Rozdiel medzi systémami pohybu javiska na žule a integrovanými systémami pohybu žuly

Výber najvhodnejšej lineárnej pohyblivej platformy na báze žuly pre danú aplikáciu závisí od mnohých faktorov a premenných. Je dôležité si uvedomiť, že každá aplikácia má svoj vlastný jedinečný súbor požiadaviek, ktoré je potrebné pochopiť a uprednostniť, aby sa dosiahlo efektívne riešenie z hľadiska pohyblivej platformy.

Jedným z najbežnejších riešení je montáž samostatných polohovacích pódií na žulovú konštrukciu. Ďalším bežným riešením je integrácia komponentov, ktoré tvoria osi pohybu, priamo do samotnej žuly. Výber medzi pódiom na žule a platformou s integrovaným pohybom žuly (IGM) je jedným z prvých rozhodnutí, ktoré treba urobiť v procese výberu. Medzi týmito dvoma typmi riešení existujú jasné rozdiely a samozrejme každé má svoje vlastné výhody – a nevýhody – ktoré je potrebné starostlivo pochopiť a zvážiť.

Aby sme poskytli lepší prehľad o tomto rozhodovacom procese, hodnotíme rozdiely medzi dvoma základnými návrhmi lineárnych pohyblivých platforiem – tradičným riešením s pódiom na žule a riešením IGM – z technického aj finančného hľadiska vo forme prípadovej štúdie mechanických ložísk.

Pozadie

Aby sme preskúmali podobnosti a rozdiely medzi systémami IGM a tradičnými systémami typu „javisko na žule“, vytvorili sme dva návrhy testovacích prípadov:

• Mechanické ložisko, pódium na žule
• Mechanické ložisko, IGM

V oboch prípadoch každý systém pozostáva z troch osí pohybu. Os Y ponúka pohyb 1000 mm a je umiestnená na základni žulovej konštrukcie. Os X, umiestnená na mostíku zostavy s pohybom 400 mm, nesie vertikálnu os Z s pohybom 100 mm. Toto usporiadanie je znázornené piktogramom.

Pre dizajn stola na žule sme pre os Y zvolili širokoplošný stolík PRO560LM kvôli jeho väčšej nosnosti, ktorá je bežná pre mnohé aplikácie pohybu využívajúce toto usporiadanie „rozdeleného mostíka Y/XZ“. Pre os X sme zvolili PRO280LM, ktorý sa bežne používa ako mostíková os v mnohých aplikáciách. PRO280LM ponúka praktickú rovnováhu medzi svojou základnou plochou a schopnosťou niesť os Z s užitočným zaťažením zákazníka.

Pri návrhoch IGM sme dôsledne replikovali základné dizajnové koncepty a rozloženie vyššie uvedených osí, s hlavným rozdielom v tom, že osi IGM sú zabudované priamo do žulovej konštrukcie, a preto im chýbajú základne z obrábaných komponentov, ktoré sú prítomné v návrhoch s pódiom na žule.

Spoločnou v oboch konštrukčných prípadoch je os Z, ktorá bola zvolená ako stolík PRO190SL poháňaný guľôčkovou skrutkou. Ide o veľmi obľúbenú os na použitie vo vertikálnej orientácii na moste kvôli jej veľkorysej nosnosti a relatívne kompaktnému tvaru.

Obrázok 2 znázorňuje špecifické študované systémy fáz-na-žule a IGM.

Technické porovnanie

Systémy IGM sú navrhnuté s použitím rôznych techník a komponentov, ktoré sú podobné tým, ktoré sa nachádzajú v tradičných konštrukciách pódií na žule. V dôsledku toho existuje medzi systémami IGM a systémami pódií na žule množstvo spoločných technických vlastností. Naopak, integrácia osí pohybu priamo do štruktúry žuly ponúka niekoľko rozlišovacích charakteristík, ktoré odlišujú systémy IGM od systémov pódií na žule.

Tvarový faktor

Asi najzreteľnejšia podobnosť začína základom stroja – žulou. Hoci existujú rozdiely vo vlastnostiach a toleranciách medzi konštrukciami pódia na žule a IGM, celkové rozmery žulového podstavca, stúpačiek a mostíka sú rovnaké. Je to predovšetkým preto, že nominálne a medzné zdvihy sú medzi pódiom na žule a IGM identické.

