Forskjellen mellom scene-på-granitt og integrerte granittbevegelsessystemer

Valget av den mest passende granittbaserte lineære bevegelsesplattformen for en gitt applikasjon avhenger av en rekke faktorer og variabler.Det er avgjørende å erkjenne at hver applikasjon har sitt eget unike sett med krav som må forstås og prioriteres for å forfølge en effektiv løsning når det gjelder en bevegelsesplattform.

En av de mer allestedsnærværende løsningene innebærer montering av diskrete posisjoneringstrinn på en granittstruktur.En annen vanlig løsning integrerer komponentene som utgjør bevegelsesaksene direkte i selve granitten.Å velge mellom en scene-på-granitt og en integrert granitt bevegelse (IGM) plattform er en av de tidligere beslutningene som skal tas i utvelgelsesprosessen.Det er klare forskjeller mellom begge løsningstypene, og hver har selvfølgelig sine egne fordeler - og forbehold - som må forstås og vurderes nøye.

For å gi bedre innsikt i denne beslutningsprosessen, evaluerer vi forskjellene mellom to grunnleggende lineære bevegelsesplattformdesign - en tradisjonell scene-på-granitt-løsning og en IGM-løsning - fra både tekniske og økonomiske perspektiver i form av en mekanisk- peiling casestudie.

Bakgrunn

For å utforske likhetene og forskjellene mellom IGM-systemer og tradisjonelle scene-på-granitt-systemer, genererte vi to testcase-design:

• Mekanisk lager, scene-på-granitt
• Mekanisk lager, IGM

I begge tilfeller består hvert system av tre bevegelsesakser.Y-aksen tilbyr 1000 mm vandring og er plassert på bunnen av granittstrukturen.X-aksen, plassert på broen til sammenstillingen med 400 mm vandring, bærer den vertikale Z-aksen med 100 mm vandring.Dette arrangementet er representert pikografisk.

For scene-på-granitt-designet valgte vi en PRO560LM bredkroppsscene for Y-aksen på grunn av dens større lastbærende kapasitet, vanlig for mange bevegelsesapplikasjoner som bruker dette "Y/XZ split-bridge"-arrangementet.For X-aksen valgte vi en PRO280LM, som ofte brukes som broakse i mange applikasjoner.PRO280LM tilbyr en praktisk balanse mellom fotavtrykket og dens evne til å bære en Z-akse med en kundelast.

For IGM-designene replikerte vi de grunnleggende designkonseptene og oppsettene til de ovennevnte aksene, med den primære forskjellen at IGM-aksene er bygget direkte inn i granittstrukturen, og derfor mangler de maskinerte komponentbasene som er tilstede i scene-on -granittdesign.

Felles i begge designtilfellene er Z-aksen, som ble valgt til å være en PRO190SL kuleskrudrevet scene.Dette er en veldig populær akse å bruke i vertikal orientering på en bro på grunn av dens generøse nyttelastkapasitet og relativt kompakte formfaktor.

Figur 2 illustrerer de spesifikke scene-på-granitt- og IGM-systemene som er studert.

Teknisk sammenligning

IGM-systemer er designet ved hjelp av en rekke teknikker og komponenter som ligner på de som finnes i tradisjonell scene-på-granitt-design.Som et resultat er det mange tekniske egenskaper til felles mellom IGM-systemer og scene-på-granitt-systemer.Omvendt gir integrering av bevegelsesaksene direkte inn i granittstrukturen flere karakteristiske egenskaper som skiller IGM-systemer fra scene-på-granitt-systemer.

Formfaktor

Den kanskje mest åpenbare likheten begynner med maskinens fundament - granitten.Selv om det er forskjeller i funksjonene og toleransene mellom scene-på-granitt- og IGM-design, er de totale dimensjonene til granittbasen, stigerørene og broen likeverdige.Dette er først og fremst fordi de nominelle og grensevandringene er identiske mellom scene-på-granitt og IGM.

