Разлика између система за кретање сцене на граниту и интегрисаних система за кретање гранита

Избор најприкладније платформе за линеарно кретање на бази гранита за дату примену зависи од мноштва фактора и варијабли. Кључно је препознати да свака примена има свој јединствени скуп захтева које треба разумети и рангирати како би се пронашло ефикасно решење у смислу платформе за кретање.

Једно од свеприсутнијих решења укључује монтирање дискретних постоља за позиционирање на гранитну структуру. Друго уобичајено решење интегрише компоненте које чине осе кретања директно у сам гранит. Избор између постоља на граниту и платформе за интегрисано гранитно кретање (IGM) једна је од ранијих одлука које треба донети у процесу селекције. Постоје јасне разлике између оба типа решења и, наравно, свако има своје предности – и ограничења – које треба пажљиво разумети и размотрити.

Да бисмо понудили бољи увид у овај процес доношења одлука, процењујемо разлике између два основна дизајна платформи за линеарно кретање - традиционалног решења са позорницом на граниту и ИГМ решења - са техничке и финансијске перспективе у облику студије случаја механичких лежајева.

Позадина

Да бисмо истражили сличности и разлике између IGM система и традиционалних система са бином на граниту, генерисали смо два тест примера:

• Механички лежај, сцена на граниту
• Механички лежај, IGM

У оба случаја, сваки систем се састоји од три осе кретања. Y оса нуди ход од 1000 мм и налази се на основи гранитне структуре. X оса, која се налази на мосту склопа са ходом од 400 мм, носи вертикалну Z-осу са ходом од 100 мм. Овај распоред је представљен пиктографски.

За дизајн позорнице на граниту, одабрали смо позорницу широког тела PRO560LM за Y осу због њеног већег капацитета носивости, што је уобичајено за многе примене кретања које користе овај аранжман „Y/XZ подељеног моста“. За X осу, изабрали смо PRO280LM, који се често користи као мостовска оса у многим применама. PRO280LM нуди практичну равнотежу између свог простора и могућности да носи Z осу са корисним теретом купца.

За ИГМ дизајне, пажљиво смо реплицирали основне концепте дизајна и распоред горе наведених оса, с тим да је главна разлика у томе што су ИГМ осе уграђене директно у гранитну структуру и стога им недостају машински обрађене основе присутне у дизајнима „позорница на граниту“.

Заједничко у оба случаја дизајна је Z оса, која је изабрана да буде PRO190SL платформа са кугличним вијаком. Ово је веома популарна оса за употребу у вертикалној оријентацији на мосту због свог великог капацитета носивости и релативно компактног облика.

Слика 2 илуструје специфичне проучаване системе фаза-на-граниту и IGM системе.

Техничко поређење

ИГМ системи су пројектовани коришћењем различитих техника и компоненти које су сличне онима које се налазе у традиционалним дизајнима „позорница на граниту“. Као резултат тога, постоје бројна техничка својства заједничка између ИГМ система и система „позорница на граниту“. Насупрот томе, интегрисање оса кретања директно у гранитну структуру нуди неколико карактеристика које разликују ИГМ системе од система „позорница на граниту“.

Форм фактор

Можда најочигледнија сличност почиње са темељем машине — гранитом. Иако постоје разлике у карактеристикама и толеранцијама између дизајна са бином на граниту и IGM-а, укупне димензије гранитне основе, успона и моста су еквивалентне. То је првенствено зато што су номинални и гранични ходови идентични између бине на граниту и IGM-а.

Грађевинарство

Недостатак основа оса са машински обрађеним компонентама у ИГМ дизајну пружа одређене предности у односу на решења са позорницом на граниту. Конкретно, смањење компоненти у структурној петљи ИГМ-а помаже у повећању укупне крутости осе. Такође омогућава краће растојање између гранитне основе и горње површине носача. У овој конкретној студији случаја, ИГМ дизајн нуди 33% нижу висину радне површине (80 мм у поређењу са 120 мм). Ова мања радна висина не само да омогућава компактнији дизајн, већ и смањује померање машине од мотора и енкодера до радне тачке, што резултира смањеним Абеовим грешкама и самим тим побољшаним перформансама позиционирања радне тачке.

Компоненте осе

Дубље посматрајући дизајн, решења типа „позорница на граниту“ и IGM деле неке кључне компоненте, као што су линеарни мотори и енкодери положаја. Заједнички избор силе и магнетне стазе доводи до еквивалентних могућности односа силе и излаза. Слично томе, коришћење истих енкодера у оба дизајна пружа идентично фину резолуцију за повратне информације о позиционирању. Као резултат тога, перформансе линеарне тачности и поновљивости се не разликују значајно између решења типа „позорница на граниту“ и IGM. Сличан распоред компоненти, укључујући раздвајање лежајева и толеранцију, доводи до упоредивих перформанси у погледу геометријских грешака кретања (тј. хоризонтална и вертикална праволинија, нагиб, котрљање и скретање). Коначно, носећи елементи оба дизајна, укључујући управљање кабловима, електричне граничнике и чврсте стопове, су у основи идентични по функцији, иако се могу донекле разликовати по физичком изгледу.