Stavebníctvo

Absencia obrábaných osových základní v dizajne IGM poskytuje určité výhody oproti riešeniam s plošinami na žule. Najmä zníženie počtu komponentov v štrukturálnej slučke IGM pomáha zvýšiť celkovú tuhosť osi. Umožňuje tiež kratšiu vzdialenosť medzi žulovou základňou a horným povrchom vozíka. V tejto konkrétnej prípadovej štúdii ponúka dizajn IGM o 33 % nižšiu výšku pracovnej plochy (80 mm v porovnaní so 120 mm). Táto menšia pracovná výška nielenže umožňuje kompaktnejší dizajn, ale tiež znižuje odchýlky stroja od motora a enkodéra k pracovnému bodu, čo vedie k zníženiu Abbeho chýb a tým k zlepšeniu výkonu polohovania pracovného bodu.

Komponenty osi

Pri hlbšom pohľade na dizajn zistíme, že riešenia typu „stand-on-granite“ a IGM zdieľajú niektoré kľúčové komponenty, ako sú lineárne motory a polohové snímače. Spoločný výber sily a magnetickej dráhy vedie k ekvivalentným schopnostiam výstupu sily. Podobne použitie rovnakých snímačov v oboch dizajnoch poskytuje rovnako jemné rozlíšenie pre spätnú väzbu o polohovaní. Výsledkom je, že lineárna presnosť a opakovateľnosť sa medzi riešeniami typu „stand-on-granite“ a IGM výrazne nelíšia. Podobné rozloženie komponentov, vrátane oddelenia ložísk a tolerancie, vedie k porovnateľnému výkonu z hľadiska geometrických chýb pohybu (t. j. horizontálna a vertikálna priamosť, stúpanie, nakláňanie a stáčanie). Nakoniec, podporné prvky oboch dizajnov, vrátane správy káblov, elektrických obmedzení a pevných dorazov, sú v zásade funkčne identické, hoci sa môžu mierne líšiť fyzickým vzhľadom.

Ložiská

V prípade tohto konkrétneho dizajnu je jedným z najvýraznejších rozdielov výber lineárnych vodiacich ložísk. Hoci sa recirkulačné guľkové ložiská používajú v systémoch pódií na žule aj v systémoch IGM, systém IGM umožňuje začleniť do dizajnu väčšie a tuhšie ložiská bez zvýšenia pracovnej výšky osi. Pretože dizajn IGM sa spolieha na žulu ako základňu, na rozdiel od samostatnej základne z obrábaných komponentov, je možné získať späť časť vertikálneho priestoru, ktorý by inak spotrebovala obrábaná základňa, a v podstate tento priestor vyplniť väčšími ložiskami a zároveň znížiť celkovú výšku vozíka nad žulou.

Tuhosť

Použitie väčších ložísk v konštrukcii IGM má výrazný vplyv na uhlovú tuhosť. V prípade širokoplošnej spodnej osi (Y) ponúka riešenie IGM o viac ako 40 % väčšiu klopnú tuhosť, o 30 % väčšiu tuhosť v stúpaní a o 20 % väčšiu tuhosť v stáčaní ako zodpovedajúca konštrukcia s plošinou na žule. Podobne mostík IGM ponúka štvornásobné zvýšenie klopnej tuhosti, dvojnásobnú tuhosť v stúpaní a o viac ako 30 % väčšiu tuhosť v stáčaní ako jeho náprotivok s plošinou na žule. Vyššia uhlová tuhosť je výhodná, pretože priamo prispieva k zlepšeniu dynamického výkonu, čo je kľúčom k umožneniu vyššej priepustnosti stroja.

Nosnosť

Väčšie ložiská riešenia IGM umožňujú podstatne vyššiu nosnosť ako riešenie s pódiom na žule. Hoci základná os PRO560LM riešenia s pódiom na žule má nosnosť 150 kg, zodpovedajúce riešenie IGM dokáže uniesť užitočné zaťaženie 300 kg. Podobne mostíková os PRO280LM riešenia s pódiom na žule unesie 150 kg, zatiaľ čo mostíková os riešenia IGM unesie až 200 kg.

Pohybujúca sa hmota

Hoci väčšie ložiská v mechanicky uložených osiach IGM ponúkajú lepšie uhlové vlastnosti a väčšiu nosnosť, dodávajú sa aj s väčšími a ťažšími podvozkami. Vozíky IGM sú navyše navrhnuté tak, že určité obrábané prvky potrebné pre os typu „stolík na žule“ (ale nevyžadované osou IGM) sú odstránené, aby sa zvýšila tuhosť dielu a zjednodušila výroba. Tieto faktory znamenajú, že os IGM má väčšiu pohyblivú hmotnosť ako zodpovedajúca os typu „stolík na žule“. Nespornou nevýhodou je, že maximálne zrýchlenie IGM je nižšie, za predpokladu, že výstupná sila motora sa nemení. V určitých situáciách však môže byť väčšia pohyblivá hmotnosť výhodná z hľadiska toho, že jej väčšia zotrvačnosť môže poskytnúť väčšiu odolnosť voči poruchám, čo môže korelovať so zvýšenou stabilitou v polohe.

