Erinevus graniidist lavale paigaldatavate ja integreeritud graniidist liikumissüsteemide vahel

Antud rakenduse jaoks sobivaima graniidil põhineva lineaarse liikumisplatvormi valik sõltub paljudest teguritest ja muutujatest. Oluline on mõista, et igal rakendusel on oma ainulaadne nõuete kogum, mida tuleb liikumisplatvormi osas tõhusa lahenduse leidmiseks mõista ja tähtsuse järjekorda seada.

Üks levinumaid lahendusi hõlmab diskreetsete positsioneerimisastmete paigaldamist graniitkonstruktsioonile. Teine levinud lahendus integreerib liikumistelgi moodustavad komponendid otse graniidi sisse. Graniidile paigaldatud aluse ja graniidile integreeritud liikumisplatvormi (IGM) vahel valimine on üks varasemaid otsuseid, mis valikuprotsessis tehakse. Mõlema lahendustüübi vahel on selged erinevused ja loomulikult on kummalgi oma eelised – ja puudused –, mida tuleb hoolikalt mõista ja kaaluda.

Selle otsustusprotsessi paremaks mõistmiseks hindame mehaanilise laagri juhtumiuuringu vormis kahe põhilise lineaarse liikumisplatvormi disaini – traditsioonilise graniidil oleva lavalahenduse ja IGM-lahenduse – erinevusi nii tehnilisest kui ka rahalisest vaatenurgast.

Taust

IGM-süsteemide ja traditsiooniliste graniidist laval paigaldatavate süsteemide sarnasuste ja erinevuste uurimiseks genereerisime kaks testjuhtumi kujundust:

• Mehaaniline laager, graniidil
• Mehaaniline laager, IGM

Mõlemal juhul koosneb iga süsteem kolmest liikumisteljest. Y-teljel on 1000 mm liikumisulatust ja see asub graniitkonstruktsiooni aluses. X-teljel, mis asub seadme sillal ja mille liikumisulatus on 400 mm, on vertikaalse Z-telje liikumine 100 mm. Seda paigutust on kujutatud piltlikult.

Graniidist lavakujunduse jaoks valisime Y-telje jaoks PRO560LM laia kerega lava selle suurema kandevõime tõttu, mis on tavaline paljude liikumisrakenduste puhul, mis kasutavad seda „Y/XZ jagatud silla“ paigutust. X-telje jaoks valisime PRO280LM, mida paljudes rakendustes tavaliselt kasutatakse sillateljena. PRO280LM pakub praktilist tasakaalu oma suuruse ja kliendi kasuliku koormusega Z-telje kandmise võime vahel.

IGM-i disainide puhul kopeerisime täpselt ülaltoodud kirveste põhilised disainikontseptsioonid ja paigutuse, peamise erinevusega, et IGM-i kirved on otse graniidist konstruktsiooni sisse ehitatud ja seetõttu puuduvad neil graniidist lavale paigaldatavatel disainidel esinevad töödeldud komponentidest alused.

Mõlemal konstruktsioonijuhul on ühine Z-telg, milleks valiti kuulkruvidega käitatav PRO190SL platvorm. See on silla vertikaalses orientatsioonis kasutamiseks väga populaarne telg tänu oma suurele kandevõimele ja suhteliselt kompaktsele vormitegurile.

Joonis 2 illustreerib konkreetseid uuritud graniidil põhinevaid ja IGM-süsteeme.

Tehniline võrdlus

IGM-süsteemide projekteerimisel kasutatakse mitmesuguseid tehnikaid ja komponente, mis on sarnased traditsioonilistes graniidist lavasüsteemides leiduvatega. Seetõttu on IGM-süsteemidel ja graniidist lavasüsteemidel arvukalt ühiseid tehnilisi omadusi. Seevastu liikumistelgede otse graniidist struktuuri integreerimine pakub mitmeid eristavaid omadusi, mis eristavad IGM-süsteeme graniidist lavasüsteemidest.

Vormitegur

Võib-olla kõige ilmsem sarnasus algab masina vundamendist – graniidist. Kuigi graniidist lava ja IGM-i konstruktsioonide omadustes ja tolerantsides on erinevusi, on graniidist aluse, tõusutorude ja silla üldmõõtmed samaväärsed. See on peamiselt tingitud sellest, et nominaalsed ja piirkäigud on graniidist lava ja IGM-i vahel identsed.