Konstruksjon

Mangelen på maskinerte komponentaksebaser i IGM-designet gir visse fordeler fremfor scene-på-granitt-løsninger.Spesielt bidrar reduksjonen av komponenter i IGMs strukturelle sløyfe til å øke den totale aksestivheten.Det tillater også en kortere avstand mellom granittbasen og toppflaten på vognen.I denne spesielle casestudien tilbyr IGM-designen en 33 % lavere arbeidsflatehøyde (80 mm sammenlignet med 120 mm).Ikke bare tillater denne mindre arbeidshøyden en mer kompakt design, men den reduserer også maskinforskyvningene fra motoren og koderen til arbeidspunktet, noe som resulterer i reduserte Abbe-feil og dermed forbedret arbeidspunktposisjoneringsytelse.

Aksekomponenter

Ser vi dypere inn i designet, deler scene-på-granitt- og IGM-løsningene noen nøkkelkomponenter, for eksempel lineære motorer og posisjonskodere.Felles kraft- og magnetsporvalg fører til tilsvarende kraftutgangsevner.På samme måte gir bruk av samme kodere i begge design identisk fin oppløsning for posisjoneringsfeedback.Som et resultat er den lineære nøyaktigheten og repeterbarhetsytelsen ikke signifikant forskjellig mellom scene-på-granitt og IGM-løsninger.Lignende komponentoppsett, inkludert lagerseparasjon og toleranse, fører til sammenlignbar ytelse når det gjelder geometriske feilbevegelser (dvs. horisontal og vertikal retthet, stigning, rulling og giring).Til slutt er begge designs støtteelementer, inkludert kabelhåndtering, elektriske grenser og hardstops, fundamentalt identiske i funksjon, selv om de kan variere noe i fysisk utseende.

Kulelager

For denne spesielle utformingen er en av de mest bemerkelsesverdige forskjellene valget av lineære styrelagre.Selv om resirkulerende kulelager brukes i både scene-on-granitt og IGM-systemer, gjør IGM-systemet det mulig å inkorporere større, stivere lagre i designet uten å øke aksens arbeidshøyde.Fordi IGM-designen er avhengig av granitten som base, i motsetning til en separat maskinert komponentbase, er det mulig å gjenvinne noe av den vertikale eiendommen som ellers ville blitt konsumert av en maskinert base, og i hovedsak fylle denne plassen med større lagre samtidig som den reduserer den totale vognhøyden over granitten.

Stivhet

Bruken av større lagre i IGM-designet har en dyp innvirkning på vinkelstivheten.Når det gjelder den nedre aksen med bred kropp (Y), tilbyr IGM-løsningen over 40 % større rullestivhet, 30 % større stigningsstivhet og 20 % større girstivhet enn en tilsvarende scene-på-granitt-design.På samme måte tilbyr IGM-broen en firedobling i rullestivhet, dobbel stigningsstivhet og mer enn 30 % større girstivhet enn motstykket i scene-på-granitt.Høyere vinkelstivhet er fordelaktig fordi det direkte bidrar til forbedret dynamisk ytelse, som er nøkkelen til å muliggjøre høyere maskingjennomstrømning.

Vektgrense

IGM-løsningens større lagre gir en betydelig høyere nyttelastkapasitet enn en scene-på-granitt-løsning.Selv om PRO560LM-basisaksen til scene-på-granitt-løsningen har en lastekapasitet på 150 kg, kan den tilsvarende IGM-løsningen romme en nyttelast på 300 kg.Tilsvarende støtter scene-på-granittens PRO280LM-broakse 150 kg, mens IGM-løsningens broakse kan bære opptil 200 kg.

Flyttemesse

Mens de større lagrene i de mekanisk lagrede IGM-aksene gir bedre vinkelytelsesegenskaper og større lastbærende kapasitet, kommer de også med større, tyngre lastebiler.I tillegg er IGM-vognene utformet slik at visse maskinerte funksjoner som er nødvendige for en scene-på-granitt-akse (men ikke kreves av en IGM-akse) fjernes for å øke delens stivhet og forenkle produksjonen.Disse faktorene gjør at IGM-aksen har en større bevegelig masse enn en tilsvarende scene-på-granitt-akse.En ubestridelig ulempe er at IGMs maksimale akselerasjon er lavere, forutsatt at motorkraftutgangen er uendret.Likevel, i visse situasjoner, kan en større bevegelig masse være fordelaktig fra perspektivet at dens større treghet kan gi større motstand mot forstyrrelser, noe som kan korrelere med økt stabilitet i posisjon.

