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 viktigt att inse att varje applikation har sin egen unika uppsättning krav som måste förstås och prioriteras för att eftersträva en effektiv lösning i form av en rörelseplattform.

En av de mer allmänt förekommande lösningarna involverar montering av diskreta positioneringssteg på en granitstruktur.En annan vanlig lösning integrerar komponenterna som utgör rörelseaxlarna direkt i själva graniten.Att välja mellan en scen-på-granit och en integrerad granite motion (IGM) plattform är ett av de tidigare besluten som ska tas i urvalsprocessen.Det finns tydliga skillnader mellan båda lösningstyperna, och var och en har naturligtvis sina egna fördelar - och varningar - som måste förstås och övervägas noggrant.

För att ge bättre insikt i denna beslutsprocess utvärderar vi skillnaderna mellan två grundläggande design av linjära rörelseplattformar — en traditionell scen-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 testfallsdesigner:

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

I båda fallen består varje system av tre rörelseaxlar.Y-axeln erbjuder 1000 mm rörelse och är placerad på basen av granitstrukturen.X-axeln, placerad på bryggan av monteringen med 400 mm rörelse, bär den vertikala Z-axeln med 100 mm rörelse.Detta arrangemang representeras pikografiskt.

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

För IGM-designerna replikerade vi de grundläggande designkoncepten och layouterna för ovanstående axlar nära, med den primära skillnaden är att IGM-axlarna är inbyggda direkt i granitstrukturen och därför saknar de bearbetade komponentbaserna som finns i steg-on -granitdesign.

Gemensamt i båda designfallen är Z-axeln, som valdes att vara en PRO190SL kulskruvsdriven scen.Detta är en mycket populär axel att använda i vertikal orientering på en bro på grund av dess generösa lastkapacitet och relativt kompakta formfaktor.

Figur 2 illustrerar de specifika scen-på-granit- och IGM-systemen som studerats.

Teknisk jämförelse

IGM-system är designade med en mängd olika tekniker och komponenter som liknar de som finns i traditionella scen-på-granit-designer.Som ett resultat finns det många tekniska egenskaper gemensamma mellan IGM-system och scen-on-granit-system.Omvänt, att integrera rörelseaxlarna direkt i granitstrukturen erbjuder flera utmärkande egenskaper som skiljer IGM-system från scen-on-granit-system.

Formfaktor

Den kanske mest uppenbara likheten börjar med maskinens fundament — graniten.Även om det finns skillnader i egenskaper och toleranser mellan scen-on-granit och IGM-design, är de övergripande dimensionerna på granitbasen, stigarna och bron likvärdiga.Detta beror främst på att de nominella och gränsvärdena är identiska mellan scen-på-granit och IGM.

Konstruktion

Avsaknaden av bearbetade axelbaser i IGM-konstruktionen ger vissa fördelar jämfört med scen-på-granitlösningar.I synnerhet hjälper minskningen av komponenterna i IGM:s strukturslinga till att öka den totala axelstyvheten.Det möjliggör också ett kortare avstånd mellan granitbasen och vagnens övre yta.I den här fallstudien erbjuder IGM-designen en 33 % lägre arbetsytas höjd (80 mm jämfört med 120 mm).Denna mindre arbetshöjd möjliggör inte bara en mer kompakt design, utan den minskar också maskinens förskjutningar från motorn och pulsgivaren till arbetspunkten, vilket resulterar i minskade Abbe-fel och därmed förbättrad arbetspunktspositioneringsprestanda.

Axelkomponenter

Ser man djupare in i designen delar scen-på-granit- och IGM-lösningarna några nyckelkomponenter, såsom linjärmotorer och positionsgivare.Vanligt val av kraft- och magnetspår leder till motsvarande kraftutmatningsförmåga.På samma sätt ger användning av samma kodare i båda designerna identisk fin upplösning för positioneringsfeedback.Som ett resultat av detta skiljer sig inte den linjära noggrannheten och repeterbarhetsprestandan signifikant mellan scen-on-granit- och IGM-lösningar.Liknande komponentlayout, inklusive lagerseparation och tolerans, leder till jämförbara prestanda när det gäller geometriska felrörelser (dvs. horisontell och vertikal rakhet, stigning, rullning och girning).Slutligen är båda designernas stödjande element, inklusive kabelhantering, elektriska begränsningar och hardstops, i grunden identiska i funktion, även om de kan variera något i fysiskt utseende.