Štrukturálna dynamika

Vyššia tuhosť ložísk a pevnejší vozík systému IGM poskytujú ďalšie výhody, ktoré sú zrejmé po použití softvérového balíka pre analýzu metódou konečných prvkov (FEA) na vykonanie modálnej analýzy. V tejto štúdii sme skúmali prvú rezonanciu pohybujúceho sa vozíka kvôli jej vplyvu na šírku pásma serva. Vozík PRO560LM zažíva rezonanciu pri 400 Hz, zatiaľ čo zodpovedajúci vozík IGM zažíva rovnaký režim pri 430 Hz. Obrázok 3 znázorňuje tento výsledok.

Vyššia rezonancia riešenia IGM v porovnaní s tradičným javiskovým systémom na žule sa dá čiastočne pripísať tuhšej konštrukcii vozíka a ložiska. Vyššia rezonancia vozíka umožňuje väčšiu šírku pásma serva a tým aj lepší dynamický výkon.

Prevádzkové prostredie

Utesnenie osi je takmer vždy povinné, ak sú prítomné kontaminanty, či už generované procesom používateľa alebo inak existujúce v prostredí stroja. Riešenia typu „stolík na žule“ sú v týchto situáciách obzvlášť vhodné kvôli inherentne uzavretej povahe osi. Napríklad lineárne stolíky série PRO sú vybavené pevnými krytmi a bočnými tesneniami, ktoré v primeranej miere chránia vnútorné komponenty stolíka pred kontamináciou. Tieto stolíky môžu byť tiež konfigurované s voliteľnými stieračmi na vrchnej strane stola, ktoré stierajú nečistoty z horného pevného krytu pri pohybe stolíka. Na druhej strane, pohyblivé platformy IGM sú inherentne otvorené, pričom ložiská, motory a enkodéry sú odkryté. Hoci to nie je problém v čistejšom prostredí, môže to byť problematické, keď je prítomná kontaminácia. Tento problém je možné riešiť začlenením špeciálneho krytu dráhy v tvare vlnovca do konštrukcie osi IGM, ktorý poskytuje ochranu pred nečistotami. Ak však nie je správne implementovaný, vlnovec môže negatívne ovplyvniť pohyb osi tým, že pôsobí vonkajšími silami na vozík, keď sa pohybuje v celom rozsahu svojho pohybu.

Údržba

Rozlišovacím znakom medzi pohyblivými platformami typu „stand-on-granite“ a IGM je jednoduchosť údržby. Osi s lineárnymi motormi sú známe svojou robustnosťou, ale niekedy je potrebné vykonať údržbu. Niektoré údržbárske operácie sú relatívne jednoduché a možno ich vykonať bez odstránenia alebo demontáže príslušnej osi, niekedy je však potrebná dôkladnejšia demontáž. Keď pohyblivá platforma pozostáva z oddelených platform namontovaných na žule, údržba je pomerne jednoduchá úloha. Najprv demontujte platformu zo žuly, potom vykonajte potrebné údržbárske práce a znova ju namontujte. Alebo ju jednoducho vymeňte za novú platformu.

Riešenia IGM môžu byť niekedy náročnejšie pri vykonávaní údržby. Hoci výmena jednej magnetickej dráhy lineárneho motora je v tomto prípade veľmi jednoduchá, zložitejšia údržba a opravy často zahŕňajú úplnú demontáž mnohých alebo všetkých komponentov tvoriacich os, čo je časovo náročnejšie, keď sú komponenty namontované priamo na žulu. Po vykonaní údržby je tiež ťažšie znovu zarovnať osi na báze žuly – úloha, ktorá je pri samostatných stupňovách podstatne jednoduchšia.

Tabuľka 1. Zhrnutie základných technických rozdielov medzi riešeniami s mechanickým uložením pódia na žule a IGM.

Ekonomické porovnanie

Hoci absolútne náklady na akýkoľvek pohybový systém sa budú líšiť v závislosti od niekoľkých faktorov vrátane dĺžky pohybu, presnosti osi, nosnosti a dynamických schopností, relatívne porovnania analogických pohybových systémov IGM a pódia na žule vykonané v tejto štúdii naznačujú, že riešenia IGM sú schopné ponúknuť stredne až vysoko presný pohyb za mierne nižšie náklady ako ich náprotivky pódia na žule.

