Razlika med odrom na granitu in integriranimi granitnimi gibalnimi sistemi

Izbira najprimernejše linearne platforme za gibanje na osnovi granita za določeno uporabo je odvisna od številnih dejavnikov in spremenljivk. Ključnega pomena je vedeti, da ima vsaka aplikacija svoj edinstven nabor zahtev, ki jih je treba razumeti in jim dati prednost, da bi našli učinkovito rešitev v smislu platforme za gibanje.

Ena bolj razširjenih rešitev vključuje montažo diskretnih pozicionirnih odrov na granitno strukturo. Druga pogosta rešitev vključuje integracijo komponent, ki sestavljajo osi gibanja, neposredno v sam granit. Izbira med odrom na granitu in platformo z integriranim granitnim gibanjem (IGM) je ena od prvih odločitev, ki jih je treba sprejeti v postopku izbire. Med obema vrstama rešitev obstajajo jasne razlike in seveda ima vsaka svoje prednosti – in omejitve – ki jih je treba skrbno razumeti in upoštevati.

Da bi ponudili boljši vpogled v ta proces odločanja, ocenjujemo razlike med dvema temeljnima zasnovama linearnih platform za gibanje – tradicionalno rešitvijo z odrom na granitu in rešitvijo IGM – s tehničnega in finančnega vidika v obliki študije primera mehanskih ležajev.

Ozadje

Da bi raziskali podobnosti in razlike med sistemi IGM in tradicionalnimi sistemi odra na granitu, smo ustvarili dva testna primera:

• Mehanski ležaj, oder na granitu
• Mehanski ležaj, IGM

V obeh primerih vsak sistem sestavljajo tri osi gibanja. Os Y ponuja 1000 mm hoda in se nahaja na dnu granitne strukture. Os X, ki se nahaja na mostu sklopa s 400 mm hoda, nosi navpično os Z s 100 mm hoda. Ta razporeditev je predstavljena slikovno.

Za zasnovo odra na granitu smo za os Y izbrali široko ohišje odra PRO560LM zaradi njegove večje nosilnosti, ki je običajna za številne aplikacije gibanja z uporabo te razporeditve »razdeljeni most Y/XZ«. Za os X smo izbrali PRO280LM, ki se pogosto uporablja kot mostna os v številnih aplikacijah. PRO280LM ponuja praktično ravnovesje med svojo velikostjo in zmožnostjo prenašanja osi Z s koristnim tovorom stranke.

Pri zasnovah IGM smo natančno ponovili temeljne koncepte zasnove in postavitve zgornjih osi, pri čemer je glavna razlika v tem, da so osi IGM vgrajene neposredno v granitno strukturo in zato nimajo podstavkov s strojno obdelanimi komponentami, ki so prisotni v zasnovah odra na granitu.

Skupna v obeh primerih zasnove je os Z, za katero je bila izbrana os PRO190SL s krogličnim vijakom. To je zelo priljubljena os za uporabo v navpični orientaciji na mostu zaradi svoje velike nosilnosti in relativno kompaktne oblike.

Slika 2 prikazuje specifične preučevane sisteme stopenj na granitu in IGM.

Tehnična primerjava

Sistemi IGM so zasnovani z uporabo različnih tehnik in komponent, ki so podobne tistim v tradicionalnih zasnovah odrov na granitu. Posledično imajo sistemi IGM in sistemi odrov na granitu številne skupne tehnične lastnosti. Nasprotno pa integracija osi gibanja neposredno v granitno strukturo ponuja več značilnosti, ki ločijo sisteme IGM od sistemov odrov na granitu.

Oblika

Morda najbolj očitna podobnost se začne pri osnovi stroja – granitu. Čeprav obstajajo razlike v značilnostih in tolerancah med izvedbama odra na granitu in IGM, so celotne dimenzije granitnega podnožja, dvižnih elementov in mostu enake. To je predvsem zato, ker sta nazivna in mejna gibanja pri odru na granitu in IGM enaka.

