Різниця між системами Stage-on-Granite та Integrated Granite Motion Systems

Вибір найбільш підходящої лінійної платформи на основі граніту для конкретного застосування залежить від безлічі факторів і змінних.Важливо розуміти, що кожна програма має власний унікальний набір вимог, які необхідно розуміти та розставляти за пріоритетами, щоб знайти ефективне рішення щодо платформи руху.

Одне з найбільш поширених рішень передбачає встановлення окремих ступенів позиціонування на гранітну конструкцію.Інше поширене рішення інтегрує компоненти, які складають осі руху, безпосередньо в сам граніт.Вибір між платформою «Stage-on-Granite» і платформою Integrated-Granite Motion (IGM) є одним із попередніх рішень, які необхідно прийняти в процесі відбору.Існують чіткі відмінності між обома типами рішень, і, звичайно, кожен має свої переваги — і застереження — які потрібно ретельно зрозуміти та розглянути.

Щоб запропонувати краще розуміння цього процесу прийняття рішень, ми оцінюємо відмінності між двома фундаментальними конструкціями платформи лінійного руху — традиційним рішенням на сцені на граніті та рішенням IGM — як з технічної, так і з фінансової точок зору у формі механічного приклад підшипника.

Фон

Щоб дослідити схожість і відмінності між системами IGM і традиційними системами сцени на граніті, ми створили два тестових дизайни:

• Механічний підшипник, ступінь на граніті
• Механічний підшипник, IGM

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

Для дизайну сцени на граніті ми вибрали ширококорпусну сцену PRO560LM для осі Y через її більшу вантажопідйомність, типову для багатьох додатків руху, в яких використовується таке розташування «роздільного мосту Y/XZ».Для осі X ми вибрали PRO280LM, який зазвичай використовується як вісь мосту в багатьох додатках.PRO280LM пропонує практичний баланс між площею та здатністю перевозити вісь Z із корисним навантаженням клієнта.

Для конструкцій IGM ми точно відтворили фундаментальні концепції дизайну та компонування вищевказаних осей, з основною відмінністю в тому, що осі IGM вбудовані безпосередньо в гранітну конструкцію, і тому їм не вистачає оброблених компонентів основи, присутніх у сцені. -гранітні конструкції.

Спільним для обох варіантів конструкції є вісь Z, яка була обрана як ступінь PRO190SL з кульковим гвинтом.Це дуже популярна вісь для використання у вертикальній орієнтації на мосту через його велику вантажопідйомність і відносно компактний форм-фактор.

Рисунок 2 ілюструє конкретні вивчені системи «ступень-на-граніті» та IGM.

Технічне порівняння

Системи IGM розроблені з використанням різних методів і компонентів, подібних до тих, які є в традиційних конструкціях сцени на граніті.Як наслідок, існує багато спільних технічних характеристик між системами IGM і системами сцени на граніті.І навпаки, інтеграція осей руху безпосередньо в гранітну структуру пропонує кілька відмінних характеристик, які відрізняють системи IGM від систем сцени на граніті.

Форм-фактор

Мабуть, найбільш очевидна подібність починається з основи машини — граніту.Незважаючи на відмінності в характеристиках і допусках між гранітними конструкціями та конструкціями IGM, загальні розміри гранітної основи, стояків і моста еквівалентні.Насамперед це пов’язано з тим, що номінальний і граничний шляхи є ідентичними для столика на граніті та IGM.

Будівництво

Відсутність осьових баз із механічно оброблених компонентів у конструкції IGM забезпечує певні переваги перед рішеннями зі сцени на граніті.Зокрема, зменшення компонентів у структурній петлі IGM допомагає збільшити загальну жорсткість осі.Це також дозволяє скоротити відстань між гранітною основою та верхньою поверхнею каретки.У цьому конкретному прикладі дизайн 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 також зменшує зміщення машини від двигуна та кодера до робочої точки, що призводить до зменшення помилок Аббе та, отже, покращення продуктивності позиціонування робочої точки.

Компоненти осі

Якщо дивитися глибше на дизайн, то рішення «Stage-on-Granite» і «IGM» мають спільні ключові компоненти, такі як лінійні двигуни та датчики положення.Загальний вибір форсера та магнітної доріжки забезпечує еквівалентну вихідну силу.Подібним чином використання однакових кодерів в обох конструкціях забезпечує однаково високу роздільну здатність для зворотного зв’язку позиціонування.Як наслідок, лінійна точність і повторюваність не мають суттєвих відмінностей між рішеннями на сцені на граніті та IGM.Подібне розташування компонентів, включаючи розділення підшипників і допуски, призводить до порівнянної продуктивності з точки зору геометричних помилок рухів (тобто горизонтальна і вертикальна прямолінійність, тангаж, крен і поворот).Нарешті, допоміжні елементи обох конструкцій, включаючи організацію кабелів, електричні обмеження та жорсткі стопори, принципово ідентичні за функціями, 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 «Stage-on-Granite», так і в системах IGM, система IGM дає змогу включати в конструкцію більші, жорсткіші підшипники без збільшення робочої висоти осі.Оскільки конструкція IGM покладається на граніт як основу, на відміну від окремої основи з механічно оброблених компонентів, можна повернути частину вертикальної нерухомості, яка в іншому випадку була б використана обробленою основою, і по суті заповнити цей простір більшими підшипники, при цьому зменшуючи загальну висоту вагона над гранітом.