Ehitus

Töödeldud komponentidest telgede aluste puudumine IGM-i konstruktsioonis annab teatud eeliseid graniidist laval olevate lahenduste ees. Eelkõige aitab komponentide vähendamine IGM-i konstruktsioonisilmuses suurendada telje üldist jäikust. See võimaldab ka lühemat vahemaad graniidist aluse ja kelgu ülemise pinna vahel. Selles konkreetses juhtumiuuringus pakub IGM-i disain 33% madalamat tööpinna kõrgust (80 mm võrreldes 120 mm-ga). See väiksem töökõrgus mitte ainult ei võimalda kompaktsemat disaini, vaid vähendab ka masina nihkeid mootorist ja kodeerijast tööpunktini, mille tulemuseks on väiksemad Abbe vead ja seega parem tööpunkti positsioneerimise jõudlus.

Telje komponendid

Sügavamalt disaini vaadates on nii graniidist lavale paigaldatavatel kui ka IGM-lahendustel ühised mõned põhikomponendid, näiteks lineaarmootorid ja positsiooniandurid. Ühtne jõu- ja magnetraja valik tagab samaväärse jõu-väljundvõime. Samuti tagab samade andurite kasutamine mõlemas konstruktsioonis positsioneerimise tagasiside jaoks identselt peene eraldusvõime. Selle tulemusena ei erine lineaarne täpsus ja korduvus graniidist lavale paigaldatavate ja IGM-lahenduste vahel oluliselt. Sarnane komponentide paigutus, sealhulgas laagrite eraldus ja tolerants, tagab võrreldava jõudluse geomeetriliste vigade liikumise osas (st horisontaalne ja vertikaalne sirgus, kalle, rullumine ja lengerdus). Lõpuks on mõlema konstruktsiooni tugielemendid, sealhulgas kaablihaldus, elektrilised piirded ja kõvad peatused, põhimõtteliselt identsed funktsioonilt, kuigi nende füüsiline välimus võib mõnevõrra erineda.

Laagrid

Selle konkreetse konstruktsiooni üks tähelepanuväärsemaid erinevusi on lineaarsete juhtlaagrite valik. Kuigi nii graniidile paigaldatavates kui ka IGM-süsteemides kasutatakse retsirkuleerivaid kuullaagreid, võimaldab IGM-süsteem konstruktsiooni lisada suuremaid ja jäigemaid laagreid ilma telje töökõrgust suurendamata. Kuna IGM-konstruktsioon tugineb graniidile kui alusele, erinevalt eraldi töödeldud komponendist alusest, on võimalik tagasi saada osa vertikaalsest ruumist, mis muidu oleks töödeldud aluse poolt ära kasutatud, ja sisuliselt täita see ruum suuremate laagritega, vähendades samal ajal kelgu üldist kõrgust graniidist.

Jäikus

Suuremate laagrite kasutamine IGM-i konstruktsioonis avaldab olulist mõju nurkjäikusele. Laia kerega alumise telje (Y) puhul pakub IGM-i lahendus üle 40% suuremat veerejäikust, 30% suuremat sammjäikust ja 20% suuremat lengerdusjäikust kui vastav graniidist lavakonstruktsioon. Samamoodi pakub IGM-i sild neljakordset veerejäikust, kahekordset sammjäikust ja enam kui 30% suuremat lengerdusjäikust kui selle graniidist lavakonstruktsioon. Suurem nurkjäikus on eeliseks, kuna see aitab otseselt kaasa paremale dünaamilisele jõudlusele, mis on masina suurema läbilaskevõime saavutamiseks võtmetähtsusega.

Kandevõime

IGM-lahenduse suuremad laagrid võimaldavad oluliselt suuremat kandevõimet kui graniidist lavalahendus. Kuigi graniidist lavalahenduse PRO560LM baastelje kandevõime on 150 kg, suudab vastav IGM-lahendus kanda 300 kg kandevõimet. Samamoodi toetab graniidist lavalahenduse PRO280LM sildtelg 150 kg, samas kui IGM-lahenduse sildtelg võib kanda kuni 200 kg.

Liikuv mass

Kuigi mehaaniliselt laagerdatud IGM-telgede suuremad laagrid pakuvad paremaid nurkjõudlusomadusi ja suuremat kandevõimet, on need varustatud ka suuremate ja raskemate alusvankritega. Lisaks on IGM-kelgud konstrueeritud nii, et teatud graniidist alustelje jaoks vajalikud töödeldud detailid (kuid mitte IGM-telje jaoks) on eemaldatud, et suurendada detaili jäikust ja lihtsustada tootmist. Need tegurid tähendavad, et IGM-teljel on suurem liikuv mass kui vastaval graniidist alusteljel. Vaieldamatu puudus on see, et IGM-i maksimaalne kiirendus on madalam, eeldades, et mootori väljundjõud jääb samaks. Teatud olukordades võib suurem liikuv mass siiski olla eeliseks, kuna selle suurem inerts pakub suuremat vastupidavust häiretele, mis võib olla seotud suurema positsioonilise stabiilsusega.

