Skillnaden mellan steg-på-granit och integrerade granitrörelsesystem

Valet av den mest lämpliga granitbaserade linjära rörelseplattformen för en given applikation beror på en mängd faktorer och variabler. Det är avgörande att inse att varje applikation har sina egna unika uppsättningar av krav som måste förstås och prioriteras för att sträva efter en effektiv lösning när det gäller en rörelseplattform.

En av de mer allestädes närvarande lösningarna innebär att man monterar diskreta positioneringssteg på en granitstruktur. En annan vanlig lösning integrerar komponenterna som innefattar rörelsens axlar direkt in i själva graniten. Att välja mellan en plattform i steg på granit och en integrerad granitrörelse (IGM) är ett av de tidigare besluten som fattas i urvalsprocessen. Det finns tydliga skillnader mellan båda lösningstyperna, och naturligtvis har var och en sina egna fördelar - och varningar - som måste förstås noggrant och övervägas.

För att ge bättre inblick i denna beslutsprocess utvärderar vi skillnaderna mellan två grundläggande linjära rörelsesigner-en traditionell steg-på-granitlösning och en IgM-lösning-ur både tekniska och ekonomiska perspektiv i form av en mekanisk bärande fallstudie.

Bakgrund

För att utforska likheterna och skillnaderna mellan IgM-system och traditionella scen-på-granit-system genererade vi två testfallskonstruktioner:

• Mekaniskt lager, scen-på-granit
• Mekaniskt lager, igm

I båda fallen består varje system av tre rörelseaxlar. Y -axeln erbjuder 1000 mm resor och ligger på basen av granitstrukturen. X-axeln, som ligger på monteringens bridge med 400 mm resor, bär den vertikala z-axeln med 100 mm resor. Detta arrangemang representeras piktografiskt.

För scen-på-granitdesign valde vi ett Pro560lm vidkroppssteg för Y-axeln på grund av dess större lastbärande kapacitet, vanligt för många rörelseapplikationer med detta "Y/XZ split-bridge" -arrangemang. För X -axeln valde vi en Pro280lm, som vanligtvis används som en broaxel i många applikationer. Pro280lm erbjuder en praktisk balans mellan dess fotavtryck och dess förmåga att bära en Z -axel med en kundanitlast.

För IgM-konstruktionerna replikerade vi noggrant de grundläggande designkoncept och layouter för ovanstående axlar, med den primära skillnaden att IgM-axlarna byggs direkt i granitstrukturen och därför saknar de bearbetade komponentbaserna som finns i scenen-på-granitkonstruktionerna.

Vanligt i båda designfallen är Z-axeln, som valdes till att vara ett Pro190SL-bollskruvdrivet steg. Detta är en mycket populär axel att använda i den vertikala orienteringen på en bro på grund av dess generösa nyttolastkapacitet och relativt kompakta formfaktor.

Figur 2 illustrerar de specifika steg-på-granit- och IgM-systemen studerade.

Teknisk jämförelse

IgM-system är utformade med hjälp av en mängd olika tekniker och komponenter som liknar de som finns i traditionella scen-på-granitkonstruktioner. Som ett resultat finns det många tekniska egenskaper som är gemensamma mellan IgM-system och system på granit. Omvänt, integrering av rörelsens axlar direkt i granitstrukturen erbjuder flera utmärkande egenskaper som differentierar IgM-system från steg-på-granit-system.

Formfaktor

Den kanske mest uppenbara likheten börjar med maskinens grund - graniten. Även om det finns skillnader i egenskaperna och toleranserna mellan stadium-på-granit- och IgM-konstruktioner, är de övergripande dimensionerna på granitbasen, stigerören och bron likvärdiga. Detta beror främst på att de nominella och begränsningsresorna är identiska mellan steg-på-granit och IgM.

