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 eneste applikasjon har sitt eget unike sett med krav som må forstås og prioriteres for å kunne finne en effektiv løsning når det gjelder en bevegelsesplattform.

En av de mer utbredte løsningene innebærer å montere diskrete posisjoneringstrinn på en granittstruktur. En annen vanlig løsning integrerer komponentene som utgjør bevegelsesaksene direkte i selve granitten. Å velge mellom en trinn-på-granitt og en integrert granittbevegelsesplattform (IGM) er en av de tidligste avgjørelsene som må tas i utvelgelsesprosessen. Det er klare forskjeller mellom begge løsningstypene, og selvfølgelig har hver 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 casestudie med mekaniske lagre.

Bakgrunn

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

• Mekanisk lager, trinnvis på granitt
• Mekanisk lager, IGM

I begge tilfeller består hvert system av tre bevegelsesakser. Y-aksen har 1000 mm vandring og er plassert på bunnen av granittstrukturen. X-aksen, som er plassert på broen i konstruksjonen med 400 mm vandring, bærer den vertikale Z-aksen med 100 mm vandring. Dette arrangementet er representert piktografisk.

For scene-på-granitt-designet valgte vi en PRO560LM bredkroppsscene for Y-aksen på grunn av dens større lastekapasitet, vanlig for mange bevegelsesapplikasjoner som bruker denne "Y/XZ delte bro"-anordningen. For X-aksen valgte vi en PRO280LM, som ofte brukes som en broakse i mange applikasjoner. PRO280LM tilbyr en praktisk balanse mellom fotavtrykket og dens evne til å bære en Z-akse med en kundenyttelast.

For IGM-designene gjenskapte vi de grunnleggende designkonseptene og layoutene til øksene ovenfor, med den primære forskjellen at IGM-øksene er bygget direkte inn i granittstrukturen, og derfor mangler de maskinerte komponentbasene som finnes i scene-on-granitt-designene.

Felles for begge designtilfellene er Z-aksen, som ble valgt som et PRO190SL kuleskruedrevet trinn. 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 trinn-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 tradisjonelle scene-på-granitt-design. Som et resultat er det en rekke tekniske egenskaper til felles mellom IGM-systemer og scene-på-granitt-systemer. Omvendt gir integrering av bevegelsesaksene direkte i granittstrukturen flere særegne 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 egenskaper og toleranser mellom trinn-på-granitt- og IGM-design, er de generelle dimensjonene til granittbasen, stigerørene og broen likeverdige. Dette er først og fremst fordi de nominelle og grensemessige vandringene er identiske mellom trinn-på-granitt og IGM.

Konstruksjon

Mangelen på aksebaser med maskinerte komponenter i IGM-designet gir visse fordeler i forhold til trinn-på-granitt-løsninger. Spesielt bidrar reduksjonen av komponenter i IGMs strukturelle sløyfe til å øke den totale aksestivheten. Det gir også en kortere avstand mellom granittbasen og vognens øvre overflate. I denne spesifikke casestudien tilbyr IGM-designet en 33 % lavere arbeidsflatehøyde (80 mm sammenlignet med 120 mm). Ikke bare gir 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 ytelse for posisjonering av arbeidspunktet.

Aksekomponenter

Ved nærmere ettersyn av designet deler stage-on-granite- og IGM-løsningene noen viktige komponenter, som lineære motorer og posisjonskodere. Felles valg av kraftgiver og magnetspor fører til likeverdige kraftutgangsegenskaper. På samme måte gir bruk av de samme koderne i begge designene identisk fin oppløsning for posisjoneringsfeedback. Som et resultat er den lineære nøyaktigheten og repeterbarhetsytelsen ikke vesentlig forskjellig mellom stage-on-granite- og IGM-løsningene. 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 designenes støtteelementer, inkludert kabelhåndtering, elektriske begrensninger og hardstoppere, fundamentalt identiske i funksjon, selv om de kan variere noe i fysisk utseende.

Lagre

For denne spesifikke designen er en av de mest bemerkelsesverdige forskjellene valget av lineære føringslager. Selv om resirkulerende kulelager brukes i både trinn-på-granitt- og IGM-systemer, gjør IGM-systemet det mulig å innlemme større, stivere lagre i designen uten å øke aksens arbeidshøyde. Fordi IGM-designen er avhengig av granitt som base, i motsetning til en separat base med maskinerte komponenter, er det mulig å gjenvinne noe av den vertikale plassen som ellers ville blitt forbrukt av en maskinert base, og i hovedsak fylle dette rommet med større lagre samtidig som den totale vognhøyden over granitten reduseres.

Stivhet

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

Lastekapasitet

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

Bevegelig masse

Selv om de større lagrene i IGM-aksene med mekaniske lagre gir bedre vinkelytelsesegenskaper og større lastekapasitet, kommer de også med større, tyngre vogner. I tillegg er IGM-vognene utformet slik at visse maskinerte funksjoner som er nødvendige for en trinnvis granittakse (men ikke påkrevd av en IGM-akse) fjernes for å øke delenes stivhet og forenkle produksjonen. Disse faktorene betyr at IGM-aksen har en større bevegelig masse enn en tilsvarende trinnvis granittakse. En udiskutabel ulempe er at IGM-ens maksimale akselerasjon er lavere, forutsatt at motorkraftutgangen er uendret. Likevel kan en større bevegelig masse i visse situasjoner være fordelaktig fra perspektivet at dens større treghet kan gi større motstand mot forstyrrelser, noe som kan korreleres med økt stabilitet i posisjon.

