Різниця між системами руху сцени на граніті та інтегрованими гранітними системами руху

Вибір найбільш підходящої лінійної платформи на основі граніту для певного застосування залежить від низки факторів та змінних. Важливо розуміти, що кожне застосування має свій унікальний набір вимог, які необхідно розуміти та визначати пріоритетність, щоб знайти ефективне рішення з точки зору платформи руху.

Одне з найбільш поширених рішень передбачає встановлення дискретних платформ позиціонування на гранітну конструкцію. Інше поширене рішення інтегрує компоненти, що складають осі руху, безпосередньо в сам граніт. Вибір між платформою «платформа на граніті» та платформою інтегрованого гранітного руху (IGM) є одним із перших рішень, які необхідно прийняти в процесі вибору. Існують чіткі відмінності між обома типами рішень, і, звичайно, кожне має свої переваги — і застереження — які необхідно ретельно зрозуміти та врахувати.

Щоб краще зрозуміти цей процес прийняття рішень, ми оцінюємо відмінності між двома фундаментальними конструкціями платформ лінійного руху — традиційним рішенням зі сценою на граніті та рішенням IGM — як з технічної, так і з фінансової точки зору у формі тематичного дослідження механічних підшипників.

Передісторія

Щоб дослідити подібності та відмінності між системами IGM та традиційними системами «сцена-на-граніт», ми створили два тестові проекти:

• Механічний підшипник, сцена-на-граніт
• Механічний підшипник, IGM

В обох випадках кожна система складається з трьох осей руху. Вісь Y має хід 1000 мм і розташована на основі гранітної конструкції. Вісь X, розташована на мосту збірки з ходом 400 мм, несе вертикальну вісь Z з ходом 100 мм. Це розташування представлено піктографічно.

Для конструкції зі сценою на граніті ми обрали ширококорпусну сцену PRO560LM для осі Y через її більшу вантажопідйомність, що є типовим для багатьох застосувань руху з використанням такої схеми «роздільного мосту Y/XZ». Для осі X ми обрали PRO280LM, яка зазвичай використовується як місткова вісь у багатьох застосуваннях. PRO280LM пропонує практичний баланс між розміром та здатністю перевозити вісь Z із корисним навантаженням клієнта.

Для проєктів IGM ми точно відтворили основні концепції дизайну та компонування вищезазначених осей, з тією основною відмінністю, що осі IGM вбудовані безпосередньо в гранітну структуру, і тому не мають основ з оброблених компонентів, присутніх у проєктах «сцена на граніті».

Спільною в обох випадках проектування є вісь Z, яку було обрано як кульково-гвинтову платформу PRO190SL. Це дуже популярна вісь для використання у вертикальній орієнтації на мосту завдяки своїй великій вантажопідйомності та відносно компактному форм-фактору.

На рисунку 2 ілюструються конкретні досліджені системи стадій на граніті та міжгранітного граніту.

Технічне порівняння

Системи IGM розроблені з використанням різноманітних методів та компонентів, подібних до тих, що використовуються в традиційних конструкціях «сцена-на-граніті». Як результат, системи IGM та системи «сцена-на-граніті» мають численні спільні технічні властивості. І навпаки, інтеграція осей руху безпосередньо в структуру граніту пропонує кілька відмінних характеристик, що відрізняють системи IGM від систем «сцена-на-граніті».

Форм-фактор

Мабуть, найочевидніша схожість починається з основи машини — граніту. Хоча існують відмінності в характеристиках і допусках між конструкціями зі сценою на граніті та IGM, загальні розміри гранітної основи, стояків і мосту еквівалентні. Це пояснюється головним чином тим, що номінальний і граничний хід ідентичні між сценою на граніті та IGM.