Kullager

För just denna design är en av de mest anmärkningsvärda skillnaderna valet av linjära styrlager.Även om cirkulerande kullager används i både scen-on-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 bearbetad komponentbas, är det möjligt att återta en del av den vertikala fastigheten som annars skulle förbrukas av en bearbetad bas, och i huvudsak fylla detta utrymme med större lager samtidigt som den minskar den totala vagnhöjden över graniten.

Styvhet

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

Lastkapacitet

IGM-lösningens större lager möjliggör en väsentligt högre nyttolastkapacitet än en scen-on-granit-lösning.Även om PRO560LM-basaxeln för steg-på-granitlösningen har en lastkapacitet på 150 kg, kan motsvarande IGM-lösning ta emot en nyttolast på 300 kg.På samma sätt stöder scen-på-granitens PRO280LM broaxel 150 kg, medan IGM-lösningens broaxel kan bära upp till 200 kg.

Rörlig mässa

Medan de större lagren i de mekaniskt bärande IGM-axlarna erbjuder bättre vinkelegenskaper och större lastkapacitet, kommer de också med större, tyngre lastbilar.Dessutom är IGM-vagnarna utformade så att vissa maskinbearbetade funktioner som är nödvändiga för en axel-på-granitaxel (men inte krävs av en IGM-axel) tas bort för att öka delens styvhet och förenkla tillverkningen.Dessa faktorer gör att IGM-axeln har en större rörlig massa än en motsvarande steg-på-granitaxel.En obestridlig nackdel är att IGM:s maximala acceleration är lägre, förutsatt att motorkraften är oförändrad.Ändå, 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 position.

Strukturell dynamik

IGM-systemets högre lagerstyvhet och styvare vagn ger ytterligare fördelar som är uppenbara efter användning av en finita elementanalys (FEA) mjukvarupaket för att utföra en modal analys.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 läge vid 430 Hz.Figur 3 illustrerar detta resultat.

Den högre resonansen hos IGM-lösningen, jämfört med traditionell scen-on-granit, kan delvis tillskrivas den styvare vagnen och lagerdesignen.En högre vagnresonans gör det möjligt att få en större servobandbredd och därmed förbättrad dynamisk prestanda.

Driftmiljö

Axelförseglingsbarhet är nästan alltid obligatorisk när föroreningar är närvarande, oavsett om de genereras genom användarens process eller på annat sätt finns i maskinens miljö.Steg-på-granitlösningar är särskilt lämpliga i dessa situationer på grund av axelns inneboende avstängda natur.PRO-seriens linjära steg, till exempel, är utrustade med hårda pärmar och sidotätningar som skyddar de interna stegkomponenterna från kontaminering i rimlig utsträckning.Dessa scener kan också konfigureras med valfria bordstorkare för att sopa bort skräp från den övre inbundna pärmen när scenen går.Å andra sidan är IGM-rörelseplattformar 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 är närvarande.Det är möjligt att lösa 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 påverka axelns rörelse negativt genom att ge yttre krafter på vagnen när den rör sig genom hela rörelseområdet.

Underhåll

Servicevänlighet är en skillnad mellan scen-på-granit och IGM rörelseplattformar.Linjärmotoraxlar är välkända för sin robusthet, men ibland blir det nödvändigt att utföra underhåll.Vissa underhållsoperationer är relativt enkla och kan utföras utan att ta bort eller demontera den aktuella axeln, men ibland krävs en mer grundlig rivning.När rörelseplattformen består av diskreta steg monterade på granit är service en ganska okomplicerad uppgift.Demontera först scenen från graniten, utför sedan det nödvändiga underhållsarbetet och montera det igen.Eller, helt enkelt ersätta den med en ny scen.