Struktuuriline dünaamika

IGM-süsteemi suurem laagrijäikus ja jäigem kelk pakuvad täiendavaid eeliseid, mis ilmnevad pärast lõplike elementide analüüsi (FEA) tarkvarapaketi kasutamist modaalanalüüsi tegemiseks. Selles uuringus uurisime liikuva kelgu esimest resonantsi selle mõju tõttu servo ribalaiusele. PRO560LM kelk kogeb resonantsi sagedusel 400 Hz, samas kui vastav IGM-kelk kogeb sama moodi sagedusel 430 Hz. Joonis 3 illustreerib seda tulemust.

IGM-lahenduse suurem resonants võrreldes traditsioonilise graniidil oleva lavaga on osaliselt tingitud jäigemast kelgu ja laagri konstruktsioonist. Kõrgem kelgu resonants võimaldab suuremat servo ribalaiust ja seega paremat dünaamilist jõudlust.

Töökeskkond

Telje tihendamine on peaaegu alati kohustuslik, kui esineb saasteaineid, olenemata sellest, kas need tekivad kasutaja protsessi käigus või eksisteerivad masina keskkonnas muul viisil. Graniidil olevad lavalahendused sobivad sellistes olukordades eriti hästi telje loomupärase suletud olemuse tõttu. Näiteks PRO-seeria lineaarlavad on varustatud kõvade katete ja külgmiste tihenditega, mis kaitsevad lava sisemisi komponente mõistlikul määral saastumise eest. Neid lavasid saab konfigureerida ka valikuliste lauapuhastitega, mis pühivad ülemiselt kõvalt kaanelt prahti maha, kui lava liigub. Teisest küljest on IGM-i liikumisplatvormid loomupäraselt avatud, laagrid, mootorid ja enkoodrid on paljastatud. Kuigi see pole puhtamas keskkonnas probleem, võib see saastumise korral problemaatiline olla. Selle probleemi lahendamiseks on võimalik lisada IGM-i telje konstruktsiooni spetsiaalse lõõtsalaadse katte, mis pakub kaitset prahi eest. Kuid kui lõõtsa ei rakendata õigesti, võib see telje liikumist negatiivselt mõjutada, avaldades kelgule väliseid jõude, kui see liigub kogu oma liikumisulatuse ulatuses.

Hooldus

Hooldatavus on graniidist platvormi ja IGM liikumisplatvormi eristav tegur. Lineaarmootoriga teljed on tuntud oma vastupidavuse poolest, kuid mõnikord on vaja hooldust teha. Teatud hooldustoimingud on suhteliselt lihtsad ja neid saab teha ilma kõnealust telge eemaldamata või lahti võtmata, kuid mõnikord on vaja põhjalikumat lahtivõtmist. Kui liikumisplatvorm koosneb graniidist platvormile paigaldatud eraldi platvormidest, on hooldamine suhteliselt lihtne ülesanne. Esmalt tuleb platvorm graniidilt eemaldada, seejärel teostada vajalikud hooldustööd ja paigaldada see uuesti. Või lihtsalt asendada see uue platvormiga.

IGM-lahendused võivad hoolduse teostamisel kohati keerulisemad olla. Kuigi lineaarmootori ühe magnetraja vahetamine on sel juhul väga lihtne, hõlmavad keerulisemad hooldus- ja remonditööd sageli paljude või kõigi telje komponentide täielikku lahtivõtmist, mis on aeganõudvam, kui komponendid on otse graniidile kinnitatud. Samuti on graniidist valmistatud telgede üksteise suhtes joondamine pärast hooldust keerulisem – ülesanne, mis on diskreetsete etappide korral oluliselt lihtsam.

Tabel 1. Kokkuvõte mehaaniliselt kandvate graniidist laavalahenduste ja IGM-lahenduste põhilistest tehnilistest erinevustest.

Majanduslik võrdlus

Kuigi iga liikumissüsteemi absoluuthind varieerub mitme teguri, sealhulgas käigupikkuse, telje täpsuse, kandevõime ja dünaamiliste võimete põhjal, näitavad käesolevas uuringus läbi viidud analoogsete IGM-i ja graniidist lavale paigaldatavate liikumissüsteemide suhtelised võrdlused, et IGM-lahendused suudavad pakkuda keskmise kuni suure täpsusega liikumist mõõdukalt madalamate kuludega kui graniidist lavale paigaldatavad analoogid.

