A különbség a gránit színpadon és az integrált gránit mozgásrendszerek között

Egy adott alkalmazáshoz legmegfelelőbb gránit alapú lineáris mozgásplatform kiválasztása számos tényezőtől és változótól függ. Fontos felismerni, hogy minden egyes alkalmazásnak megvannak a saját egyedi követelményei, amelyeket meg kell érteni és rangsorolni kell ahhoz, hogy hatékony megoldást találjunk egy mozgásplatform szempontjából.

Az egyik elterjedtebb megoldás a különálló pozicionáló fokozatok gránit szerkezetre történő felszerelése. Egy másik gyakori megoldás a mozgástengelyeket alkotó komponenseket közvetlenül magába a gránitba integrálja. A gránitra szerelt állvány és az integrált gránitmozgás-platform (IGM) közötti választás az egyik legkorábbi döntés a kiválasztási folyamatban. A két megoldástípus között egyértelmű különbségek vannak, és természetesen mindegyiknek megvannak a maga előnyei – és hátrányai –, amelyeket gondosan meg kell érteni és figyelembe kell venni.

A döntéshozatali folyamat jobb megértése érdekében két alapvető lineáris mozgásplatform-kialakítás – egy hagyományos gránitállványos megoldás és egy IGM-megoldás – közötti különbségeket mind műszaki, mind pénzügyi szempontból értékeljük egy mechanikus csapágyazású esettanulmány formájában.

Háttér

Az IGM rendszerek és a hagyományos gránitalapú színpadrendszerek közötti hasonlóságok és különbségek feltárása érdekében két teszteset-tervet készítettünk:

• Mechanikus csapágy, gránitra szerelt színpad
• Mechanikus csapágy, IGM

Mindkét esetben minden rendszer három mozgástengelyből áll. Az Y tengely 1000 mm-es mozgástartományt kínál, és a gránitszerkezet talapzatán található. Az X tengely, amely a szerelvény hídján található, 400 mm-es mozgástartományral, a függőleges Z tengelyt hordozza, 100 mm-es mozgástartományral. Ez az elrendezés piktogramokkal van ábrázolva.

A gránitasztalos kialakításhoz egy PRO560LM széles testű asztalt választottunk az Y tengelyhez a nagyobb teherbírása miatt, ami gyakori számos mozgásalkalmazásnál, amelyek ezt az „Y/XZ osztott híd” elrendezést használják. Az X tengelyhez egy PRO280LM-et választottunk, amelyet gyakran használnak hídtengelyként számos alkalmazásban. A PRO280LM praktikus egyensúlyt kínál a helyigénye és a Z tengely ügyfél általi teherbírásának képessége között.

Az IGM tervek esetében szorosan lemásoltuk a fenti tengelyek alapvető tervezési koncepcióit és elrendezését, azzal a fő különbséggel, hogy az IGM tengelyek közvetlenül a gránitszerkezetbe vannak beépítve, ezért hiányoznak belőlük a gránitra szerelt mintákban megtalálható megmunkált alkatrészekből álló talpak.

Mindkét tervezési esetben közös a Z tengely, amelyet egy PRO190SL golyósorsós hajtású állványnak választottak. Ez egy nagyon népszerű tengely a hidakon függőleges helyzetben történő használatra a nagy teherbírása és a viszonylag kompakt kialakítása miatt.

A 2. ábra a vizsgált, gránitra szerelt és IGM rendszereket szemlélteti.

Műszaki összehasonlítás

Az IGM rendszereket számos olyan technikával és komponenssel tervezik, amelyek hasonlóak a hagyományos gránitra szerelt színpadszerkezetekhez. Ennek eredményeként számos közös műszaki tulajdonsággal rendelkeznek az IGM rendszerek és a gránitra szerelt színpadszerkezetek között. Ezzel szemben a mozgástengelyek közvetlenül a gránitszerkezetbe integrálása számos olyan megkülönböztető jellemzőt kínál, amelyek megkülönböztetik az IGM rendszereket a gránitra szerelt színpadszerkezetektől.

Formfaktor

Talán a legnyilvánvalóbb hasonlóság a gép alapozásánál – a gránitnál – kezdődik. Bár vannak különbségek a gránit színpadra szerelt és az IGM kivitelek jellemzőiben és tűréshatáraiban, a gránit alap, a magasítók és a híd teljes méretei egyenértékűek. Ez elsősorban annak köszönhető, hogy a névleges és a határértékek azonosak a gránit színpadra szerelt és az IGM között.