Naša ekonomická štúdia pozostáva z troch základných nákladových zložiek: strojné súčiastky (vrátane vyrobených aj zakúpených komponentov), ​​montáž žuly a práca a réžia.

Časti strojov

Riešenie IGM ponúka oproti riešeniu s plošinou na žule pozoruhodné úspory, čo sa týka strojných súčiastok. Je to predovšetkým kvôli tomu, že IGM nemá zložito opracované základne plošiny na osiach Y a X, čo zvyšuje zložitosť a náklady riešení s plošinou na žule. Úspory nákladov možno ďalej pripísať relatívnemu zjednodušeniu iných opracovaných súčiastok v riešení IGM, ako sú napríklad pohyblivé vozíky, ktoré môžu mať jednoduchšie vlastnosti a o niečo uvoľnenejšie tolerancie, keď sú navrhnuté na použitie v systéme IGM.

Žulové zostavy

Hoci sa zdá, že zostavy žulovej základne, stúpačky a mostíka v systémoch IGM aj pódium na žule majú podobný tvar a vzhľad, žulová zostava IGM je o niečo drahšia. Je to preto, že žula v riešení IGM nahrádza opracované základne pódia v riešení pódium na žule, čo vyžaduje, aby žula mala vo všeobecnosti prísnejšie tolerancie v kritických oblastiach a dokonca aj ďalšie prvky, ako sú napríklad extrudované rezy a/alebo závitové oceľové vložky. V našej prípadovej štúdii je však pridaná zložitosť žulovej štruktúry viac než vyvážená zjednodušením strojných častí.

Práca a réžia

Vzhľadom na mnohé podobnosti pri montáži a testovaní systémov IGM a pódií na žule nie je významný rozdiel v nákladoch na prácu a réžiu.

Po kombinácii všetkých týchto nákladových faktorov je konkrétne riešenie IGM s mechanickými ložiskami, ktoré sa skúmalo v tejto štúdii, približne o 15 % lacnejšie ako riešenie s mechanickými ložiskami a pódiom na žule.

Výsledky ekonomickej analýzy samozrejme nezávisia len od atribútov, ako je dĺžka dráhy, presnosť a nosnosť, ale aj od faktorov, ako je výber dodávateľa žuly. Okrem toho je rozumné zvážiť náklady na dopravu a logistiku spojené s obstaraním žulovej konštrukcie. Obzvlášť užitočné pre veľmi veľké žulové systémy, hoci to platí pre všetky veľkosti, výber kvalifikovaného dodávateľa žuly v tesnej blízkosti miesta konečnej montáže systému môže tiež pomôcť minimalizovať náklady.

Treba tiež poznamenať, že táto analýza nezohľadňuje náklady po implementácii. Predpokladajme napríklad, že je potrebné opraviť pohybový systém opravou alebo výmenou osi pohybu. Systém javiska na žule je možné opraviť jednoduchým odstránením a opravou/výmenou postihnutej osi. Vďaka modulárnejšiemu dizajnu javiska je to možné vykonať relatívne ľahko a rýchlo, a to aj napriek vyšším počiatočným nákladom na systém. Hoci systémy IGM je možné vo všeobecnosti získať za nižšie náklady ako ich náprotivky javiska na žule, ich demontáž a servis môžu byť náročnejšie kvôli integrovanej povahe konštrukcie.

Záver

Každý typ konštrukcie pohyblivej platformy – pódium na žule a IGM – môže jednoznačne ponúkať odlišné výhody. Nie je však vždy zrejmé, ktorá voľba je najideálnejšou voľbou pre konkrétnu aplikáciu pohybu. Preto je veľmi prospešné spolupracovať so skúseným dodávateľom pohybových a automatizačných systémov, ako je Aerotech, ktorý ponúka jednoznačne aplikačne zameraný konzultačný prístup s cieľom preskúmať a poskytnúť cenné poznatky o alternatívnych riešeniach pre náročné aplikácie riadenia pohybu a automatizácie. Pochopenie nielen rozdielu medzi týmito dvoma druhmi automatizačných riešení, ale aj základných aspektov problémov, ktoré majú riešiť, je základným kľúčom k úspechu pri výbere pohybového systému, ktorý spĺňa technické aj finančné ciele projektu.

Od spoločnosti AEROTECH.