Gradbeništvo

Odsotnost osnih podstavkov iz strojno obdelanih komponent v zasnovi IGM zagotavlja določene prednosti pred rešitvami z odrom na granitu. Zlasti zmanjšanje števila komponent v strukturni zanki IGM pomaga povečati skupno togost osi. Omogoča tudi krajšo razdaljo med granitno podlago in zgornjo površino vozička. V tej konkretni študiji primera zasnova IGM ponuja 33 % nižjo višino delovne površine (80 mm v primerjavi s 120 mm). Ta manjša delovna višina ne omogoča le kompaktnejše zasnove, temveč tudi zmanjša odmike stroja od motorja in dajalnika do delovne točke, kar ima za posledico manjše Abbejeve napake in s tem izboljšano zmogljivost pozicioniranja delovne točke.

Komponente osi

Če poglobimo pogled na zasnovo, si rešitve odra na granitu in IGM delijo nekatere ključne komponente, kot so linearni motorji in dajalniki položaja. Izbira skupnega silnika in magnetne tirnice vodi do enakovrednih zmogljivosti prenosa sile. Prav tako uporaba istih dajalnikov v obeh zasnovah zagotavlja enako fino ločljivost za povratne informacije o pozicioniranju. Posledično se linearna natančnost in ponovljivost med rešitvami odra na granitu in IGM bistveno ne razlikujeta. Podobna razporeditev komponent, vključno z ločevanjem ležajev in tolerancami, vodi do primerljive zmogljivosti glede geometrijskih napak gibanja (tj. vodoravna in navpična premost, nagib, kotaljenje in nihanje). Nenazadnje so podporni elementi obeh zasnov, vključno z upravljanjem kablov, električnimi omejitvami in trdimi zaporami, v osnovi enaki po delovanju, čeprav se lahko nekoliko razlikujejo po fizičnem videzu.

Ležaji

Pri tej specifični zasnovi je ena najpomembnejših razlik izbira linearnih vodilnih ležajev. Čeprav se recirkulacijski kroglični ležaji uporabljajo tako v sistemih odra na granitu kot v sistemih IGM, sistem IGM omogoča vključitev večjih in togejših ležajev v zasnovo brez povečanja delovne višine osi. Ker zasnova IGM temelji na granitu kot osnovi in ​​ne na ločeni osnovi iz strojno obdelanih komponent, je mogoče povrniti nekaj navpičnega prostora, ki bi ga sicer porabila strojno obdelana osnova, in ta prostor v bistvu zapolniti z večjimi ležaji, hkrati pa zmanjšati skupno višino vozička nad granitom.

Togost

Uporaba večjih ležajev v zasnovi IGM ima velik vpliv na kotno togost. V primeru široke spodnje osi (Y) rešitev IGM ponuja več kot 40 % večjo togost pri kotaljenju, 30 % večjo togost pri nagibu in 20 % večjo togost pri nagibu kot ustrezna zasnova odra na granitu. Podobno most IGM ponuja štirikratno povečanje togosti pri kotaljenju, dvakratno togost pri nagibu in več kot 30 % večjo togost pri nagibu kot njegov ustreznik oder na granitu. Večja kotna togost je prednostna, ker neposredno prispeva k izboljšani dinamični zmogljivosti, kar je ključnega pomena za omogočanje večje pretočnosti stroja.

Nosilnost

Večji ležaji rešitve IGM omogočajo bistveno večjo nosilnost kot rešitev oder-na-granitu. Čeprav ima osnovna os PRO560LM rešitve oder-na-granitu nosilnost 150 kg, lahko ustrezna rešitev IGM sprejme 300 kg nosilnosti. Podobno mostna os PRO280LM rešitve oder-na-granitu podpira 150 kg, medtem ko mostna os rešitve IGM lahko nosi do 200 kg.

Premikajoča se masa

Čeprav večji ležaji v mehansko uležajenih oseh IGM ponujajo boljše kotne lastnosti in večjo nosilnost, so opremljeni tudi z večjimi in težjimi vozički. Poleg tega so vozički IGM zasnovani tako, da so nekatere strojno obdelane značilnosti, potrebne za os oder na granitu (vendar jih os IGM ne zahteva), odstranjene, da se poveča togost dela in poenostavi izdelava. Ti dejavniki pomenijo, da ima os IGM večjo gibljivo maso kot ustrezna os oder na granitu. Nesporna slabost je, da je največji pospešek IGM manjši, ob predpostavki, da se izhodna sila motorja ne spremeni. Vendar pa je v določenih situacijah lahko večja gibljiva masa prednostna z vidika, da lahko njena večja vztrajnost zagotovi večjo odpornost na motnje, kar je lahko povezano z večjo stabilnostjo v položaju.