Будівництво

Відсутність оброблених компонентів на основі осей у конструкції IGM забезпечує певні переваги порівняно з рішеннями зі сценою на граніті. Зокрема, зменшення кількості компонентів у структурному контурі IGM допомагає збільшити загальну жорсткість осі. Це також дозволяє зменшити відстань між гранітною основою та верхньою поверхнею каретки. У цьому конкретному випадку конструкція IGM пропонує на 33% меншу висоту робочої поверхні (80 мм порівняно зі 120 мм). Ця менша робоча висота не тільки забезпечує більш компактну конструкцію, але й зменшує зміщення верстата від двигуна та енкодера до робочої точки, що призводить до зменшення помилок Аббе та, отже, покращення продуктивності позиціонування робочої точки.

Компоненти осі

Якщо глибше розглянути конструкцію, то можна побачити, що рішення «сцена на граніті» та IGM мають деякі спільні ключові компоненти, такі як лінійні двигуни та енкодери положення. Спільний вибір силового механізму та магнітної доріжки призводить до еквівалентних можливостей вихідної сили. Аналогічно, використання однакових енкодерів в обох конструкціях забезпечує однаково високу роздільну здатність для зворотного зв'язку щодо позиціонування. Як результат, лінійна точність та повторюваність суттєво не відрізняються між рішеннями «сцена на граніті» та IGM. Подібне розташування компонентів, включаючи розділення підшипників та допуски, призводить до порівнянної продуктивності з точки зору геометричних похибок руху (тобто горизонтальної та вертикальної прямолінійності, тангажу, крену та рискання). Нарешті, допоміжні елементи обох конструкцій, включаючи організацію кабелів, електричні обмежувачі та жорсткі упори, принципово ідентичні за функціонуванням, хоча вони можуть дещо відрізнятися за зовнішнім виглядом.

Підшипники

Для цієї конкретної конструкції однією з найбільш помітних відмінностей є вибір лінійних напрямних підшипників. Хоча рециркуляційні кулькові підшипники використовуються як у системах «сцена на граніті», так і в системах IGM, система IGM дозволяє вбудовувати в конструкцію більші та жорсткіші підшипники без збільшення робочої висоти осі. Оскільки конструкція IGM спирається на граніт як основу, на відміну від окремої основи з оброблених компонентів, можна повернути частину вертикального простору, який в іншому випадку займав би оброблена основа, і, по суті, заповнити цей простір більшими підшипниками, одночасно зменшуючи загальну висоту каретки над гранітом.

Жорсткість

Використання більших підшипників у конструкції IGM має суттєвий вплив на кутову жорсткість. У випадку широкофюзеляжної нижньої осі (Y), рішення IGM пропонує більш ніж на 40% більшу жорсткість по крену, на 30% більшу жорсткість по тангажу та на 20% більшу жорсткість по риску, ніж відповідна конструкція «сцена на граніті». Аналогічно, міст IGM пропонує чотирикратне збільшення жорсткості по крену, вдвічі більшу жорсткість по тангажу та більш ніж на 30% більшу жорсткість по риску, ніж його аналог «сцена на граніті». Більша кутова жорсткість є перевагою, оскільки вона безпосередньо сприяє покращенню динамічних характеристик, що є ключем до забезпечення вищої пропускної здатності машини.

Вантажопідйомність

Більші підшипники рішення IGM забезпечують значно більшу вантажопідйомність, ніж рішення «сцена на граніті». Хоча базова вісь PRO560LM рішення «сцена на граніті» має вантажопідйомність 150 кг, відповідне рішення IGM може витримувати корисне навантаження 300 кг. Аналогічно, вісь мосту PRO280LM рішення «сцена на граніті» витримує 150 кг, тоді як вісь мосту рішення IGM може витримувати до 200 кг.

Рухома маса

Хоча більші підшипники в механічних осях IGM пропонують кращі кутові характеристики та більшу вантажопідйомність, вони також постачаються з більшими та важчими візками. Крім того, каретки IGM сконструйовані таким чином, що деякі оброблені елементи, необхідні для осі «платформа на граніті» (але не потрібні для осі IGM), видаляються для збільшення жорсткості деталі та спрощення виробництва. Ці фактори означають, що вісь IGM має більшу рухому масу, ніж відповідна вісь «платформа на граніті». Незаперечним недоліком є те, що максимальне прискорення IGM нижче, якщо припустити, що вихідна сила двигуна не змінюється. Однак у певних ситуаціях більша рухома маса може бути вигідною з точки зору того, що її більша інерція може забезпечити більший опір збуренням, що може корелювати зі збільшенням стабільності в положенні.

