобни на тези, открити в традиционните конструкции „сцена върху гранит“. В резултат на това има многобройни общи технически свойства между IGM системите и системите „сцена върху гранит“. Обратно, интегрирането на осите на движение директно в гранитната структура предлага няколко отличителни характеристики, които разграничават IGM системите от системите „сцена върху гранит“.

Форм фактор

Може би най-очевидното сходство започва с основата на машината - гранита. Въпреки че има разлики в характеристиките и допустимите отклонения между конструкциите „сцена върху гранит“ и IGM, общите размери на гранитната основа, повдигачите и моста са еквивалентни. Това се дължи главно на факта, че номиналните и граничните ходове са идентични между конструкциите „сцена върху гранит“ и IGM.

Строителство

Липсата на основи на осите с машинно обработени компоненти в дизайна на IGM предоставя определени предимства пред решенията „сцена върху гранит“. По-специално, намаляването на компонентите в структурния контур на IGM спомага за увеличаване на общата твърдост на оста. Това също така позволява по-късо разстояние между гранитната основа и горната повърхност на каретката. В този конкретен случай, дизайнът на IGM предлага 33% по-ниска височина на работната повърхност (80 мм в сравнение със 120 мм). Тази по-малка работна височина не само позволява по-компактен дизайн, но и намалява отместванията на машината от двигателя и енкодера до работната точка, което води до намалени грешки на Abbe и следователно подобрена производителност на позиционирането на работната точка.

Компоненти на осите

Ако се вгледаме по-задълбочено в дизайна, решенията „сцена върху гранит“ и IGM споделят някои ключови компоненти, като например линейни двигатели и енкодери за положение. Изборът на общ форсиращ механизъм и магнитна релса води до еквивалентни възможности за изходна сила. По подобен начин, използването на едни и същи енкодери и в двата дизайна осигурява еднакво фина разделителна способност за обратна връзка за позициониране. В резултат на това, линейната точност и повторяемостта не се различават съществено между решенията „сцена върху гранит“ и IGM. Подобното разположение на компонентите, включително разделянето на лагерите и толерирането, води до сравнима производителност по отношение на геометрични грешки в движенията (т.е. хоризонтална и вертикална праволинейност, наклон, люлеене и отклонение). И накрая, поддържащите елементи и на двата дизайна, включително управлението на кабелите, електрическите ограничители и твърдите стопери, са фундаментално идентични по функция, въпреки че могат да се различават донякъде по физически вид.

Лагери

При този конкретен дизайн, една от най-забележителните разлики е изборът на линейни направляващи лагери. Въпреки че рециркулиращи сачмени лагери се използват както в системите „сцена върху гранит“, така и в IGM системите, IGM системата позволява включването на по-големи и по-твърди лагери в дизайна, без да се увеличава работната височина на оста. Тъй като IGM дизайнът разчита на гранита като основа, за разлика от отделна основа от машинно обработени компоненти, е възможно да се възстанови част от вертикалното пространство, което иначе би било заето от машинно обработена основа, и по същество да се запълни това пространство с по-големи лагери, като същевременно се намалява общата височина на каретката над гранита.

Скованост

Използването на по-големи лагери в конструкцията на IGM има силно влияние върху ъгловата твърдост. В случая на ширококорпусната долна ос (Y), решението на IGM предлага над 40% по-голяма твърдост при търкаляне, 30% по-голяма твърдост при тангаж и 20% по-голяма твърдост при отклонение от съответстващата конструкция „сцена върху гранит“. По подобен начин, мостът на IGM предлага четирикратно увеличение на твърдостта при търкаляне, двойно по-голяма твърдост при тангаж и повече от 30% по-голяма твърдост при отклонение от своя еквивалент „сцена върху гранит“. По-високата ъглова твърдост е предимство, защото пряко допринася за подобрени динамични характеристики, което е ключово за осигуряване на по-висока производителност на машината.

Товароносимост

По-големите лагери на решението IGM позволяват значително по-висок полезен товар от решението „сцена върху гранит“. Въпреки че базовата ос PRO560LM на решението „сцена върху гранит“ има товароносимост от 150 кг, съответното IGM решение може да поеме полезен товар от 300 кг. По подобен начин, мостовата ос PRO280LM на решението „сцена върху гранит“ поддържа 150 кг, докато мостовата ос на решението IGM може да носи до 200 кг.