Лежајеви

Код овог конкретног дизајна, једна од најзначајнијих разлика је избор линеарних водилица. Иако се рециркулациони куглични лежајеви користе и у системима са сценом на граниту и у IGM системима, IGM систем омогућава уградњу већих, чвршћих лежајева у дизајн без повећања радне висине осе. Пошто се IGM дизајн ослања на гранит као основу, за разлику од засебне основе од машински обрађених компоненти, могуће је повратити део вертикалног простора који би иначе заузела машински обрађена основа, и у суштини попунити овај простор већим лежајевима, а да се притом смањи укупна висина носача изнад гранита.

Крутост

Употреба већих лежајева у IGM дизајну има значајан утицај на угаону крутост. У случају доње осе (Y) са широким телом, IGM решење нуди преко 40% већу крутост котрљања, 30% већу крутост тангажа и 20% већу крутост скретања од одговарајућег дизајна „позорница на граниту“. Слично томе, IGM-ов мост нуди четвороструко повећање крутости котрљања, двоструку крутост тангажа и више од 30% већу крутост скретања од свог пандана „позорница на граниту“. Већа угаона крутост је предност јер директно доприноси побољшаним динамичким перформансама, што је кључно за омогућавање већег протока машине.

Носивост

Већи лежајеви IGM решења омогућавају знатно већи носиви капацитет него решење са сценом на граниту. Иако основна оса PRO560LM решења са сценом на граниту има носивост од 150 кг, одговарајуће IGM решење може да прими носиви терет од 300 кг. Слично томе, мостовна оса PRO280LM сцене на граниту подржава 150 кг, док мостовна оса IGM решења може да носи до 200 кг.

Покретна маса

Иако већи лежајеви у механичким лежајевима IGM оса нуде боље угаоне перформансе и већи капацитет носивости, они такође долазе са већим, тежим колицима. Поред тога, IGM колица су пројектована тако да се одређене машински обрађене карактеристике неопходне за осу типа „позорница на граниту“ (али које нису потребне за IGM осу) уклањају како би се повећала крутост дела и поједноставила производња. Ови фактори значе да IGM оса има већу покретну масу од одговарајуће осе типа „позорница на граниту“. Неоспорни недостатак је што је максимално убрзање IGM-а мање, под претпоставком да је излазна сила мотора непромењена. Ипак, у одређеним ситуацијама, већа покретна маса може бити предност са становишта да њена већа инерција може пружити већи отпор на поремећаје, што може бити у корелацији са повећаном стабилношћу у положају.

Структурна динамика

Већа крутост лежајева и крући носач IGM система пружају додатне предности које су очигледне након коришћења софтверског пакета за анализу коначних елемената (FEA) за извођење модалне анализе. У овој студији, испитали смо прву резонанцију покретног носача због њеног утицаја на пропусни опсег серво мотора. Носач PRO560LM доживљава резонанцију на 400 Hz, док одговарајући IGM носач доживљава исти мод на 430 Hz. Слика 3 илуструје овај резултат.

Већа резонанција IGM решења, у поређењу са традиционалном бином на граниту, може се делимично приписати чвршћем дизајну носача и лежајева. Већа резонанција носача омогућава већи пропусни опсег серво мотора и самим тим побољшане динамичке перформансе.

Оперативно окружење

Заптивање оса је скоро увек обавезно када су присутни загађивачи, било да су настали током корисничког процеса или су на други начин присутни у окружењу машине. Решења са постољем на граниту су посебно погодна у овим ситуацијама због инхерентно затворене природе осе. Линеарне постоља серије PRO, на пример, долазе опремљене тврдим поклопцима и бочним заптивкама које штите унутрашње компоненте постоља од контаминације у разумној мери. Ове постоља се такође могу конфигурисати са опционим брисачима стола за уклањање остатака са горњег тврдог поклопца док се постоље креће. С друге стране, IGM платформе за кретање су инхерентно отворене природе, са изложеним лежајевима, моторима и енкодерима. Иако није проблем у чистијим окружењима, ово може бити проблематично када је присутна контаминација. Могуће је решити овај проблем уградњом посебног поклопца у облику меха у дизајн IGM осе како би се обезбедила заштита од остатака. Али ако се не имплементира правилно, мех може негативно утицати на кретање осе тако што преноси спољне силе на колица док се крећу кроз свој пуни опсег кретања.