Építés

Az IGM kialakításában a megmunkált alkatrészekből álló tengelyalapok hiánya bizonyos előnyöket biztosít a gránitra szerelt megoldásokkal szemben. Különösen az IGM szerkezeti hurokjában lévő alkatrészek számának csökkentése segít növelni a tengely teljes merevségét. Ez lehetővé teszi a gránit alap és a kocsi felső felülete közötti rövidebb távolságot is. Ebben a konkrét esettanulmányban az IGM kialakítása 33%-kal alacsonyabb munkafelület-magasságot kínál (80 mm a 120 mm-hez képest). Ez a kisebb munkamagasság nemcsak kompaktabb kialakítást tesz lehetővé, hanem csökkenti a gép eltolódását a motortól és az útmérőtől a munkapontig, ami csökkenti az Abbe-hibákat, és ezáltal javítja a munkapont-pozicionálási teljesítményt.

Tengelykomponensek

A terv mélyebb vizsgálata során kiderül, hogy a gránitasztalos és az IGM megoldások néhány kulcsfontosságú komponenst, például a lineáris motorokat és a pozíciómérőket közösen használják. A közös erő- és mágnespálya-választás egyenértékű erő-kimeneti képességeket eredményez. Hasonlóképpen, ugyanazon jeladók használata mindkét kivitelben azonosan finom felbontást biztosít a pozicionálási visszajelzéshez. Ennek eredményeként a lineáris pontosság és az ismétlési pontosság nem különbözik jelentősen a gránitasztalos és az IGM megoldások között. A hasonló alkatrész-elrendezés, beleértve a csapágyak elválasztását és a tűréshatárokat, összehasonlítható teljesítményt eredményez a geometriai hibamozgások (azaz a vízszintes és függőleges egyenesség, a dőlés, a gördülés és az elfordulás) tekintetében. Végül, mindkét kivitel tartóelemei, beleértve a kábelrendezést, az elektromos határolókat és a kemény ütközőket, alapvetően azonos funkcióval rendelkeznek, bár fizikai megjelenésükben némileg eltérhetnek.

Csapágyak

Ennél a konkrét kialakításnál az egyik legjelentősebb különbség a lineáris vezetőcsapágyak kiválasztása. Bár mind a gránitra szerelt, mind az IGM rendszerekben recirkulációs golyóscsapágyakat használnak, az IGM rendszer lehetővé teszi nagyobb, merevebb csapágyak beépítését a kialakításba a tengely munkamagasságának növelése nélkül. Mivel az IGM kialakítása a gránitra támaszkodik alapként, szemben a különálló megmunkált alkatrészekből álló alappal, visszanyerhető a megmunkált alap által egyébként elfoglalt függőleges terület egy része, és lényegében ezt a helyet nagyobb csapágyakkal lehet kitölteni, miközben továbbra is csökken a kocsi teljes magassága a gránit felett.

Merevség

Az IGM kialakításában a nagyobb csapágyak használata mélyreható hatással van a szögmerevségre. A széles testű alsó tengely (Y) esetében az IGM megoldás több mint 40%-kal nagyobb gördülési merevséget, 30%-kal nagyobb osztási merevséget és 20%-kal nagyobb elfordulási merevséget kínál, mint a megfelelő gránitlapos kialakítás. Hasonlóképpen, az IGM hídja négyszeresére növelte a gördülési merevséget, kétszeres osztási merevséget és több mint 30%-kal nagyobb elfordulási merevséget kínál, mint a gránitlapos megfelelője. A nagyobb szögmerevség azért előnyös, mert közvetlenül hozzájárul a jobb dinamikus teljesítményhez, ami kulcsfontosságú a nagyobb gépáteresztő képesség eléréséhez.

Teherbírás

Az IGM megoldás nagyobb csapágyai lényegesen nagyobb teherbírást tesznek lehetővé, mint a gránitra szerelt színpadra szerelt megoldások. Bár a gránitra szerelt színpadra szerelt megoldás PRO560LM alaptengelyének teherbírása 150 kg, a megfelelő IGM megoldás 300 kg hasznos teher felvételére is alkalmas. Hasonlóképpen, a gránitra szerelt színpadra szerelt PRO280LM hídtengelye 150 kg-ot, míg az IGM megoldás hídtengelye akár 200 kg-ot is elbír.