Движеща се маса

Въпреки че по-големите лагери в механично лагеруваните оси IGM предлагат по-добри ъглови характеристики и по-голяма товароносимост, те се предлагат и с по-големи и по-тежки колички. Освен това, каретките IGM са проектирани така, че някои обработени елементи, необходими за ос тип „сцена върху гранит“ (но не и задължителни за ос IGM), са премахнати, за да се увеличи твърдостта на детайлите и да се опрости производството. Тези фактори означават, че оста IGM има по-голяма движеща се маса от съответната ос тип „сцена върху гранит“. Неоспорим недостатък е, че максималното ускорение на IGM е по-ниско, ако се приеме, че изходната сила на двигателя е непроменена. И все пак, в определени ситуации, по-голямата движеща се маса може да бъде предимство от гледна точка на това, че по-голямата ѝ инерция може да осигури по-голяма устойчивост на смущения, което може да е свързано с повишена стабилност в работно положение.

Структурна динамика

По-високата твърдост на лагерите на IGM системата и по-твърдата каретка осигуряват допълнителни предимства, които са очевидни след използване на софтуерен пакет за анализ с крайни елементи (FEA) за извършване на модален анализ. В това проучване изследвахме първия резонанс на движещата се каретка поради неговото влияние върху честотната лента на сервомотора. Каретката PRO560LM изпитва резонанс при 400 Hz, докато съответната IGM каретка изпитва същия режим при 430 Hz. Фигура 3 илюстрира този резултат.

По-високият резонанс на IGM решението, в сравнение с традиционната сцена върху гранит, може да се обясни отчасти с по-твърдата конструкция на каретката и лагерите. По-високият резонанс на каретката позволява по-голяма честотна лента на сервомотора и следователно подобрени динамични характеристики.

Работна среда

Уплътняването на оста е почти винаги задължително, когато има замърсители, независимо дали са генерирани от процеса на потребителя или по друг начин съществуват в околната среда на машината. Решенията тип „платформа върху гранит“ са особено подходящи в тези ситуации поради присъщата затвореност на оста. Линейните платформи от серията PRO, например, са оборудвани с твърди капаци и странични уплътнения, които предпазват вътрешните компоненти на платформата от замърсяване в разумна степен. Тези платформи могат да бъдат конфигурирани и с опционални чистачки за плот, които да почистват отломки от горния твърд капак, докато платформата се движи. От друга страна, платформите за движение IGM са по своята същност отворени, като лагерите, двигателите и енкодерите са открити. Въпреки че не е проблем в по-чисти среди, това може да е проблематично, когато има замърсяване. Възможно е този проблем да се реши чрез включване на специален капак тип мех в конструкцията на оста на IGM, за да се осигури защита от отломки. Но ако не се внедри правилно, мехът може да повлияе негативно на движението на оста, като предава външни сили на каретката, докато тя се движи през пълния си диапазон на движение.

Поддръжка

Лесната за обслужване е отличителен белег между платформите за движение тип „платформа върху гранит“ и IGM. Линейните моторни оси са добре известни със своята здравина, но понякога се налага извършването на поддръжка. Някои операции по поддръжката са сравнително прости и могат да се извършат без премахване или разглобяване на въпросната ос, но понякога се изисква по-щателно разглобяване. Когато платформата за движение се състои от отделни платформи, монтирани върху гранит, обслужването е сравнително лесна задача. Първо, демонтирайте платформата от гранита, след това извършете необходимата поддръжка и я монтирайте отново. Или просто я заменете с нова платформа.

IGM решенията понякога могат да бъдат по-предизвикателни при извършване на поддръжка. Въпреки че подмяната на единична магнитна релса на линейния двигател е много проста в този случай, по-сложната поддръжка и ремонти често включват пълно разглобяване на много или всички компоненти, съставляващи оста, което отнема повече време, когато компонентите са монтирани директно върху гранит. Също така е по-трудно да се подравнят отново осите, изработени от гранит, една спрямо друга след извършване на поддръжка - задача, която е значително по-лесна при дискретни етапи.