Strukturell dynamikk

IGM-systemets høyere lagerstivhet og stivere vogn gir ytterligere fordeler som er tydelige etter bruk av en programvarepakke for endelig elementanalyse (FEA) 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-on-granite, kan delvis tilskrives den stivere vogn- og lagerkonstruksjonen. En høyere vognresonans gjør det mulig å ha en større servobåndbredde og dermed forbedret dynamisk ytelse.

Driftsmiljø

Akseltetting er nesten alltid obligatorisk når forurensninger er tilstede, enten generert gjennom brukerens prosess eller på annen måte finnes i maskinens miljø. Trinn-på-granitt-løsninger er spesielt egnet i disse situasjonene på grunn av aksens iboende lukkede natur. PRO-seriens lineære trinn er for eksempel utstyrt med harddeksel og sidetetninger som beskytter de interne trinnkomponentene mot forurensning i rimelig grad. Disse trinnene kan også konfigureres med valgfrie bordviskere for å feie rusk av det øverste harddekselet mens trinnet beveger seg. På den annen side er IGM-bevegelsesplattformer iboende åpne, med lagre, motorer og kodere eksponert. 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 belglignende veideksel 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 sitt bevegelsesområde.

Vedlikehold

Servicevennlighet er en forskjell mellom trinn-på-granitt og IGM-bevegelsesplattformer. Lineære motorakser er velkjente for sin robusthet, men noen ganger blir det nødvendig å utføre vedlikehold. Enkelte vedlikeholdsoperasjoner er relativt enkle og kan utføres uten å fjerne eller demontere den aktuelle aksen, men noen ganger kreves en mer grundig demontering. Når bevegelsesplattformen består av separate trinn montert på granitt, er service en rimelig enkel oppgave. Først demonterer du trinnet fra granitten, deretter utfører du nødvendig vedlikeholdsarbeid og monterer det på nytt. Eller du kan ganske enkelt erstatte det med et nytt trinn.

IGM-løsninger kan til tider være mer utfordrende når man utfører vedlikehold. Selv om det er veldig enkelt å bytte ut et enkelt magnetspor på den lineære motoren i dette tilfellet, innebærer mer komplisert vedlikehold og reparasjoner ofte fullstendig demontering av mange eller alle komponentene som utgjør aksen, noe som er mer tidkrevende når komponentene er montert 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 separate trinn.

Tabell 1. En oppsummering av de grunnleggende tekniske forskjellene mellom mekaniske lagrede trinn-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 egenskaper, tyder de relative sammenligningene av analoge IGM- og scene-on-granitt-bevegelsessystemer som ble utført i denne studien, på at IGM-løsninger er i stand til å tilby bevegelse med middels til høy presisjon til moderat lavere kostnader enn deres scene-on-granitt-motparter.

Vår økonomiske studie består av tre grunnleggende kostnadskomponenter: maskindeler (inkludert både produserte deler og innkjøpte komponenter), granittmontering og arbeidskraft og indirekte kostnader.

Maskindeler

En IGM-løsning gir betydelige besparelser sammenlignet med en trinn-på-granitt-løsning når det gjelder maskindeler. Dette skyldes først og fremst IGMs mangel på intrikat maskinerte trinnbaser på Y- og X-aksene, noe som øker kompleksiteten og kostnadene for trinn-på-granitt-løsningene. Videre kan kostnadsbesparelsene tilskrives den relative forenklingen av andre maskinerte deler på IGM-løsningen, for eksempel de bevegelige vognene, som kan ha enklere funksjoner og noe mer avslappede toleranser når de er designet for bruk i et IGM-system.

Granittmonteringer

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

Arbeidskraft og overheadkostnader

På grunn av de mange likhetene i montering og testing av både IGM- og stage-on-granite-systemene, er det ikke en betydelig forskjell i arbeids- og indirekte kostnader.

Når alle disse kostnadsfaktorene kombineres, er den spesifikke IGM-løsningen med mekaniske lager som er undersøkt i denne studien, omtrent 15 % billigere enn løsningen med mekaniske lager og trinn-på-granitt.

Resultatene av den økonomiske analysen avhenger selvsagt ikke bare av egenskaper som reiselengde, presisjon og lastekapasitet, men også av faktorer som valg av granittleverandør. I tillegg er det lurt å vurdere frakt- og logistikkkostnadene forbundet med anskaffelse av en granittstruktur. Spesielt nyttig for svært store granittsystemer, men gjelder for alle størrelser, kan det å velge en kvalifisert granittleverandør i nærheten av stedet for den endelige systemmonteringen også bidra til å minimere kostnadene.

Det bør også bemerkes at denne analysen ikke tar hensyn til kostnader etter implementering. La oss for eksempel anta at det blir nødvendig å utføre service på bevegelsessystemet ved å reparere eller erstatte en bevegelsesakse. Et trinn-på-granitt-system kan utføres service på ved ganske enkelt å fjerne og reparere/erstatte den berørte aksen. På grunn av den mer modulære trinn-stildesignen kan dette gjøres relativt enkelt og raskt, til tross for den høyere startkostnaden. Selv om IGM-systemer generelt kan fås til en lavere kostnad enn deres trinn-på-granitt-motparter, kan de være mer utfordrende å demontere og utføre service på grunn av konstruksjonens integrerte natur.

Konklusjon

Det er tydelig 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 automatiseringssystemer, som Aerotech, som tilbyr en tydelig applikasjonsfokusert, rådgivende tilnærming for å utforske og gi verdifull innsikt i løsningsalternativer for utfordrende bevegelseskontroll- og automatiseringsapplikasjoner. Å forstå ikke bare forskjellen mellom disse to variantene av automatiseringsløsninger, men også de grunnleggende aspektene ved problemene de må løse, er den underliggende nøkkelen til suksess når man velger et bevegelsessystem som adresserer både de tekniske og økonomiske målene for prosjektet.

Fra AEROTECH.