Mozgó tömeg

Míg a mechanikus csapágyazású IGM tengelyek nagyobb csapágyai jobb szögteljesítményt és nagyobb teherbírást kínálnak, nagyobb, nehezebb kocsikkal is rendelkeznek. Ezenkívül az IGM kocsikat úgy tervezték, hogy bizonyos, a gránitasztalon elhelyezett tengelyhez szükséges (de az IGM tengely által nem kötelező) megmunkált jellemzőket eltávolították az alkatrész merevségének növelése és a gyártás egyszerűsítése érdekében. Ezek a tényezők azt jelentik, hogy az IGM tengely nagyobb mozgó tömeggel rendelkezik, mint egy megfelelő gránitasztalon elhelyezett tengely. Vitathatatlan hátránya, hogy az IGM maximális gyorsulása alacsonyabb, feltételezve, hogy a motor teljesítménye változatlan. Bizonyos helyzetekben azonban a nagyobb mozgó tömeg előnyös lehet abból a szempontból, hogy nagyobb tehetetlensége nagyobb ellenállást biztosít a zavarokkal szemben, ami a megnövekedett pozícióstabilitáshoz vezethet.

Szerkezeti dinamika

Az IGM rendszer nagyobb csapágymerevsége és merevebb kocsija további előnyöket biztosít, amelyek egy végeselemes analízis (FEA) szoftvercsomag használatával végzett modális analízis után nyilvánvalóvá válnak. Ebben a tanulmányban a mozgó kocsi első rezonanciáját vizsgáltuk a szervo sávszélességére gyakorolt ​​hatása miatt. A PRO560LM kocsi 400 Hz-en rezonanciát tapasztal, míg a megfelelő IGM kocsi ugyanezt a módust tapasztalja 430 Hz-en. A 3. ábra ezt az eredményt szemlélteti.

Az IGM megoldás magasabb rezonanciája a hagyományos gránitalapú színpadi megoldásokhoz képest részben a merevebb kocsi- és csapágykialakításnak tulajdonítható. A magasabb kocsirezonancia nagyobb szervo sávszélességet és ezáltal jobb dinamikus teljesítményt tesz lehetővé.

Működési környezet

A tengelyek tömíthetősége szinte mindig kötelező, ha szennyeződések vannak jelen, akár a felhasználói folyamat során keletkeznek, akár más módon jelen vannak a gép környezetében. A gránitra szerelt asztallapos megoldások különösen alkalmasak ezekben a helyzetekben a tengely eredendően zárt jellege miatt. A PRO sorozatú lineáris asztalok például kemény burkolatokkal és oldalsó tömítésekkel vannak felszerelve, amelyek ésszerű mértékben védik a belső asztalalkatrészeket a szennyeződésektől. Ezek az asztalok opcionális asztali ablaktörlőkkel is konfigurálhatók, amelyek a asztal mozgása közben lesöprik a törmeléket a felső kemény burkolatról. Másrészt az IGM mozgásplatformok eredendően nyitottak, a csapágyak, motorok és kódolók szabadon maradnak. Bár tisztább környezetben nem jelent problémát, ez problémás lehet szennyeződés esetén. Ez a probléma megoldható egy speciális, harmonikaszerű útburkolat beépítésével az IGM tengely kialakításába, amely védelmet nyújt a törmelék ellen. De ha nem megfelelően alkalmazzák, a harmonika negatívan befolyásolhatja a tengely mozgását azáltal, hogy külső erőket fejt ki a kocsira, miközben az teljes mozgástartományán mozog.

Karbantartás

A szervizelhetőség megkülönbözteti a gránitra szerelt és az IGM mozgásplatformokat. A lineáris motoros tengelyek jól ismertek robusztusságukról, de néha szükségessé válik a karbantartás. Bizonyos karbantartási műveletek viszonylag egyszerűek, és a szóban forgó tengely eltávolítása vagy szétszerelése nélkül is elvégezhetők, de néha alaposabb szétszerelésre van szükség. Amikor a mozgásplatform gránitra szerelt különálló állványokból áll, a szervizelés viszonylag egyszerű feladat. Először is, le kell szerelni az állványt a gránitról, majd el kell végezni a szükséges karbantartási munkákat, és újra kell szerelni. Vagy egyszerűen ki kell cserélni egy újra.

Az IGM megoldások karbantartása időnként nagyobb kihívást jelenthet. Bár a lineáris motor egyetlen mágneses sávjának cseréje ebben az esetben nagyon egyszerű, a bonyolultabb karbantartás és javítások gyakran magukban foglalják a tengelyt alkotó alkatrészek nagy részének vagy egészének teljes szétszerelését, ami időigényesebb, ha az alkatrészeket közvetlenül gránitra szerelik. A karbantartás elvégzése után nehezebb a gránit alapú tengelyeket egymáshoz igazítani – ez a feladat lényegesen egyszerűbb a különálló szakaszok esetén.

1. táblázat. A mechanikus csapágyazású gránitlemezes és az IGM megoldások közötti alapvető műszaki különbségek összefoglalása.