Структурна динаміка

Вища жорсткість підшипників та жорсткіша каретка системи IGM забезпечують додаткові переваги, які стають очевидними після використання пакета програмного забезпечення для аналізу кінцевих елементів (FEA) для проведення модального аналізу. У цьому дослідженні ми розглянули перший резонанс рухомої каретки через її вплив на пропускну здатність сервоприводу. Каретка PRO560LM стикається з резонансом на частоті 400 Гц, тоді як відповідна каретка IGM стикається з тим самим режимом на частоті 430 Гц. Рисунок 3 ілюструє цей результат.

Вищий резонанс рішення IGM, порівняно з традиційною сценою на граніті, частково можна пояснити жорсткішою конструкцією каретки та підшипника. Вищий резонанс каретки дозволяє мати більшу смугу пропускання сервоприводу та, отже, покращені динамічні характеристики.

Операційне середовище

Герметизація осі майже завжди є обов'язковою, коли присутні забруднювачі, незалежно від того, чи утворюються вони в процесі роботи користувача, чи іншим чином існують у середовищі машини. Рішення зі столами на граніті особливо підходять у таких ситуаціях через закриту природу осі. Наприклад, лінійні столи серії PRO оснащені твердими кришками та боковими ущільненнями, які захищають внутрішні компоненти столу від забруднення в розумній мірі. Ці столи також можуть бути налаштовані з додатковими склоочисниками для змітання сміття з верхньої твердої кришки під час руху столу. З іншого боку, платформи руху IGM за своєю природою відкриті, а підшипники, двигуни та енкодери знаходяться на відкритому місці. Хоча це не є проблемою в чистішому середовищі, це може бути проблематично, коли присутнє забруднення. Цю проблему можна вирішити, включивши спеціальну кришку напрямку у формі сильфона в конструкцію осі IGM для захисту від сміття. Але якщо її не реалізувати правильно, сильфон може негативно впливати на рух осі, надаючи зовнішні сили каретці під час її руху в повному діапазоні ходу.

Технічне обслуговування

Зручність обслуговування є відмінною рисою між платформами руху зі сценою на граніті та IGM. Осі з лінійними двигунами добре відомі своєю надійністю, але іноді виникає необхідність проводити технічне обслуговування. Деякі операції з технічного обслуговування є відносно простими та можуть бути виконані без зняття або розбирання відповідної осі, але іноді потрібне більш ретельне розбирання. Коли рухома платформа складається з окремих платформ, встановлених на граніті, обслуговування є досить простим завданням. Спочатку зніміть платформу з граніту, потім виконайте необхідні роботи з технічного обслуговування та встановіть її знову. Або просто замініть її новою платформою.

Рішення IGM іноді можуть бути складнішими під час проведення технічного обслуговування. Хоча заміна однієї магнітної доріжки лінійного двигуна в цьому випадку дуже проста, складніше технічне обслуговування та ремонт часто передбачають повне розбирання багатьох або всіх компонентів, що складають вісь, що займає більше часу, коли компоненти монтуються безпосередньо на граніт. Також складніше вирівняти осі на гранітній основі одна відносно одної після проведення технічного обслуговування — завдання, яке значно простіше з дискретними етапами.

Таблиця 1. Короткий виклад фундаментальних технічних відмінностей між рішеннями для механічних підшипників на граніті та міжгранітними гірляндами.

Економічне порівняння

Хоча абсолютна вартість будь-якої системи руху залежить від кількох факторів, включаючи довжину ходу, точність осей, вантажопідйомність та динамічні можливості, відносні порівняння аналогічних систем руху IGM та сцени на граніті, проведені в цьому дослідженні, свідчать про те, що рішення IGM здатні забезпечувати рух середньої та високої точності за помірно нижчими витратами, ніж їхні сценічні аналоги на граніті.