Strukturell dynamikk

IGM-systemets høyere lagerstivhet og mer stive vogn gir ekstra fordeler som er tydelige etter bruk av en finite-element analyse (FEA) programvarepakke for å utføre en modal analyse.I denne studien undersøkte vi den første resonansen til den bevegelige vognen på grunn av dens effekt på servobåndbredden.PRO560LM-vognen møter en resonans ved 400 Hz, mens den tilsvarende IGM-vognen opplever samme modus ved 430 Hz.Figur 3 illustrerer dette resultatet.

Den høyere resonansen til IGM-løsningen, sammenlignet med tradisjonell scene-på-granitt, kan delvis tilskrives den stivere vogn- og lagerdesignen.En høyere vognresonans gjør det mulig å ha en større servobåndbredde og dermed forbedret dynamisk ytelse.

Driftsmiljø

Akseforsegling er nesten alltid obligatorisk når forurensninger er tilstede, enten de genereres gjennom brukerens prosess eller på annen måte eksisterer i maskinens miljø.Stage-on-granitt-løsninger er spesielt egnet i disse situasjonene på grunn av aksens iboende lukkede natur.PRO-seriens lineære scener, for eksempel, er utstyrt med hardcover og sideforseglinger som beskytter de interne scenekomponentene mot forurensning i en rimelig grad.Disse trinnene kan også konfigureres med valgfrie bordviskere for å feie rusk av det øvre innbundne omslaget når scenen går.På den annen side er IGM-bevegelsesplattformer iboende åpne i naturen, med lagrene, motorene og koderne synlige.Selv om det ikke er et problem i renere miljøer, kan dette være problematisk når forurensning er tilstede.Det er mulig å løse dette problemet ved å innlemme et spesielt veideksel i belgstil i en IGM-aksedesign for å gi beskyttelse mot rusk.Men hvis den ikke implementeres riktig, kan belgen påvirke aksens bevegelse negativt ved å påføre eksterne krefter på vognen når den beveger seg gjennom hele bevegelsesområdet.

Vedlikehold

Servicevennlighet er en forskjell mellom scene-på-granitt og IGM bevegelsesplattformer.Lineærmotorakser er kjent for sin robusthet, men noen ganger blir det nødvendig å utføre vedlikehold.Visse vedlikeholdsoperasjoner er relativt enkle og kan utføres uten å fjerne eller demontere den aktuelle aksen, men noen ganger er det nødvendig med en mer grundig nedbygging.Når bevegelsesplattformen består av diskrete trinn montert på granitt, er service en rimelig grei oppgave.Demonter først scenen fra granitten, utfør deretter nødvendig vedlikeholdsarbeid og monter den på nytt.Eller bare erstatte den med en ny scene.

IGM-løsninger kan til tider være mer utfordrende når det skal utføres vedlikehold.Selv om det i dette tilfellet er veldig enkelt å erstatte et enkelt magnetspor på den lineære motoren, innebærer mer komplisert vedlikehold og reparasjoner ofte fullstendig demontering av mange eller alle komponentene som utgjør aksen, noe som er mer tidkrevende når komponenter monteres direkte på granitt.Det er også vanskeligere å justere de granittbaserte aksene til hverandre etter å ha utført vedlikehold - en oppgave som er betydelig enklere med diskrete trinn.

Tabell 1. En oppsummering av de grunnleggende tekniske forskjellene mellom mekanisk bærende scene-på-granitt og IGM-løsninger.

Økonomisk sammenligning

Selv om den absolutte kostnaden for ethvert bevegelsessystem vil variere basert på flere faktorer, inkludert bevegelseslengde, aksepresisjon, lastekapasitet og dynamiske evner, antyder de relative sammenligningene av analoge IGM- og scene-på-granitt-bevegelsessystemer utført i denne studien at IGM-løsninger er i stand til å tilby middels til høy presisjonsbevegelse til moderat lavere kostnader enn sine scene-på-granitt-motstykker.