Жорсткість

Використання більших підшипників у конструкції IGM сильно впливає на кутову жорсткість.У випадку нижньої осі широкого корпусу (Y) рішення IGM забезпечує більш ніж на 40% більшу жорсткість на крені, на 30% більшу жорсткість по нахилу та на 20% більшу жорсткість на повороті, ніж відповідна гранітна конструкція.Подібним чином бридж IGM забезпечує чотириразове збільшення жорсткості по крену, подвійну жорсткість по нахилу та більш ніж на 30% більшу жорсткість щодо повороту, ніж його колега зі сцени на граніті.Вища кутова жорсткість є перевагою, оскільки вона безпосередньо сприяє покращенню динамічних характеристик, що є ключовим для забезпечення більшої продуктивності машини.

Вантажопідйомність

Великі підшипники рішення IGM забезпечують значно вищу вантажопідйомність, ніж рішення зі сцени на граніті.Незважаючи на те, що базова вісь PRO560LM рішення сцени на граніті має вантажопідйомність 150 кг, відповідне рішення IGM може вмістити корисне навантаження 300 кг.Подібним чином вісь мосту PRO280LM від сцени на граніті витримує 150 кг, тоді як вісь мосту рішення IGM може витримувати до 200 кг.

Рухома маса

Хоча більші підшипники в осях IGM з механічними підшипниками пропонують кращі кутові характеристики та більшу вантажопідйомність, вони також постачаються з більшими та важчими вантажівками.Крім того, каретки IGM сконструйовані таким чином, що певні оброблені елементи, необхідні для осі столика на граніті (але не потрібні для осі IGM), видаляються, щоб збільшити жорсткість деталей і спростити виробництво.Ці фактори означають, що вісь IGM має більшу рухому масу, ніж відповідна вісь столика на граніті.Беззаперечним недоліком є ​​те, що максимальне прискорення IGM менше, припускаючи, 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 перешкодам, що може корелювати з підвищеною стабільністю в положенні.

Структурна динаміка

Вища жорсткість підшипників системи IGM і більш жорстка каретка забезпечують додаткові переваги, які стають очевидними після використання програмного пакета аналізу кінцевих елементів (FEA) для виконання модального аналізу.У цьому дослідженні ми досліджували перший резонанс рухомої каретки через його вплив на смугу пропускання сервоприводу.Каретка PRO560LM стикається з резонансом при 400 Гц, тоді як відповідна каретка IGM відчуває той самий режим при 430 Гц.Малюнок 3 ілюструє цей результат.

Вищий резонанс рішення IGM у порівнянні з традиційною сценою на граніті можна частково пояснити більш жорсткою конструкцією каретки та підшипника.Вищий резонанс каретки дає змогу мати більшу смугу частот сервоприводу та, отже, покращити динамічні характеристики.

Операційне середовище

Можливість герметизації осі є майже завжди обов’язковою, якщо присутні забруднювачі, незалежно від того, чи утворюються в процесі користувача, чи іншим чином існують у середовищі машини.Рішення «Сцена на граніті» особливо підходять у таких ситуаціях через закриту природу осі.Лінійні сцени серії PRO, наприклад, оснащені твердою обкладинкою та бічними ущільненнями, які захищають внутрішні компоненти сцени від забруднення в розумній мірі.Ці ступені також можуть бути налаштовані з додатковими настільними очисниками, щоб змітати сміття з верхньої твердої обкладинки під час переміщення сцени.З іншого боку, платформи руху IGM за своєю природою є відкритими, з відкритими підшипниками, двигунами та кодерами.Хоча це не є проблемою в більш чистих середовищах, це може бути проблемою, якщо присутні забруднення.Цю проблему можна вирішити, включивши в конструкцію осі IGM спеціальний сильфонний кожух для захисту від уламків.Але якщо його не встановити належним чином, сильфон може негативно вплинути на рух осі, надаючи зовнішні сили на каретку, коли вона рухається через повний діапазон ходу.

Технічне обслуговування

Зручність в обслуговуванні є відмінною рисою між платформами «Stage-on-Granite» і IGM motion platform.Осі з лінійним двигуном добре відомі своєю міцністю, але інколи виникає необхідність виконувати технічне обслуговування.Певні операції з технічного обслуговування є відносно простими і можуть бути виконані без видалення або розбирання відповідної осі, але іноді потрібне більш ретельне розбирання.Коли платформа руху складається з окремих ступенів, встановлених на граніті, обслуговування є досить простим завданням.Спочатку демонтуйте сцену з граніту, потім виконайте необхідні роботи з технічного обслуговування та знову змонтуйте її.Або просто замініть його на новий рівень.

