Skillnaden mellan scen-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 sin egen unika uppsättning krav som måste förstås och prioriteras för att kunna uppnå en effektiv lösning när det gäller en rörelseplattform.

En av de mer allestädes närvarande lösningarna innebär att montera diskreta positioneringssteg på en granitstruktur. En annan vanlig lösning integrerar komponenterna som utgör rörelseaxlarna direkt i själva graniten. Att välja mellan en steg-på-granit och en integrerad granitrörelseplattform (IGM) är ett av de tidiga besluten som måste fattas i urvalsprocessen. Det finns tydliga skillnader mellan båda lösningstyperna, och naturligtvis har var och en sina egna fördelar – och förbehåll – som måste förstås och beaktas noggrant.

För att ge bättre insikt i denna beslutsprocess utvärderar vi skillnaderna mellan två grundläggande linjära rörelseplattformsdesigner – en traditionell lösning med scen på granit och en IGM-lösning – ur både tekniskt och ekonomiskt perspektiv i form av en fallstudie med mekaniska lager.

Bakgrund

För att utforska likheterna och skillnaderna mellan IGM-system och traditionella system med scen på granit genererade vi två testfallsdesigner:

• Mekaniskt lager, steg-på-granit
• Mekaniskt lager, IGM

I båda fallen består varje system av tre rörelseaxlar. Y-axeln erbjuder 1000 mm rörelseväg och är placerad på granitstrukturens bas. X-axeln, som är placerad på konstruktionens bro med 400 mm rörelseväg, bär den vertikala Z-axeln med 100 mm rörelseväg. Detta arrangemang representeras piktografiskt.

För designen med scen på granit valde vi en PRO560LM bredkroppsscen för Y-axeln på grund av dess större lastbärande kapacitet, vilket är vanligt för många rörelseapplikationer med detta "Y/XZ-delade bryggarrangemang". För X-axeln valde vi en PRO280LM, som vanligtvis används som bryggaxel i många applikationer. PRO280LM erbjuder en praktisk balans mellan sitt fotavtryck och sin förmåga att bära en Z-axel med kundnyttolast.

För IGM-designerna replikerade vi noggrant de grundläggande designkoncepten och layouterna för ovanstående axlar, med den primära skillnaden att IGM-axlarna är inbyggda direkt i granitstrukturen och därför saknar de maskinbearbetade komponentbaserna som finns i scen-på-granit-designerna.

Gemensamt för båda konstruktionsfallen är Z-axeln, som valdes som ett PRO190SL kulskruvdrivet steg. Detta är en mycket populär axel att använda i vertikal orientering på en brygga på grund av dess generösa nyttolastkapacitet och relativt kompakta formfaktor.

Figur 2 illustrerar de specifika studerade systemen för steg på granit och IGM.

Teknisk jämförelse

IGM-system är konstruerade med hjälp av en mängd olika tekniker och komponenter som liknar de som finns i traditionella scen-på-granit-konstruktioner. Som ett resultat finns det många tekniska egenskaper gemensamma mellan IGM-system och scen-på-granit-system. Omvänt erbjuder integrationen av rörelseaxlarna direkt i granitstrukturen flera utmärkande egenskaper som skiljer IGM-system från scen-på-granit-system.

Formfaktor

Den kanske mest uppenbara likheten börjar med maskinens fundament – graniten. Även om det finns skillnader i egenskaper och toleranser mellan steg-på-granit och IGM-konstruktioner, är de övergripande dimensionerna för granitbasen, stigarrören och bron likvärdiga. Detta beror främst på att de nominella och gränsförflyttningsvägarna är identiska mellan steg-på-granit och IGM.

Konstruktion

Avsaknaden av axelbaser med maskinbearbetade komponenter i IGM-konstruktionen ger vissa fördelar jämfört med steg-på-granit-lösningar. I synnerhet bidrar minskningen av komponenter i IGM:s strukturella slinga till att öka den totala axelstyvheten. Det möjliggör också ett kortare avstånd mellan granitbasen och vagnens ovansida. I denna specifika fallstudie erbjuder IGM-konstruktionen en 33 % lägre arbetsyta (80 mm jämfört med 120 mm). Denna mindre arbetshöjd möjliggör inte bara en mer kompakt design, utan minskar också maskinförskjutningarna från motorn och kodaren till arbetspunkten, vilket resulterar i minskade Abbe-fel och därmed förbättrad prestanda för positionering av arbetspunkten.

Axelkomponenter

Vid en djupare granitdesign delar steg-på-granit- och IGM-lösningarna vissa viktiga komponenter, såsom linjära motorer och positionsgivare. Gemensamt val av kraftgivare och magnetspår leder till likvärdiga kraftutgångsfunktioner. Likaså ger användningen av samma givare i båda designerna identiskt fin upplösning för positioneringsåterkoppling. Som ett resultat skiljer sig den linjära noggrannheten och repeterbarheten inte signifikant mellan steg-på-granit- och IGM-lösningar. Liknande komponentlayout, inklusive lagerseparation och toleranser, leder till jämförbar prestanda när det gäller geometriska felrörelser (dvs. horisontell och vertikal rakhet, lutning, rullning och girning). Slutligen är båda designernas stödjande element, inklusive kabelhantering, elektriska begränsningar och hårda stopp, fundamentalt identiska i funktion, även om de kan variera något i fysiskt utseende.