Konstruktion

Bristen på bearbetade-komponentaxelbaser i IgM-designen ger vissa fördelar jämfört med steg-på-granitlösningar. I synnerhet hjälper minskningen av komponenter i IgM: s strukturslinga att öka den totala axelstyvheten. Det möjliggör också ett kortare avstånd mellan granitbasen och vagnens övre yta. I denna speciella fallstudie erbjuder IgM -designen en 33% lägre arbetsythöjd (80 mm jämfört med 120 mm). Denna mindre arbetshöjd möjliggör inte bara en mer kompakt design, utan också minskar maskinens förskjutningar från motorn och kodaren till arbetspunkten, vilket resulterar i reducerade Abbe -fel och därför förbättrad arbetspunktens positioneringsprestanda.

Axelkomponenter

När man tittar djupare in i designen delar scen-på-granit- och IgM-lösningarna några viktiga komponenter, såsom linjära motorer och positionskodare. Vanliga val- och magnetspårval leder till ekvivalenta kraft-utgångsfunktioner. På samma sätt ger samma kodare i båda mönster identiskt fin upplösning för placering av feedback. Som ett resultat skiljer sig inte den linjära noggrannhets- och repeterbarhetsprestanda mellan steg-på-granit- och IgM-lösningar. Liknande komponentlayout, inklusive lageravskiljning och tolerans, leder till jämförbar prestanda när det gäller geometriska felrörelser (dvs. horisontellt och vertikalt rakhet, tonhöjd, rull och gäsp). Slutligen är båda designens stödelement, inklusive kabelhantering, elektriska gränser och hardstops, i grunden identiska i funktion, även om de kan variera något i fysiskt utseende.

Skål

För denna speciella design är en av de mest anmärkningsvärda skillnaderna valet av linjära styrlager. Även om återcirkulerande kullager används i både steg-på-granit- och IgM-system, gör IgM-systemet det möjligt att integrera större, styvare lager i designen utan att öka arbetshöjden för axeln. Eftersom IgM-designen förlitar sig på graniten som bas, i motsats till en separat bearbetad komponentbas, är det möjligt att återta en del av den vertikala fastigheten som annars skulle konsumeras av en bearbetad bas och i huvudsak fylla detta utrymme med större lager samtidigt som den totala vagnshöjden minskas över den granit.

Styvhet

Användningen av större lager i IgM -designen har en djup inverkan på vinkelstyvhet. När det gäller den breda kroppen nedre axeln (Y) erbjuder IgM-lösningen över 40% större rullstyvhet, 30% större tonhöjdsstyvhet och 20% större yaw-styvhet än en motsvarande scen-på-granitdesign. På liknande sätt erbjuder Igm's Bridge en fyrfaldig ökning av rullstyvhet, dubbel tonhöjdsstyvheten och mer än 30% större yaw-styvhet än dess stage-on-granite motsvarighet. Högre vinkelstyvhet är fördelaktig eftersom den direkt bidrar till förbättrad dynamisk prestanda, vilket är nyckeln till att möjliggöra högre maskin genomströmning.

Belastningskapacitet

IgM-lösningens större lager möjliggör en väsentligt högre nyttolastkapacitet än en steg-på-granitlösning. Även om Pro560lm-basaxeln i steg-på-granitlösningen har en lastkapacitet på 150 kg, kan motsvarande IgM-lösning rymma en 300 kg nyttolast. På liknande sätt stöder Stage-on-Granites Pro280lm Bridge-axel 150 kg, medan IgM-lösningens broaxel kan bära upp till 200 kg.

Rörlig massa

Medan de större lagren i de mekaniska bärande IgM-axlarna erbjuder bättre vinkelprestanda och större lastbärande kapacitet, kommer de också med större, tyngre lastbilar. Dessutom är IgM-vagnarna utformade så att vissa bearbetade funktioner som är nödvändiga för en steg-på-granitaxel (men inte krävs av en IgM-axel) tas bort för att öka delstyvheten och förenkla tillverkningen. Dessa faktorer innebär att IgM-axeln har en större rörlig massa än en motsvarande axel-på-granitaxel. En obestridlig nackdel är att IgM: s maximala acceleration är lägre, förutsatt att motorkraften är oförändrad. Men i vissa situationer kan en större rörlig massa vara fördelaktig ur perspektivet att dess större tröghet kan ge större motstånd mot störningar, vilket kan korrelera till ökad stabilitet i positionen.