Наше економічне дослідження складається з трьох основних складових витрат: деталі машин (включаючи як виготовлені, так і придбані компоненти), складання граніту, а також витрати на оплату праці та накладні витрати.

Деталі машин

Рішення IGM пропонує значну економію порівняно з рішенням «сцена на граніті» з точки зору деталей машин. Це головним чином пов'язано з відсутністю в IGM складно оброблених основ сцени по осях Y та X, що додає складності та вартості рішенням «сцена на граніті». Крім того, економію коштів можна пояснити відносним спрощенням інших оброблених деталей у рішенні IGM, таких як рухомі каретки, які можуть мати простіші характеристики та дещо менші допуски, коли вони розроблені для використання в системі IGM.

Гранітні збірки

Хоча збірки гранітної основи-підйомника-містка як у системах IGM, так і в системах «сцена на граніті», здається, мають подібний форм-фактор та зовнішній вигляд, гранітна збірка IGM дещо дорожча. Це пояснюється тим, що граніт у рішенні IGM замінює оброблені основи сцени в рішенні «сцена на граніті», що вимагає від граніту загалом жорсткіших допусків у критичних зонах і навіть додаткових елементів, таких як екструдовані вирізи та/або різьбові сталеві вставки, наприклад. Однак у нашому випадку додаткова складність гранітної конструкції більш ніж компенсується спрощенням деталей машини.

Трудові витрати та накладні витрати

Через багато подібностей у складанні та тестуванні систем IGM та сцени на граніті, немає суттєвої різниці у витратах на оплату праці та накладні витрати.

Якщо врахувати всі ці фактори вартості, то конкретне рішення з вбудовуванням граніту з механічними підшипниками, розглянуте в цьому дослідженні, є приблизно на 15% дешевшим, ніж рішення з механічними підшипниками та сценою на граніті.

Звичайно, результати економічного аналізу залежать не лише від таких характеристик, як довжина переміщення, точність та вантажопідйомність, але й від таких факторів, як вибір постачальника граніту. Крім того, доцільно враховувати витрати на доставку та логістику, пов'язані з придбанням гранітної конструкції. Це особливо корисно для дуже великих гранітних систем, хоча це стосується всіх розмірів, вибір кваліфікованого постачальника граніту, розташованого поблизу місця остаточного складання системи, також може допомогти мінімізувати витрати.

Слід також зазначити, що цей аналіз не враховує витрати після впровадження. Наприклад, припустимо, що виникає необхідність обслуговувати систему руху шляхом ремонту або заміни осі руху. Систему «сцена на граніті» можна обслуговувати, просто знімаючи та ремонтуючи/замінюючи пошкоджену вісь. Завдяки більш модульній конструкції сцени, це можна зробити відносно легко та швидко, незважаючи на вищу початкову вартість системи. Хоча системи IGM, як правило, можна придбати за нижчою ціною, ніж їхні аналоги «сцена на граніті», їх може бути складніше розбирати та обслуговувати через інтегрований характер конструкції.

Висновок

Зрозуміло, що кожен тип конструкції рухомої платформи — сцена на граніті та IGM — може пропонувати різні переваги. Однак не завжди очевидно, який вибір є найкращим для конкретного застосування руху. Тому дуже корисно співпрацювати з досвідченим постачальником систем руху та автоматизації, таким як Aerotech, який пропонує чітко орієнтований на застосування консультативний підхід для дослідження та надання цінної інформації про альтернативні рішення для складних застосувань керування рухом та автоматизації. Розуміння не лише різниці між цими двома різновидами рішень для автоматизації, але й фундаментальних аспектів проблем, які вони повинні вирішувати, є основним ключем до успіху у виборі системи руху, яка відповідає як технічним, так і фінансовим цілям проекту.

Від АЕРОТЕХ.