Strukturna dinamika

Večja togost ležajev in bolj tog voziček sistema IGM zagotavljata dodatne prednosti, ki so očitne po uporabi programskega paketa za analizo končnih elementov (FEA) za izvedbo modalne analize. V tej študiji smo preučili prvo resonanco premikajočega se vozička zaradi njenega vpliva na pasovno širino servomotorja. Voziček PRO560LM doživlja resonanco pri 400 Hz, medtem ko ustrezni voziček IGM doživlja enak način pri 430 Hz. Slika 3 prikazuje ta rezultat.

Višjo resonanco rešitve IGM v primerjavi s tradicionalnim odrom na granitu je mogoče delno pripisati bolj togi zasnovi vozička in ležajev. Višja resonanca vozička omogoča večjo pasovno širino servomotorja in s tem izboljšano dinamično delovanje.

Delovno okolje

Tesnjenje osi je skoraj vedno obvezno, kadar so prisotni onesnaževalci, ne glede na to, ali so nastali med uporabnikovim procesom ali kako drugače prisotni v okolju stroja. Rešitve z odrom na granitu so v teh primerih še posebej primerne zaradi inherentno zaprte narave osi. Linearne odre serije PRO so na primer opremljene s trdimi pokrovi in ​​stranskimi tesnili, ki v razumni meri ščitijo notranje komponente odra pred onesnaženjem. Te odre je mogoče konfigurirati tudi z dodatnimi brisalci na mizi, ki med premikanjem odra pometajo ostanke z zgornjega trdega pokrova. Po drugi strani pa so platforme za gibanje IGM po naravi odprte, z izpostavljenimi ležaji, motorji in dajalniki. Čeprav to v čistejših okoljih ni problem, je lahko problematično, če je prisotna onesnaženje. To težavo je mogoče rešiti z vključitvijo posebnega pokrova v obliki meha v zasnovo osi IGM, ki zagotavlja zaščito pred ostanki. Če pa ni pravilno nameščen, lahko meh negativno vpliva na gibanje osi, saj prenaša zunanje sile na voziček, ko se premika skozi celoten obseg gibanja.

Vzdrževanje

Vzdrževanje je tisto, kar razlikuje platforme za gibanje z odrom na granitu od IGM. Osi z linearnimi motorji so znane po svoji robustnosti, vendar je včasih potrebno opraviti vzdrževanje. Določena vzdrževalna dela so relativno preprosta in jih je mogoče izvesti brez odstranitve ali razstavljanja zadevne osi, včasih pa je potrebna temeljitejša demontaža. Ko je platforma za gibanje sestavljena iz ločenih odrov, nameščenih na granitu, je servisiranje dokaj preprosta naloga. Najprej odstranite oder z granita, nato opravite potrebna vzdrževalna dela in ga ponovno namestite. Ali pa ga preprosto zamenjajte z novim odrom.

Rešitve IGM so lahko včasih bolj zahtevne pri izvajanju vzdrževanja. Čeprav je zamenjava posamezne magnetne tirnice linearnega motorja v tem primeru zelo preprosta, bolj zapleteno vzdrževanje in popravila pogosto vključujejo popolno demontažo številnih ali vseh komponent, ki sestavljajo os, kar je zamudnejše, ko so komponente nameščene neposredno na granit. Prav tako je težje ponovno poravnati osi na granitni osnovi med seboj po opravljenem vzdrževanju – naloga, ki je pri diskretnih stopnjah precej enostavnejša.

Tabela 1. Povzetek temeljnih tehničnih razlik med rešitvami za oder z mehanskimi ležaji na granitu in IGM.

Ekonomska primerjava

Čeprav se absolutni stroški katerega koli sistema gibanja razlikujejo glede na več dejavnikov, vključno z dolžino gibanja, natančnostjo osi, nosilnostjo in dinamičnimi zmogljivostmi, relativne primerjave analognih sistemov gibanja IGM in odra na granitu, opravljene v tej študiji, kažejo, da so rešitve IGM sposobne ponuditi srednje do visoko natančno gibanje po zmerno nižjih stroških kot njihovi ekvivalenti odra na granitu.