Lager

För just denna konstruktion är en av de mest anmärkningsvärda skillnaderna valet av linjärstyrningslager. Även om recirkulerande kullager används i både steg-på-granit- och IGM-system, gör IGM-systemet det möjligt att införliva större, styvare lager i konstruktionen utan att öka axelns arbetshöjd. Eftersom IGM-konstruktionen förlitar sig på graniten som bas, i motsats till en separat bas med maskinbearbetade komponenter, är det möjligt att återvinna en del av den vertikala yta som annars skulle förbrukas av en maskinbearbetad bas, och i huvudsak fylla detta utrymme med större lager samtidigt som den totala vagnhöjden ovanför graniten minskas.

Styvhet

Användningen av större lager i IGM-konstruktionen har en djupgående inverkan på vinkelstyvheten. När det gäller den breda nedre axeln (Y) erbjuder IGM-lösningen över 40 % högre rullstyvhet, 30 % högre stigningsstyvhet och 20 % högre girstyvhet än en motsvarande steg-på-granit-konstruktion. På liknande sätt erbjuder IGM:s brygga en fyrfaldig ökning av rullstyvhet, dubbel stigningsstyvhet och mer än 30 % högre girstyvhet än dess steg-på-granit-motsvarighet. Högre vinkelstyvhet är fördelaktigt eftersom den direkt bidrar till förbättrad dynamisk prestanda, vilket är nyckeln till att möjliggöra högre maskingenomströmning.

Lastkapacitet

IGM-lösningens större lager möjliggör en betydligt högre nyttolastkapacitet än en stage-on-granite-lösning. Även om PRO560LM-basaxeln i stage-on-granite-lösningen har en lastkapacitet på 150 kg, kan motsvarande IGM-lösning hantera en nyttolast på 300 kg. På liknande sätt stöder stage-on-granites PRO280LM-broaxel 150 kg, medan IGM-lösningens broaxel kan bära upp till 200 kg.

Rörlig massa

Medan de större lagren i de mekaniskt lagrade IGM-axlarna erbjuder bättre vinkelprestanda och större lastbärande kapacitet, kommer de också med större, tyngre vagnar. Dessutom är IGM-vagnarna konstruerade så att vissa bearbetade funktioner som är nödvändiga för en steg-på-granit-axel (men inte krävs av en IGM-axel) tas bort för att öka delens styvhet och förenkla tillverkningen. Dessa faktorer innebär att IGM-axeln har en större rörlig massa än en motsvarande steg-på-granit-axel. En obestridlig nackdel är att IGM:s maximala acceleration är lägre, förutsatt att motorkraften är oförändrad. I vissa situationer kan dock en större rörlig massa vara fördelaktig ur perspektivet att dess större tröghet kan ge större motståndskraft mot störningar, vilket kan korreleras med ökad stabilitet i position.

Strukturell dynamik

IGM-systemets högre lagerstyvhet och styvare vagn ger ytterligare fördelar som blir uppenbara efter att ha använt ett programpaket för finita elementanalys (FEA) för att utföra en modalanalys. I denna studie undersökte vi den första resonansen hos den rörliga vagnen på grund av dess effekt på servobandbredden. PRO560LM-vagnen möter en resonans vid 400 Hz, medan motsvarande IGM-vagn upplever samma mod vid 430 Hz. Figur 3 illustrerar detta resultat.

Den högre resonansen hos IGM-lösningen, jämfört med traditionell scen-på-granit, kan delvis tillskrivas den styvare vagn- och lagerkonstruktionen. En högre vagnresonans möjliggör en större servobandbredd och därmed förbättrad dynamisk prestanda.

Driftsmiljö

Axeltätning är nästan alltid obligatorisk när föroreningar finns, oavsett om de genereras genom användarens process eller på annat sätt finns i maskinens miljö. Lösningar med steg på granit är särskilt lämpliga i dessa situationer på grund av axelns i sig stängda natur. Linjära steg i PRO-serien är till exempel utrustade med hårda lock och sidotätningar som skyddar de interna stegkomponenterna från kontaminering i rimlig utsträckning. Dessa steg kan också konfigureras med valfria bordsavtorkare för att sopa bort skräp från det övre hårda locket när steget rör sig. Å andra sidan är IGM-rörelseplattformar i sig öppna till sin natur, med lager, motorer och kodare exponerade. Även om det inte är ett problem i renare miljöer kan detta vara problematiskt när kontaminering finns. Det är möjligt att åtgärda detta problem genom att införliva ett speciellt bälgliknande vägskydd i en IGM-axeldesign för att ge skydd mot skräp. Men om den inte implementeras korrekt kan bälgen negativt påverka axelns rörelse genom att utöva externa krafter på vagnen när den rör sig genom hela sitt rörelseområde.