Strukturell dynamik

IgM-systemets högre lagringsstyvhet och styvare vagn ger ytterligare fördelar som är uppenbara efter att ha använt ett FEA-programvaruprogramvarupaket för att utföra en modal analys. I denna studie undersökte vi den första resonansen av den rörliga vagnen på grund av dess effekt på servobandbredd. Pro560LM -vagnen möter en resonans vid 400 Hz, medan motsvarande IgM -vagn upplever samma läge vid 430 Hz. Figur 3 illustrerar detta resultat.

Den högre resonansen av IgM-lösningen, jämfört med traditionell stadium-på-granit, kan delvis tillskrivas den styvare vagnen och lagerdesignen. En högre vagnresonans gör det möjligt att ha en större servobandbredd och därför förbättrad dynamisk prestanda.

Operationsmiljö

Axelförslutbarhet är nästan alltid obligatorisk när föroreningar finns, oavsett om det genereras genom användarens process eller på annat sätt finns i maskinens miljö. Steg-på-granitlösningar är särskilt lämpliga i dessa situationer på grund av axelens iboende avstängda natur. Pro-serien Linjära steg, till exempel, är utrustade med inbunden och sidtätningar som skyddar de interna scenkomponenterna från kontaminering i rimlig utsträckning. Dessa steg kan också konfigureras med valfria bordsskivor för att svepa skräp från den översta inbunden när scenen går. Å andra sidan är IgM Motion -plattformar i sig öppna i naturen, med lager, motorer och kodare exponerade. Även om det inte är ett problem i renare miljöer, kan detta vara problematiskt när föroreningar finns. Det är möjligt att ta itu med denna fråga genom att integrera en speciell bälgstil-täckning i en IgM-axeldesign för att ge skydd mot skräp. Men om de inte implementeras korrekt kan bälgen påverka axelns rörelse negativt genom att förmedla yttre krafter på vagnen när den rör sig genom dess fulla resor.

Underhåll

Servicefibility är en differentierare mellan plattformar för steg-på-granit och IgM. Linjära-motoraxlar är välkända för sin robusthet, men ibland blir det nödvändigt att utföra underhåll. Vissa underhållsoperationer är relativt enkla och kan åstadkommas utan att ta bort eller demontera axeln i fråga, men ibland krävs en mer grundlig nedbrytning. När rörelseplattformen består av diskreta steg monterade på granit är service en ganska enkel uppgift. Först demontera scenen från graniten, utför sedan nödvändigt underhållsarbete och återmontera det. Eller bara ersätta den med en ny scen.

IgM -lösningar kan ibland vara mer utmanande när man utför underhåll. Även om att byta ut en enda magnetspår av den linjära motorn är mycket enkelt i detta fall, innebär mer komplicerat underhåll och reparationer ofta helt demontering av många eller alla komponenter som omfattar axeln, vilket är mer tidskrävande när komponenter är monterade direkt till granit. Det är också svårare att justera de granitbaserade axlarna till varandra efter att ha utfört underhåll-en uppgift som är betydligt mer enkel med diskreta steg.

Tabell 1. En sammanfattning av de grundläggande tekniska skillnaderna mellan mekaniskt bärande steg-på-granit- och IgM-lösningar.

Ekonomisk jämförelse

Medan de absoluta kostnaderna för något rörelsesystem kommer att variera baserat på flera faktorer inklusive reselängd, axelprecision, belastningskapacitet och dynamiska kapaciteter, antyder de relativa jämförelserna av analog IgM och steg-på-granit-rörelsessystem som genomförs i denna studie att IgM-lösningar kan erbjuda medium-till högprekisionsrörelse vid måttligt lägre kostnader än deras scen-på-granit.

