Diferența dintre sistemele Stage-on-Granite și cele integrate pentru mișcarea din granit

Alegerea celei mai potrivite platforme de mișcare liniară pe bază de granit pentru o anumită aplicație depinde de o serie de factori și variabile. Este esențial să recunoaștem că fiecare aplicație are propriul set unic de cerințe care trebuie înțelese și prioritizate pentru a găsi o soluție eficientă în ceea ce privește o platformă de mișcare.

Una dintre soluțiile mai omniprezente implică montarea unor platforme de poziționare discrete pe o structură din granit. O altă soluție comună integrează componentele care alcătuiesc axele de mișcare direct în granitul în sine. Alegerea între o platformă de poziționare pe granit și o platformă de mișcare integrată în granit (IGM) este una dintre primele decizii care trebuie luate în procesul de selecție. Există distincții clare între cele două tipuri de soluții și, bineînțeles, fiecare are propriile merite - și avertismente - care trebuie înțelese și luate în considerare cu atenție.

Pentru a oferi o perspectivă mai bună asupra acestui proces decizional, evaluăm diferențele dintre două modele fundamentale de platforme de mișcare liniară - o soluție tradițională pe scenă de granit și o soluție IGM - atât din punct de vedere tehnic, cât și financiar, sub forma unui studiu de caz privind rulmenții mecanici.

Fundal

Pentru a explora asemănările și diferențele dintre sistemele IGM și sistemele tradiționale de tip scenă pe granit, am generat două modele de caz de testare:

• Rezistență mecanică, scenă pe granit
• Rulment mecanic, IGM

În ambele cazuri, fiecare sistem este alcătuit din trei axe de mișcare. Axa Y oferă o cursă de 1000 mm și este situată pe baza structurii de granit. Axa X, situată pe puntea ansamblului cu o cursă de 400 mm, susține axa Z verticală cu o cursă de 100 mm. Această configurație este reprezentată pictografic.

Pentru designul platformei pe granit, am selectat o platformă PRO560LM cu corp lat pentru axa Y datorită capacității sale mai mari de încărcare, comună pentru multe aplicații de mișcare care utilizează acest aranjament „punte divizată Y/XZ”. Pentru axa X, am ales un PRO280LM, care este utilizat în mod obișnuit ca axă punte în multe aplicații. PRO280LM oferă un echilibru practic între amprenta sa și capacitatea sa de a transporta o axă Z cu o sarcină utilă a clientului.

Pentru proiectele IGM, am reprodus îndeaproape conceptele fundamentale de design și amplasamentele axelor de mai sus, principala diferență fiind că axele IGM sunt încorporate direct în structura de granit și, prin urmare, nu au bazele din componente prelucrate mecanic prezente în proiectele cu scenă pe granit.

În ambele cazuri de proiectare este comună axa Z, care a fost aleasă ca o platformă acționată cu șurub cu bile PRO190SL. Aceasta este o axă foarte populară pentru utilizare în orientare verticală pe un pod datorită capacității sale utile generoase și factorului de formă relativ compact.

Figura 2 ilustrează sistemele specifice de tip etapă pe granit și IGM studiate.

Comparație tehnică

Sistemele IGM sunt proiectate folosind o varietate de tehnici și componente similare cu cele întâlnite în modelele tradiționale de tip scenă pe granit. Prin urmare, există numeroase proprietăți tehnice comune între sistemele IGM și sistemele de tip scenă pe granit. În schimb, integrarea axelor de mișcare direct în structura de granit oferă mai multe caracteristici distinctive care diferențiază sistemele IGM de sistemele de tip scenă pe granit.

Factor de formă

Poate cea mai evidentă asemănare începe cu fundația mașinii - granitul. Deși există diferențe în ceea ce privește caracteristicile și toleranțele între modelele cu platformă pe granit și cele cu IGM, dimensiunile totale ale bazei de granit, ale coloanelor și ale podului sunt echivalente. Acest lucru se datorează în principal faptului că cursele nominale și limită sunt identice între platforma pe granit și IGM.