Таблица 1. Обобщение на основните технически разлики между решенията за механично лагеруване на сцена върху гранит и IGM.

Икономическо сравнение

Въпреки че абсолютната цена на всяка система за движение ще варира в зависимост от няколко фактора, включително дължина на движение, прецизност на осите, товароносимост и динамични възможности, относителните сравнения на аналогични IGM и системи за движение „сцена върху гранит“, проведени в това проучване, показват, че IGM решенията са способни да предложат движение със средна до висока прецизност при умерено по-ниски разходи от техните аналози „сцена върху гранит“.

Нашето икономическо проучване се състои от три основни компонента на разходите: машинни части (включително произведени части и закупени компоненти), монтаж на гранит, както и труд и режийни разходи.

Машинни части

Решението IGM предлага забележителни икономии в сравнение с решение „сцена върху гранит“ по отношение на машинните части. Това се дължи главно на липсата на сложно обработени основи на сцените по осите Y и X в IGM, което добавя сложност и цена към решенията „сцена върху гранит“. Освен това, икономиите на разходи могат да се отдадат на относителното опростяване на други обработени части в решението IGM, като например подвижните каретки, които могат да имат по-прости характеристики и донякъде по-свободни допуски, когато са проектирани за използване в IGM система.

Гранитни сглобки

Въпреки че сглобките от гранитна основа-повдигач-мост както в IGM, така и в системите „сцена върху гранит“ изглеждат с подобен форм-фактор и външен вид, сглобката от IGM гранит е малко по-скъпа. Това е така, защото гранитът в решението IGM замества обработените основи на сцената в решението „сцена върху гранит“, което изисква гранитът да има като цяло по-строги допуски в критичните области и дори допълнителни характеристики, като например екструдирани разрези и/или резбовани стоманени вложки. В нашия случай обаче добавената сложност на гранитната структура е повече от компенсирана от опростяването на машинните части.

Труд и режийни разходи

Поради многобройните прилики при сглобяването и тестването както на IGM, така и на системите „сцена върху гранит“, няма съществена разлика в разходите за труд и режийни разходи.

След като всички тези фактори на разходите се комбинират, специфичното решение за IGM с механични лагери, разгледано в това проучване, е приблизително с 15% по-евтино от решението с механични лагери, тип „сцена върху гранит“.

Разбира се, резултатите от икономическия анализ зависят не само от атрибути като дължина на движение, прецизност и товароносимост, но и от фактори като избора на доставчик на гранит. Освен това е разумно да се вземат предвид разходите за доставка и логистика, свързани с набавянето на гранитна конструкция. Особено полезно за много големи гранитни системи, въпреки че е вярно за всички размери, изборът на квалифициран доставчик на гранит в по-голяма близост до мястото на крайния монтаж на системата може да помогне за минимизиране на разходите.

Трябва също да се отбележи, че този анализ не взема предвид разходите след внедряването. Например, да предположим, че се наложи обслужване на системата за движение чрез ремонт или подмяна на ос на движение. Система „сцена върху гранит“ може да се обслужва чрез просто премахване и ремонт/подмяна на засегнатата ос. Поради по-модулния дизайн, подобен на сцена, това може да се направи сравнително лесно и бързо, въпреки по-високата първоначална цена на системата. Въпреки че IGM системите обикновено могат да бъдат получени на по-ниска цена от техните аналози „сцена върху гранит“, те могат да бъдат по-трудни за разглобяване и обслужване поради интегрирания характер на конструкцията.

Заключение

Очевидно е, че всеки тип дизайн на платформа за движение – сцена върху гранит и IGM – може да предложи различни предимства. Не винаги е очевидно обаче кой е най-идеалният избор за конкретно приложение за движение. Ето защо е изключително полезно да си партнирате с опитен доставчик на системи за движение и автоматизация, като Aerotech, който предлага ясно фокусиран върху приложението, консултативен подход за проучване и предоставяне на ценна информация за алтернативни решения за сложни приложения за управление на движението и автоматизация. Разбирането не само на разликата между тези два вида решения за автоматизация, но и на основните аспекти на проблемите, които те трябва да решат, е основният ключ към успеха при избора на система за движение, която отговаря както на техническите, така и на финансовите цели на проекта.

От АЕРОТЕХ.