Vår ekonomiska studie består av tre grundläggande kostnadskomponenter: maskindelar (inklusive både tillverkade delar och köpta komponenter), granitmontering och arbetskraft och omkostnader.

Maskindelar

En IGM-lösning erbjuder anmärkningsvärda besparingar över en steg-på-granitlösning när det gäller maskindelar. Detta beror främst på IgM: s brist på intrikat bearbetade scenbaser på Y- och X-axlarna, vilket ger komplexitet och kostnader till steg-på-granitlösningarna. Vidare kan kostnadsbesparingar tillskrivas den relativa förenklingen av andra bearbetade delar på IgM -lösningen, såsom rörliga vagnar, som kan ha enklare funktioner och något mer avslappnade toleranser när de är utformade för användning i ett IgM -system.

Granitaggregat

Även om de granitbaserade bryggmonteringarna i både IgM- och Stage-on-granite-systemen verkar ha en liknande formfaktor och utseende, är IgM-granitmonteringen marginellt dyrare. Detta beror på att graniten i IgM-lösningen tar plats för de bearbetade stegbaserna i steg-på-granitlösningen, vilket kräver att graniten i allmänhet har stramare toleranser i kritiska regioner, och till och med ytterligare funktioner, såsom extruderade snitt och/eller gängade stålinsatser, till exempel. I vår fallstudie är emellertid den tillsatta komplexiteten i granitstrukturen mer än kompenseras av förenklingen i maskindelar.

Arbetskraft och overhead

På grund av de många likheterna vid montering och testning av både IgM- och Stage-on-granite-systemen finns det inte någon signifikant skillnad i arbetskrafts- och omkostnader.

När alla dessa kostnadsfaktorer har kombinerats är den specifika mekaniska bärande IgM-lösningen som undersöktes i denna studie ungefär 15% billigare än den mekaniska bärande, steg-på-granitlösningen.

Naturligtvis beror resultaten från den ekonomiska analysen inte bara på attribut som reselängd, precision och lastkapacitet, utan också på faktorer som valet av granitleverantören. Dessutom är det klokt att överväga frakt- och logistikkostnaderna för att skaffa en granitstruktur. Speciellt användbart för mycket stora granit -system, även om det är sant för alla storlekar, kan du också välja en kvalificerad granitleverantör i närheten av den slutliga systemmonteringen hjälpa till att minimera kostnaderna.

Det bör också noteras att denna analys inte överväger kostnader efter implementering. Anta till exempel att det blir nödvändigt att betjäna rörelsesystemet genom att reparera eller ersätta en rörelsel. Ett steg-på-granit-system kan servas genom att helt enkelt ta bort och reparera/ersätta den drabbade axeln. På grund av den mer modulära scenstilsdesignen kan detta göras med relativt enkelhet och hastighet, trots de högre initiala systemkostnaderna. Även om IgM-system i allmänhet kan erhållas till en lägre kostnad än deras motsvarigheter till steg på granit, kan de vara mer utmanande att demontera och tjäna på grund av konstruktionens integrerade karaktär.

Slutsats

Det är uppenbart att varje typ av rörelseplattformsdesign-steg-på-granit och IgM-kan erbjuda distinkta fördelar. Det är emellertid inte alltid uppenbart vilket är det mest idealiska valet för en viss rörelseapplikation. Därför är det mycket fördelaktigt att samarbeta med en erfaren rörelse- och automatiseringssystemleverantör, till exempel Aerotech, som erbjuder en tydligt applikationsfokuserad, konsultativ strategi för att utforska och ge värdefull insikt i lösningsalternativ till utmanande rörelsekontroll och automatiseringsapplikationer. Att förstå inte bara skillnaden mellan dessa två varianter av automatiseringslösningar, utan också de grundläggande aspekterna av de problem de krävs för att lösa, är den underliggande nyckeln till framgång i att välja ett rörelsesystem som hanterar både de tekniska och finansiella målen för projektet.

Från Aerotech.