Vår økonomiske studie består av tre grunnleggende kostnadskomponenter: maskindeler (inkludert både produserte deler og innkjøpte komponenter), granittmontasjen og arbeid og overhead.

Maskindeler

En IGM-løsning gir bemerkelsesverdige besparelser i forhold til en scene-på-granitt-løsning når det gjelder maskindeler.Dette er først og fremst på grunn av IGMs mangel på intrikat maskinerte scenebaser på Y- og X-aksene, som tilfører kompleksitet og kostnad til scene-på-granitt-løsningene.Videre kan kostnadsbesparelser tilskrives den relative forenklingen av andre maskinerte deler på IGM-løsningen, slik som bevegelige vogner, som kan ha enklere funksjoner og noe mer avslappede toleranser når de er designet for bruk i et IGM-system.

Granitt monteringer

Selv om granittbase-stigerør-bro-sammenstillingene i både IGM- og scene-on-granitt-systemene ser ut til å ha en lignende formfaktor og utseende, er IGM-granittenheten marginalt dyrere.Dette er fordi granitten i IGM-løsningen tar plassen til de maskinerte scenebasene i scene-på-granitt-løsningen, som krever at granitten har generelt strammere toleranser i kritiske områder, og til og med tilleggsfunksjoner, som ekstruderte kutt og/ eller gjengede stålinnsatser, for eksempel.I vår casestudie blir imidlertid den ekstra kompleksiteten til granittstrukturen mer enn oppveid av forenklingen i maskindeler.

Arbeid og overhead

På grunn av de mange likhetene i montering og testing av både IGM og scene-på-granitt-systemer, er det ikke en betydelig forskjell i arbeids- og overheadkostnader.

Når alle disse kostnadsfaktorene er kombinert, er den spesifikke mekanisk-bærende IGM-løsningen som ble undersøkt i denne studien omtrent 15 % mindre kostbar enn den mekanisk-bærende, scene-på-granitt-løsningen.

Resultatene av den økonomiske analysen avhenger selvfølgelig ikke bare av attributter som reiselengde, presisjon og lastekapasitet, men også av faktorer som valg av granittleverandør.I tillegg er det fornuftig å vurdere frakt- og logistikkkostnadene forbundet med å anskaffe en granittstruktur.Spesielt nyttig for svært store granittsystemer, selv om det er sant for alle størrelser, kan det å velge en kvalifisert granittleverandør i nærheten av plasseringen av den endelige systemmonteringen bidra til å minimere kostnadene også.

Det skal også bemerkes at denne analysen ikke tar hensyn til kostnader etter implementering.Anta for eksempel at det blir nødvendig å utføre service på bevegelsessystemet ved å reparere eller erstatte en bevegelsesakse.Et scene-på-granitt-system kan betjenes ved ganske enkelt å fjerne og reparere/erstatte den berørte aksen.På grunn av den mer modulære scenedesignen, kan dette gjøres med relativ letthet og hastighet, til tross for de høyere innledende systemkostnadene.Selv om IGM-systemer generelt kan fås til en lavere pris enn deres scene-på-granitt-motstykker, kan de være mer utfordrende å demontere og vedlikeholde på grunn av den integrerte konstruksjonen.

Konklusjon

Det er klart at hver type bevegelsesplattformdesign – scene-på-granitt og IGM – kan tilby forskjellige fordeler.Det er imidlertid ikke alltid åpenbart hva som er det mest ideelle valget for en bestemt bevegelsesapplikasjon.Derfor er det svært fordelaktig å samarbeide med en erfaren leverandør av bevegelses- og automasjonssystemer, som Aerotech, som tilbyr en utpreget applikasjonsfokusert, rådgivende tilnærming for å utforske og gi verdifull innsikt i løsningsalternativer til utfordrende bevegelseskontroll- og automatiseringsapplikasjoner.Å forstå ikke bare forskjellen mellom disse to variantene av automatiseringsløsninger, men også de grunnleggende aspektene ved problemene de er pålagt å løse, er den underliggende nøkkelen til suksess i å velge et bevegelsessystem som adresserer både de tekniske og økonomiske målene for prosjektet.

Fra AEROTECH.