IGM-lösningar kan ibland vara mer utmanande när man utför underhåll.Även om det är mycket enkelt att byta ut en enstaka magnetbana i linjärmotorn i det här fallet, innebär mer komplicerat underhåll och reparationer ofta att demontera många eller alla komponenterna som utgör axeln helt, vilket är mer tidskrävande när komponenter monteras direkt på granit.Det är också svårare att anpassa de granitbaserade axlarna till varandra efter att ha utfört underhåll – en uppgift som är betydligt enklare med diskreta steg.

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

Ekonomisk jämförelse

Även om den absoluta kostnaden för alla rörelsesystem kommer att variera baserat på flera faktorer, inklusive rörelselängd, axelprecision, belastningskapacitet och dynamiska kapacitet, tyder de relativa jämförelserna av analoga IGM och scen-on-granit rörelsesystem som utförs i denna studie att IGM-lösningar är kapabla att erbjuda medel- till högprecisionsrörelser till måttligt lägre kostnader än sina motsvarigheter i scen-på-granit.

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

Maskindelar

En IGM-lösning erbjuder anmärkningsvärda besparingar jämfört med en scen-på-granit-lösning när det gäller maskindelar.Detta beror främst på IGM:s brist på intrikat bearbetade scenbaser på Y- och X-axlarna, vilket ökar komplexiteten och kostnaden för scen-på-granitlösningarna.Vidare kan kostnadsbesparingar hänföras till 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 designade för användning i ett IGM-system.

Granitaggregat

Även om granitbas-stigar-bro-aggregaten i både IGM- och scen-on-granit-systemen verkar ha en liknande formfaktor och utseende, är IGM-granitaggregatet marginellt dyrare.Detta beror på att graniten i IGM-lösningen ersätter de bearbetade scenbaserna i scen-on-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.Men i vår fallstudie kompenseras den extra komplexiteten hos granitstrukturen mer än väl av förenklingen i maskindelar.

Arbetskraft och overhead

På grund av de många likheterna i montering och testning av både IGM och scen-on-granit-system, finns det ingen signifikant skillnad i arbets- och omkostnader.

När alla dessa kostnadsfaktorer väl har kombinerats är den specifika mekaniskt bärande IGM-lösningen som undersökts i denna studie ungefär 15 % billigare än den mekaniskt bärande, steg-på-granitlösningen.

Naturligtvis beror resultaten av den ekonomiska analysen inte bara på attribut som färdlängd, precision och lastkapacitet, utan också på faktorer som valet av granitleverantör.Dessutom är det klokt att överväga frakt- och logistikkostnaderna i samband med att anskaffa en granitstruktur.Särskilt användbart för mycket stora granitsystem, även om det är sant för alla storlekar, kan valet av 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 genomförandet.Anta till exempel att det blir nödvändigt att serva rörelsesystemet genom att reparera eller byta ut en rörelseaxel.Ett scen-på-granitsystem kan servas genom att helt enkelt ta bort och reparera/byta ut den påverkade axeln.På grund av den mer modulära scendesignen 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 sina motsvarigheter i scen-på-granit, kan de vara mer utmanande att demontera och serva på grund av den integrerade konstruktionen.

Slutsats

Uppenbarligen kan varje typ av rörelseplattformsdesign – scen-på-granit och IGM – erbjuda distinkta fördelar.Det är dock inte alltid självklart vilket som är det mest idealiska valet för en viss rörelseapplikation.Därför är det mycket fördelaktigt att samarbeta med en erfaren leverantör av rörelse- och automationssystem, såsom Aerotech, som erbjuder ett distinkt applikationsfokuserat, konsultativt tillvägagångssätt för att utforska och ge värdefull insikt i lösningsalternativ till utmanande rörelsekontroll- och automatiseringstillämpningar.Att förstå inte bara skillnaden mellan dessa två varianter av automationslösningar, utan också de grundläggande aspekterna av problemen de måste lösa, är den underliggande nyckeln till framgång i valet av ett rörelsesystem som adresserar både de tekniska och ekonomiska målen för projektet.

Från AEROTECH.