Naša ekonomska študija je sestavljena iz treh temeljnih stroškovnih komponent: strojnih delov (vključno z izdelanimi in kupljenimi deli), montaže granita ter dela in režijskih stroškov.

Strojni deli

Rešitev IGM ponuja omembe vredne prihranke v primerjavi z rešitvijo odra na granitu pri strojnih delih. To je predvsem posledica dejstva, da IGM nima zapleteno obdelanih podstavkov odra na oseh Y in X, kar bi rešitvam odra na granitu dodalo kompleksnost in stroške. Poleg tega je mogoče prihranke pripisati relativni poenostavitvi drugih obdelanih delov na rešitvi IGM, kot so premični vozički, ki imajo lahko enostavnejše funkcije in nekoliko bolj sproščene tolerance, ko so zasnovani za uporabo v sistemu IGM.

Granitni sklopi

Čeprav imajo sklopi granitne podlage, dvižnega elementa in mostu v obeh sistemih, IGM in oder na granitu, na videz podobno obliko in videz, je granitni sklop IGM nekoliko dražji. To je zato, ker granit v rešitvi IGM nadomešča strojno obdelane podlage odra v rešitvi oder na granitu, kar zahteva, da ima granit na kritičnih območjih na splošno manjše tolerance in celo dodatne lastnosti, kot so na primer ekstrudirani rezi in/ali navojni jekleni vložki. Vendar pa je v naši študiji primera dodana kompleksnost granitne strukture več kot izravnana s poenostavitvijo strojnih delov.

Delo in režijski stroški

Zaradi številnih podobnosti pri sestavljanju in testiranju sistemov IGM in odra na granitu ni bistvene razlike v stroških dela in režijskih stroških.

Ko se združijo vsi ti stroškovni dejavniki, je specifična rešitev IGM z mehanskimi ležaji, ki smo jo preučevali v tej študiji, približno 15 % cenejša od rešitve z mehanskimi ležaji in odrom na granitu.

Seveda rezultati ekonomske analize niso odvisni le od lastnosti, kot so dolžina premika, natančnost in nosilnost, temveč tudi od dejavnikov, kot je izbira dobavitelja granita. Poleg tega je preudarno upoštevati stroške pošiljanja in logistike, povezane z nabavo granitne konstrukcije. To je še posebej koristno za zelo velike granitne sisteme, čeprav velja za vse velikosti, saj lahko izbira usposobljenega dobavitelja granita v bližini lokacije končne montaže sistema pomaga zmanjšati stroške.

Prav tako je treba opozoriti, da ta analiza ne upošteva stroškov po uvedbi. Na primer, predpostavimo, da je treba servisirati sistem gibanja s popravilom ali zamenjavo osi gibanja. Sistem odra na granitu je mogoče servisirati s preprosto odstranitvijo in popravilom/zamenjavo prizadete osi. Zaradi bolj modularne zasnove v slogu odra je to mogoče storiti relativno enostavno in hitro, kljub višjim začetnim stroškom sistema. Čeprav je sisteme IGM na splošno mogoče dobiti po nižji ceni kot njihove odre na granitu, jih je zaradi integrirane narave konstrukcije lahko težje razstaviti in servisirati.

Zaključek

Jasno je, da lahko vsaka vrsta zasnove gibalne platforme – oder na granitu in IGM – ponuja različne prednosti. Vendar ni vedno očitno, katera je najbolj idealna izbira za določeno aplikacijo gibanja. Zato je zelo koristno sodelovati z izkušenim dobaviteljem sistemov za gibanje in avtomatizacijo, kot je Aerotech, ki ponuja izrazito aplikacijsko usmerjen, svetovalni pristop za raziskovanje in zagotavljanje dragocenega vpogleda v alternativne rešitve za zahtevne aplikacije za nadzor gibanja in avtomatizacijo. Razumevanje ne le razlike med tema dvema vrstama rešitev za avtomatizacijo, temveč tudi temeljnih vidikov problemov, ki jih morajo rešiti, je temeljni ključ do uspeha pri izbiri sistema gibanja, ki obravnava tako tehnične kot finančne cilje projekta.

Iz podjetja AEROTECH.