Meie majandusuuring koosneb kolmest põhilisest kulukomponendist: masinaosad (nii toodetud kui ka ostetud osad), graniidist montaaž ning tööjõu- ja üldkulud.

Masinaosad

IGM-lahendus pakub graniidist lavalahendusega võrreldes märkimisväärset kokkuhoidu masinaosade osas. See on peamiselt tingitud IGM-i keerukalt töödeldud lavaaluste puudumisest Y- ja X-teljel, mis lisavad graniidist lavalahendustele keerukust ja kulusid. Lisaks võib kulude kokkuhoidu seostada IGM-lahenduse teiste töödeldud osade, näiteks liikuvate kärude, suhtelise lihtsustamisega, millel võivad olla lihtsamad omadused ja mõnevõrra leebemad tolerantsid, kui need on projekteeritud IGM-süsteemis kasutamiseks.

Graniidist assambleed

Kuigi nii IGM-i kui ka graniidist lavasüsteemide graniidist aluse-tõusutoru-silla komplektid näivad olevat sarnase vormiteguri ja välimusega, on IGM-i graniidist konstruktsioon veidi kallim. Selle põhjuseks on asjaolu, et IGM-i lahenduses asendab graniit graniidist lavalahenduses töödeldud lavaaluseid, mis nõuab graniidilt üldiselt rangemaid tolerantse kriitilistes piirkondades ja isegi lisafunktsioone, näiteks ekstrudeeritud lõikeid ja/või keermestatud terasest sisestusi. Meie juhtumiuuringus kompenseerib graniidist struktuuri lisandunud keerukus aga masinaosade lihtsustus.

Tööjõud ja üldkulud

Kuna nii IGM-i kui ka graniidist lavasüsteemide kokkupanekul ja testimisel on palju sarnasusi, ei ole tööjõu- ja üldkuludes olulist erinevust.

Kui kõik need kulutegurid on kombineeritud, on käesolevas uuringus uuritud konkreetne mehaanilise laagriga IGM-lahendus ligikaudu 15% odavam kui mehaanilise laagriga graniidile paigaldatav lahendus.

Loomulikult ei sõltu majandusanalüüsi tulemused mitte ainult sellistest omadustest nagu teekonna pikkus, täpsus ja kandevõime, vaid ka sellistest teguritest nagu graniidist tarnija valik. Lisaks on mõistlik arvestada graniidist konstruktsiooni hankimisega seotud saatmis- ja logistikakuludega. Eriti kasulik on see väga suurte graniidist süsteemide puhul, kuigi kehtib kõigi suuruste kohta, ning kvalifitseeritud graniidist tarnija valimine lõpliku süsteemi kokkupaneku asukoha lähedal aitab kulusid minimeerida.

Samuti tuleb märkida, et see analüüs ei arvesta juurutamisjärgseid kulusid. Näiteks oletame, et liikumissüsteemi hooldamiseks on vaja parandada või asendada liikumistelge. Graniidist lavasüsteemi saab hooldada lihtsalt kahjustatud telje eemaldamise ja parandamise/asendamisega. Tänu moodulilisemale lavakujundusele saab seda teha suhteliselt lihtsalt ja kiiresti, hoolimata süsteemi kõrgemast algmaksumusest. Kuigi IGM-süsteeme saab üldiselt odavamalt kui graniidist lavasüsteeme, võib nende lahtivõtmine ja hooldamine olla keerulisem konstruktsiooni integreeritud olemuse tõttu.

Kokkuvõte

On selge, et iga liikumisplatvormi disain – nii graniidist lava kui ka IGM – pakub erinevaid eeliseid. Siiski pole alati ilmne, milline on konkreetse liikumisrakenduse jaoks kõige ideaalsem valik. Seetõttu on väga kasulik teha koostööd kogenud liikumis- ja automatiseerimissüsteemide tarnijaga, näiteks Aerotechiga, kes pakub selgelt rakendusekeskset ja konsultatiivset lähenemisviisi, et uurida ja anda väärtuslikku teavet keerukate liikumisjuhtimise ja automatiseerimise rakenduste alternatiivsete lahenduste kohta. Liikumissüsteemi valimisel, mis vastab nii projekti tehnilistele kui ka rahalistele eesmärkidele, on edu võti mitte ainult nende kahe automatiseerimislahenduse erinevuse, vaid ka nende lahendatavate probleemide põhiaspektide mõistmine.

AEROTECHilt.