Underhåll

Servicevänlighet är en skillnad mellan steg-på-granit och IGM-rörelseplattformar. Linjära motoraxlar är välkända för sin robusthet, men ibland blir det nödvändigt att utföra underhåll. Vissa underhållsåtgärder är relativt enkla och kan utföras utan att ta bort eller demontera axeln i fråga, men ibland krävs en mer grundlig demontering. När rörelseplattformen består av separata steg monterade på granit är service en relativt enkel uppgift. Först demonteras steget från graniten, utför sedan nödvändigt underhållsarbete och monteras tillbaka. Eller så ersätts det helt enkelt med ett nytt steg.

IGM-lösningar kan ibland vara mer utmanande vid underhåll. Även om det är mycket enkelt att byta ut ett enda magnetspår på linjärmotorn i detta fall, innebär mer komplicerat underhåll och reparationer ofta att många eller alla komponenter som ingår i axeln helt demonteras, vilket är mer tidskrävande när komponenterna monteras direkt på granit. Det är också svårare att justera de granitbaserade axlarna till varandra efter utfört underhåll – en uppgift som är betydligt enklare med separata steg.

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

Ekonomisk jämförelse

Medan den absoluta kostnaden för alla rörelsesystem varierar beroende på flera faktorer, inklusive rörelselängd, axelprecision, lastkapacitet och dynamiska kapacitet, tyder de relativa jämförelserna av analoga IGM- och scen-på-granit-rörelsesystem som genomförts i denna studie på att IGM-lösningar kan erbjuda rörelse med medelhög till hög precision till måttligt lägre kostnader än deras motsvarigheter i scen-på-granit.

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

Maskindelar

En IGM-lösning erbjuder anmärkningsvärda besparingar jämfört med en steg-på-granit-lösning när det gäller maskindelar. Detta beror främst på IGM:s brist på intrikat bearbetade stegbaser på Y- och X-axlarna, vilket ökar komplexiteten och kostnaden för steg-på-granit-lösningarna. Vidare kan kostnadsbesparingarna tillskrivas den relativa förenklingen av andra bearbetade delar på IGM-lösningen, såsom de rörliga vagnarna, vilka kan ha enklare funktioner och något mer avslappnade toleranser när de är konstruerade för användning i ett IGM-system.

Granitmonteringar

Även om granitbas-riser-brygg-aggregaten i både IGM- och scen-på-granit-systemen verkar ha en liknande formfaktor och utseende, är IGM-granitaggregatet marginellt dyrare. Detta beror på att graniten i IGM-lösningen ersätter de maskinbearbetade scenbaserna i scen-på-granit-lösningen, vilket kräver att graniten har generellt snävare toleranser i kritiska områden, och till och med ytterligare funktioner, såsom extruderade snitt och/eller gängade stålinsatser, till exempel. I vår fallstudie uppvägs dock den ökade komplexiteten i granitstrukturen mer än väl av förenklingen i maskindelarna.

Arbetskraft och omkostnader

På grund av de många likheterna i 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 kombineras är den specifika mekaniskt lagerade IGM-lösningen som undersökts i denna studie cirka 15 % billigare än lösningen med mekaniskt lager och steg-på-granit.

Resultaten av den ekonomiska analysen beror naturligtvis inte bara på egenskaper som transportlängd, precision och lastkapacitet, utan även på faktorer som valet av granitleverantör. Dessutom är det klokt att beakta frakt- och logistikkostnaderna i samband med anskaffning av en granitstruktur. Särskilt användbart för mycket stora granitsystem, även om det gäller alla storlekar, kan det att välja en kvalificerad granitleverantör i närheten av platsen för den slutliga systemmonteringen också bidra till att minimera kostnaderna.

Det bör också noteras att denna analys inte tar hänsyn till kostnader efter implementering. Anta till exempel att det blir nödvändigt att serva rörelsesystemet genom att reparera eller byta ut en rörelseaxel. Ett steg-på-granit-system kan servas genom att helt enkelt ta bort och reparera/byta ut den berörda axeln. På grund av den mer modulära stegdesignen kan detta göras relativt enkelt och snabbt, trots den högre initiala systemkostnaden. Även om IGM-system i allmänhet kan erhållas till en lägre kostnad än deras steg-på-granit-motsvarigheter, kan de vara mer utmanande att demontera och serva på grund av konstruktionens integrerade natur.

Slutsats

Varje typ av rörelseplattformsdesign – scen-på-granit och IGM – kan helt klart erbjuda olika fördelar. Det är dock inte alltid uppenbart vilket som är det mest ideala valet för en viss rörelseapplikation. Därför är det mycket fördelaktigt att samarbeta med en erfaren leverantör av rörelse- och automationssystem, såsom Aerotech, som erbjuder en tydligt applikationsfokuserad, konsultativ metod för att utforska och ge värdefull insikt i lösningsalternativ för utmanande rörelsekontroll- och automationsapplikationer. Att förstå inte bara skillnaden mellan dessa två typer av automationslösningar, utan också de grundläggande aspekterna av de problem de måste lösa, är den grundläggande nyckeln till framgång när man väljer ett rörelsesystem som tar itu med både projektets tekniska och ekonomiska mål.

Från AEROTECH.