Рішення IGM іноді можуть бути більш складними під час виконання технічного обслуговування.Хоча в цьому випадку заміна однієї магнітної доріжки лінійного двигуна дуже проста, більш складне технічне обслуговування та ремонт часто передбачає повне розбирання багатьох або всіх компонентів осі, що займає більше часу, коли компоненти монтуються безпосередньо на граніт.Крім того, важче відрегулювати осі на основі граніту одна до одної після виконання технічного обслуговування — завдання, яке значно простіше з окремими етапами.

Таблиця 1. Короткий опис фундаментальних технічних відмінностей між механічними несучими платформами на граніті та рішеннями IGM.

Економічне порівняння

Незважаючи на те, що абсолютна вартість будь-якої системи руху змінюватиметься залежно від кількох факторів, включаючи довжину ходу, точність осі, вантажопідйомність і динамічні можливості, відносне порівняння аналогічних систем руху IGM і систем переміщення столика на граніті, проведене в цьому дослідженні, свідчить про те, що рішення IGM є здатні запропонувати рух із середньою та високою точністю за помірно нижчу вартість, ніж їхні аналоги зі сцени на граніті.

Наше економічне дослідження складається з трьох основних компонентів вартості: деталей машин (включаючи як виготовлені частини, так і придбані компоненти), збірку граніту, а також робочу силу та накладні витрати.

Частини машини

Рішення IGM пропонує помітну економію в порівнянні з рішенням сцени на граніті з точки зору машинних частин.Насамперед це пов’язано з відсутністю в IGM складно оброблених баз сцени на осях Y і X, що додає складності та коштує рішенням сцени на граніті.Крім того, економію коштів можна пояснити відносним спрощенням інших оброблених частин у системі IGM, таких як рухомі каретки, які можуть мати простіші функції та дещо менші допуски, коли призначені для використання в системі IGM.

Гранітні збірки

Незважаючи на те, що гранітні вузли «основа-підйомник-міст» як у системах IGM, так і в системах «scend-on-granite» мають схожий форм-фактор і зовнішній вигляд, гранітний вузол IGM трохи дорожчий.Це пов’язано з тим, що граніт у рішенні IGM замінює оброблені основи столика в рішенні «сцена на граніті», що вимагає від граніту, як правило, жорсткіших допусків у критичних областях і навіть додаткових функцій, таких як екструдовані надрізи та/ або різьбові сталеві вставки, наприклад.Однак у нашому прикладі додаткова складність гранітної конструкції більш ніж компенсується спрощенням деталей машин.

Праця та накладні витрати

Через багато подібностей у складанні та тестуванні систем IGM і сцени на граніті немає суттєвої різниці у витратах на оплату праці та накладних витратах.

Після об’єднання всіх цих факторів вартості конкретне рішення IGM з механічними підшипниками, розглянуте в цьому дослідженні, буде приблизно на 15% дешевше, ніж рішення з механічними підшипниками, що ґрунтується на граніті.

Звичайно, результати економічного аналізу залежать не лише від таких параметрів, як довжина шляху, точність і вантажопідйомність, а й від таких факторів, як вибір постачальника граніту.Крім того, доцільно враховувати витрати на доставку та логістику, пов’язані з придбанням гранітної конструкції.Особливо корисно для дуже великих гранітних систем, хоча це справедливо для всіх розмірів, вибір кваліфікованого постачальника граніту ближче до 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 «Stage-on-Granite» можна обслуговувати, просто видаливши та відремонтувавши/замінивши пошкоджену вісь.Завдяки більш модульній конструкції сцени це можна зробити з відносною легкістю та швидкістю, незважаючи на вищу початкову вартість системи.Хоча системи IGM загалом можна придбати за нижчою ціною, ніж їхні аналоги зі сцени на граніті, їх може бути складніше розібрати та обслуговувати через інтегровану природу конструкції.

Висновок

Зрозуміло, що кожен тип конструкції рухомої платформи — сцена на граніті та IGM — може запропонувати певні переваги.Однак не завжди очевидно, що є найбільш ідеальним вибором для конкретного застосування руху.Таким чином, дуже вигідно співпрацювати з досвідченим постачальником систем керування рухом і автоматизацією, таким як Aerotech, який пропонує чітко орієнтований на застосування консультаційний підхід для вивчення та надання цінної інформації про рішення, альтернативні складним програмам керування рухом і автоматизації.Розуміння не тільки різниці між цими двома різновидами рішень автоматизації, але й фундаментальних аспектів проблем, які вони повинні вирішити, є основним ключем до успіху у виборі системи руху, яка відповідає як технічним, так і фінансовим цілям проекту.

Від АЕРОТЕХ.