Construcții

Lipsa bazelor axelor din componente prelucrate mecanic în designul IGM oferă anumite avantaje față de soluțiile cu platformă pe granit. În special, reducerea componentelor din bucla structurală a IGM ajută la creșterea rigidității generale a axei. De asemenea, permite o distanță mai scurtă între baza de granit și suprafața superioară a căruciorului. În acest studiu de caz particular, designul IGM oferă o înălțime a suprafeței de lucru cu 33% mai mică (80 mm comparativ cu 120 mm). Această înălțime de lucru mai mică nu numai că permite un design mai compact, dar reduce și decalajele mașinii de la motor și encoder la punctul de lucru, rezultând erori Abbe reduse și, prin urmare, performanțe îmbunătățite de poziționare a punctului de lucru.

Componente ale axei

O analiză mai profundă a designului, observăm că soluțiile pentru platforma pe granit și IGM au în comun câteva componente cheie, cum ar fi motoarele liniare și encoderele de poziție. Selectarea comună a forțatorului și a șinei magnetice duce la capacități echivalente de ieșire a forței. De asemenea, utilizarea acelorași encodere în ambele modele oferă o rezoluție identică pentru feedback-ul de poziționare. Drept urmare, precizia liniară și performanța de repetabilitate nu sunt semnificativ diferite între soluțiile pentru platforma pe granit și IGM. O dispunere similară a componentelor, inclusiv separarea și toleranța rulmenților, duce la performanțe comparabile în ceea ce privește mișcările de eroare geometrică (de exemplu, liniaritate orizontală și verticală, înclinare, ruliu și girație). În cele din urmă, elementele de susținere ale ambelor modele, inclusiv gestionarea cablurilor, limitele electrice și opritoarele rigide, sunt fundamental identice ca funcție, deși pot varia oarecum ca aspect fizic.

Rulmenți

Pentru acest design particular, una dintre cele mai notabile diferențe este alegerea rulmenților cu ghidaj liniar. Deși rulmenții cu recirculare a bile sunt utilizați atât în ​​sistemele de platformă pe granit, cât și în cele IGM, sistemul IGM face posibilă încorporarea unor rulmenți mai mari și mai rigizi în design, fără a crește înălțimea de lucru a axei. Deoarece designul IGM se bazează pe granit ca bază, spre deosebire de o bază separată din componente prelucrate mecanic, este posibil să se recupereze o parte din spațiul vertical care altfel ar fi ocupat de o bază prelucrată mecanic și, practic, să se umple acest spațiu cu rulmenți mai mari, reducând în același timp înălțimea totală a căruciorului deasupra granitului.

Rigiditate

Utilizarea unor rulmenți mai mari în designul IGM are un impact profund asupra rigidității unghiulare. În cazul axei inferioare (Y) cu corp lat, soluția IGM oferă o rigiditate la rulare cu peste 40% mai mare, o rigiditate la tangaj cu 30% mai mare și o rigiditate la girație cu 20% mai mare decât un design corespunzător pe platformă pe granit. În mod similar, puntea IGM oferă o creștere de patru ori a rigidității la rulare, o rigiditate la tangaj dublă și o rigiditate la girație cu peste 30% mai mare decât omologul său pe platformă pe granit. Rigiditatea unghiulară mai mare este avantajoasă deoarece contribuie direct la performanțe dinamice îmbunătățite, ceea ce este esențial pentru a permite un randament mai mare al mașinii.

Capacitate de încărcare

Rulmenții mai mari ai soluției IGM permit o capacitate de încărcare substanțial mai mare decât o soluție de platformă pe granit. Deși axa de bază PRO560LM a soluției de platformă pe granit are o capacitate de încărcare de 150 kg, soluția IGM corespunzătoare poate suporta o sarcină utilă de 300 kg. În mod similar, axa punte PRO280LM a platformei pe granit suportă 150 kg, în timp ce axa punte a soluției IGM poate transporta până la 200 kg.

Masă în mișcare

Deși rulmenții mai mari din axele IGM cu lagăre mecanice oferă atribute de performanță unghiulară mai bune și o capacitate portantă mai mare, acestea vin și cu cărucioare mai mari și mai grele. În plus, cărucioarele IGM sunt proiectate astfel încât anumite caracteristici prelucrate necesare pentru o axă de platformă pe granit (dar nu sunt cerute de o axă IGM) sunt eliminate pentru a crește rigiditatea piesei și a simplifica fabricația. Acești factori înseamnă că axa IGM are o masă mobilă mai mare decât o axă corespunzătoare de platformă pe granit. Un dezavantaj incontestabil este că accelerația maximă a IGM este mai mică, presupunând că forța motorului de ieșire este neschimbată. Cu toate acestea, în anumite situații, o masă mobilă mai mare poate fi avantajoasă din perspectiva faptului că inerția sa mai mare poate oferi o rezistență mai mare la perturbații, ceea ce se poate corela cu o stabilitate crescută în poziție.