Одржавање

Једноставност одржавања је разлика између позорнице на граниту и IGM платформи за покретање. Осе линеарних мотора су добро познате по својој робусности, али понекад је неопходно извршити одржавање. Одређене операције одржавања су релативно једноставне и могу се обавити без уклањања или растављања дотичне осе, али понекад је потребно темељитије растављање. Када се покретна платформа састоји од дискретних позорница монтираних на гранит, сервисирање је релативно једноставан задатак. Прво, демонтирајте позорницу са гранита, затим извршите неопходне радове одржавања и поново је монтирајте. Или је једноставно замените новом позорницом.

ИГМ решења понекад могу бити изазовнија приликом одржавања. Иако је замена једне магнетне траке линеарног мотора у овом случају веома једноставна, компликованије одржавање и поправке често укључују потпуно растављање многих или свих компоненти које чине осу, што одузима више времена када су компоненте монтиране директно на гранит. Такође је теже поново поравнати осе на бази гранита једну са другом након одржавања – задатак који је знатно једноставнији код дискретних фаза.

Табела 1. Резиме основних техничких разлика између решења за сцену са механичким лежајевима на граниту и IGM решења.

Економско поређење

Иако ће апсолутни трошак било ког система кретања варирати на основу неколико фактора, укључујући дужину кретања, прецизност осе, носивост и динамичке могућности, релативна поређења аналогних IGM и система кретања на бази позорнице на граниту спроведена у овој студији сугеришу да су IGM решења способна да понуде кретање средње до високе прецизности по умерено нижим трошковима од својих пандана на бази позорнице на граниту.

Наша економска студија састоји се од три основне компоненте трошкова: машински делови (укључујући и произведене делове и купљене компоненте), склапање гранита и рад и режијски трошкови.

Делови машине

ИГМ решење нуди значајне уштеде у односу на решење „позорница на граниту“ у погледу машинских делова. То је првенствено због недостатка сложено обрађених основа позорнице на Y и X осама код ИГМ-а, што додаје сложеност и трошкове решењима „позорница на граниту“. Даље, уштеде трошкова могу се приписати релативном поједностављењу других обрађених делова на ИГМ решењу, као што су покретни носачи, који могу имати једноставније карактеристике и донекле опуштеније толеранције када су пројектовани за употребу у ИГМ систему.

Гранитне конструкције

Иако склопови гранитне основе-успон-моста и у IGM и у системима „бина на граниту“ изгледају сличног облика и изгледа, IGM гранитни склоп је незнатно скупљи. То је зато што гранит у IGM решењу замењује машински обрађене основе бине у решењу „бина на граниту“, што захтева да гранит генерално има веће толеранције у критичним областима, па чак и додатне карактеристике, као што су екструдирани резови и/или навојни челични уметци, на пример. Међутим, у нашој студији случаја, додатна сложеност гранитне структуре је више него надокнађена поједностављењем машинских делова.

Рад и режијски трошкови

Због многих сличности у склапању и тестирању система IGM и система „бина на граниту“, не постоји значајна разлика у трошковима рада и режијским трошковима.

Када се сви ови фактори трошкова комбинују, специфично решење за ИГМ са механичким лежајевима које је испитано у овој студији је приближно 15% јефтиније од решења са механичким лежајевима, постављањем бине на гранит.

Наравно, резултати економске анализе не зависе само од атрибута као што су дужина кретања, прецизност и носивост, већ и од фактора као што је избор добављача гранита. Поред тога, разумно је узети у обзир трошкове испоруке и логистике повезане са набавком гранитне конструкције. Посебно је корисно за веома велике гранитне системе, иако важи за све величине, избор квалификованог добављача гранита у близини локације коначне монтаже система може помоћи и у смањењу трошкова.

Такође треба напоменути да ова анализа не узима у обзир трошкове након имплементације. На пример, претпоставимо да је неопходно сервисирати систем кретања поправком или заменом осе кретања. Систем „бина на граниту“ може се сервисирати једноставним уклањањем и поправком/заменом оштећене осе. Због модуларнијег дизајна у стилу бине, ово се може урадити релативно лако и брзо, упркос вишим почетним трошковима система. Иако се ИГМ системи генерално могу добити по нижој цени од својих пандана „бина на граниту“, могу бити изазовнији за растављање и сервисирање због интегрисане природе конструкције.

Закључак

Јасно је да свака врста дизајна платформе за кретање — сцена на граниту и IGM — може понудити различите предности. Међутим, није увек очигледно који је најидеалнији избор за одређену примену кретања. Стога је веома корисно сарађивати са искусним добављачем система за кретање и аутоматизацију, као што је Aerotech, који нуди јасно усмерен, консултативан приступ за истраживање и пружање вредних увида у алтернативна решења за изазовне примене контроле кретања и аутоматизације. Разумевање не само разлике између ове две варијанте решења за аутоматизацију, већ и основних аспеката проблема које треба да реше, је основни кључ успеха у избору система за кретање који се бави и техничким и финансијским циљевима пројекта.

Од компаније АЕРОТЕХ.