Dinamica structurală

Rigiditatea mai mare a lagărului și căruciorul mai rigid al sistemului IGM oferă beneficii suplimentare evidente după utilizarea unui pachet software de analiză cu elemente finite (FEA) pentru a efectua o analiză modală. În acest studiu, am examinat prima rezonanță a căruciorului în mișcare datorită efectului său asupra lățimii de bandă a servomotorului. Căruciorul PRO560LM întâlnește o rezonanță la 400 Hz, în timp ce căruciorul IGM corespunzător experimentează același mod la 430 Hz. Figura 3 ilustrează acest rezultat.

Rezonanța mai mare a soluției IGM, în comparație cu platforma tradițională pe granit, poate fi atribuită parțial designului mai rigid al căruciorului și al rulmentului. O rezonanță mai mare a căruciorului face posibilă obținerea unei lățimi de bandă servo mai mari și, prin urmare, a unei performanțe dinamice îmbunătățite.

Mediul de operare

Etanșarea axelor este aproape întotdeauna obligatorie atunci când sunt prezenți contaminanți, fie că sunt generați prin procesul utilizatorului, fie că există în alt mod în mediul mașinii. Soluțiile cu platformă pe granit sunt deosebit de potrivite în aceste situații datorită naturii inerent închise a axei. Platformele liniare din seria PRO, de exemplu, sunt echipate cu capace rigide și etanșări laterale care protejează componentele interne ale platformei de contaminare într-o măsură rezonabilă. Aceste platforme pot fi, de asemenea, configurate cu ștergătoare opționale pentru masă, pentru a îndepărta resturile de pe capacul rigid superior pe măsură ce platforma se deplasează. Pe de altă parte, platformele de mișcare IGM sunt inerent deschise, cu rulmenții, motoarele și encoderele expuse. Deși nu este o problemă în medii mai curate, acest lucru poate fi problematic atunci când este prezentă contaminarea. Este posibil să se rezolve această problemă prin încorporarea unui capac special de tip burduf într-un design de axă IGM pentru a oferi protecție împotriva resturilor. Dar, dacă nu este implementat corect, burduful poate influența negativ mișcarea axei prin aplicarea de forțe externe asupra căruciorului pe măsură ce acesta se mișcă pe întreaga sa gamă de deplasare.

Întreţinere

Service-ul este un factor diferențiator între platformele de mișcare pe granit și cele IGM. Axele cu motor liniar sunt bine cunoscute pentru robustețea lor, dar uneori devine necesară efectuarea întreținerii. Anumite operațiuni de întreținere sunt relativ simple și pot fi realizate fără a demonta sau dezasambla axa în cauză, dar uneori este necesară o demontare mai amănunțită. Atunci când platforma de mișcare constă din platforme discrete montate pe granit, service-ul este o sarcină destul de simplă. Mai întâi, demontați platforma de pe granit, apoi efectuați lucrările de întreținere necesare și montați-o la loc. Sau, pur și simplu, înlocuiți-o cu o platformă nouă.

Soluțiile IGM pot fi uneori mai dificile atunci când se efectuează întreținerea. Deși înlocuirea unei singure piste magnetice a motorului liniar este foarte simplă în acest caz, întreținerea și reparațiile mai complicate implică adesea dezasamblarea completă a multora sau a tuturor componentelor care alcătuiesc axa, ceea ce consumă mai mult timp atunci când componentele sunt montate direct pe granit. De asemenea, este mai dificil să realiniezi axele pe bază de granit între ele după efectuarea întreținerii - o sarcină considerabil mai simplă cu etapele discrete.

Tabelul 1. Un rezumat al diferențelor tehnice fundamentale dintre soluțiile cu platformă de susținere mecanică pe granit și cele cu IGM.

Comparație economică

Deși costul absolut al oricărui sistem de mișcare va varia în funcție de mai mulți factori, inclusiv lungimea de deplasare, precizia axei, capacitatea de încărcare și capacitățile dinamice, comparațiile relative ale sistemelor analoge de mișcare IGM și platformă pe granit efectuate în acest studiu sugerează că soluțiile IGM sunt capabile să ofere o mișcare de precizie medie spre înaltă la costuri moderat mai mici decât omologii lor pe platformă pe granit.

Studiul nostru economic constă în trei componente fundamentale de cost: piesele mașinii (inclusiv atât piesele fabricate, cât și cele achiziționate), ansamblul de granit, manopera și cheltuielile generale.

Piese de mașină

O soluție IGM oferă economii notabile față de o soluție cu platformă pe granit în ceea ce privește piesele mașinii. Acest lucru se datorează în principal lipsei bazelor de platformă prelucrate complex pe axele Y și X, ceea ce adaugă complexitate și costuri soluțiilor cu platformă pe granit. În plus, economiile de costuri pot fi atribuite simplificării relative a altor piese prelucrate în soluția IGM, cum ar fi cărucioarele mobile, care pot avea caracteristici mai simple și toleranțe ceva mai relaxate atunci când sunt proiectate pentru utilizare într-un sistem IGM.

Ansambluri de granit

Deși ansamblurile bază-coloană-pod din granit, atât în ​​sistemul IGM, cât și în cel al scenei pe granit, par să aibă un factor de formă și un aspect similare, ansamblul din granit IGM este puțin mai scump. Acest lucru se datorează faptului că granitul din soluția IGM înlocuiește bazele scenei prelucrate mecanic în soluția scenei pe granit, ceea ce necesită ca granitul să aibă toleranțe în general mai stricte în regiunile critice și chiar caracteristici suplimentare, cum ar fi tăieturi extrudate și/sau inserții filetate din oțel, de exemplu. Cu toate acestea, în studiul nostru de caz, complexitatea suplimentară a structurii din granit este mai mult decât compensată de simplificarea componentelor mașinii.

Muncă și cheltuieli generale

Din cauza numeroaselor asemănări în asamblarea și testarea atât a sistemelor IGM, cât și a celor pe scenă, nu există o diferență semnificativă în ceea ce privește costurile cu forța de muncă și cele generale.

Odată ce toți acești factori de cost sunt combinați, soluția specifică IGM cu portant mecanic examinată în acest studiu este cu aproximativ 15% mai puțin costisitoare decât soluția cu portant mecanic, montată pe granit.

Desigur, rezultatele analizei economice depind nu numai de atribute precum lungimea de deplasare, precizia și capacitatea de încărcare, ci și de factori precum alegerea furnizorului de granit. În plus, este prudent să se ia în considerare costurile de transport și logistică asociate cu achiziționarea unei structuri din granit. Deosebit de utilă pentru sistemele de granit foarte mari, deși este valabilă pentru toate dimensiunile, alegerea unui furnizor de granit calificat în apropierea locației de asamblare finală a sistemului poate ajuta, de asemenea, la minimizarea costurilor.

De asemenea, trebuie menționat că această analiză nu ia în considerare costurile post-implementare. De exemplu, să presupunem că devine necesară întreținerea sistemului de mișcare prin repararea sau înlocuirea unei axe de mișcare. Un sistem de tip scenă pe granit poate fi întreținut prin simpla îndepărtare și reparare/înlocuire a axei afectate. Datorită designului mai modular, în stil scenă, acest lucru se poate face cu o ușurință și o viteză relativă, în ciuda costului inițial mai mare al sistemului. Deși sistemele IGM pot fi obținute în general la un cost mai mic decât omologii lor de tip scenă pe granit, acestea pot fi mai dificil de dezasamblat și întreținut din cauza naturii integrate a construcției.

Concluzie

Evident, fiecare tip de platformă de mișcare - scenă pe granit și IGM - poate oferi beneficii distincte. Cu toate acestea, nu este întotdeauna evident care este alegerea ideală pentru o anumită aplicație de mișcare. Prin urmare, este foarte benefic să se colaboreze cu un furnizor experimentat de sisteme de mișcare și automatizare, cum ar fi Aerotech, care oferă o abordare consultativă, distinct axată pe aplicații, pentru a explora și a oferi informații valoroase despre alternative de soluții pentru aplicațiile dificile de control al mișcării și automatizare. Înțelegerea nu numai a diferenței dintre aceste două varietăți de soluții de automatizare, ci și a aspectelor fundamentale ale problemelor pe care trebuie să le rezolve, este cheia succesului în alegerea unui sistem de mișcare care să abordeze atât obiectivele tehnice, cât și cele financiare ale proiectului.

De la AEROTECH.