Gazdasági összehasonlítás

Bár bármely mozgásrendszer abszolút költsége számos tényezőtől függ, beleértve a mozgáshosszt, a tengelypontosságot, a teherbírást és a dinamikus képességeket, az ebben a tanulmányban elvégzett hasonló IGM és gránitból készült színpadra szerelt mozgásrendszerek relatív összehasonlítása azt sugallja, hogy az IGM megoldások közepes és nagy pontosságú mozgást képesek biztosítani mérsékelten alacsonyabb költségek mellett, mint a gránitból készült színpadra szerelt társaik.

Gazdasági tanulmányunk három alapvető költségkomponensből áll: a gépalkatrészekből (beleértve mind a gyártott, mind a vásárolt alkatrészeket), a gránit összeszereléséből, valamint a munka- és rezsiköltségekből.

Gépalkatrészek

Egy IGM megoldás figyelemre méltó megtakarítást kínál a gránitasztalos megoldásokkal szemben a gépalkatrészek tekintetében. Ez elsősorban annak köszönhető, hogy az IGM nem rendelkezik bonyolultan megmunkált állványalapokkal az Y és X tengelyeken, amelyek növelik a gránitasztalos megoldások bonyolultságát és költségeit. Továbbá a költségmegtakarítás az IGM megoldáson megmunkált egyéb alkatrészek, például a mozgó kocsik relatív egyszerűsítésének is tulajdonítható, amelyek egyszerűbb tulajdonságokkal és némileg rugalmasabb tűréshatárokkal rendelkezhetnek, ha IGM rendszerben való használatra tervezik őket.

Gránit szerelvények

Bár a gránit alap-emelvény-híd szerelvények mind az IGM, mind a gránit színpadra szerelt rendszerekben hasonló formai tényezővel és megjelenéssel rendelkeznek, az IGM gránit szerelvény valamivel drágább. Ez azért van, mert az IGM megoldásban a gránit a gránit színpadra szerelt megoldásban a megmunkált színpadalapok helyét veszi át, ami megköveteli, hogy a gránit a kritikus területeken általában szigorúbb tűréssel rendelkezzen, sőt további jellemzőkkel is rendelkezzen, például extrudált vágatokkal és/vagy menetes acélbetétekkel. Esettanulmányunkban azonban a gránitszerkezet további bonyolultságát bőven ellensúlyozza a gépalkatrészek egyszerűsítése.

Munkaerő és rezsiköltségek

Mivel az IGM és a gránitra szerelt színpadrendszerek összeszerelése és tesztelése számos hasonlóságot mutat, a munka- és rezsiköltségekben nincs jelentős különbség.

Ha ezeket a költségtényezőket összesítjük, a jelen tanulmányban vizsgált mechanikus csapágyazású IGM megoldás körülbelül 15%-kal olcsóbb, mint a mechanikus csapágyazású, gránitra szerelt megoldás.

Természetesen a gazdasági elemzés eredményei nemcsak olyan tulajdonságoktól függenek, mint az utazási távolság, a pontosság és a teherbírás, hanem olyan tényezőktől is, mint a gránitbeszállító kiválasztása. Ezenkívül célszerű figyelembe venni a gránitszerkezet beszerzésével járó szállítási és logisztikai költségeket. Különösen hasznos a nagyon nagy gránitrendszerek esetében, bár minden méretre igaz, hogy egy minősített gránitbeszállító kiválasztása a végső rendszerösszeszerelés helyszínéhez közelebb segíthet a költségek minimalizálásában is.

Azt is meg kell jegyezni, hogy ez az elemzés nem veszi figyelembe a megvalósítás utáni költségeket. Tegyük fel például, hogy szükségessé válik a mozgásrendszer szervizelése egy mozgástengely javításával vagy cseréjével. Egy gránitra szerelt színpadrendszer szervizelése egyszerűen az érintett tengely eltávolításával és javításával/cseréjével lehetséges. A modulárisabb színpadstílusú kialakításnak köszönhetően ez viszonylag könnyen és gyorsan elvégezhető, a magasabb kezdeti rendszerköltség ellenére. Bár az IGM rendszerek általában olcsóbban beszerezhetők, mint a gránitra szerelt színpadmodellek, a szétszerelésük és szervizelésük az integrált konstrukció jellege miatt nagyobb kihívást jelenthet.

Következtetés

Nyilvánvaló, hogy minden egyes mozgásplatform-kialakítás – gránitlapos és IGM – eltérő előnyöket kínálhat. Azonban nem mindig nyilvánvaló, hogy melyik a legideálisabb választás egy adott mozgásalkalmazáshoz. Ezért rendkívül előnyös egy tapasztalt mozgás- és automatizálási rendszerbeszállítóval, például az Aerotech-kel együttműködni, amely kifejezetten alkalmazásközpontú, konzultatív megközelítést kínál a kihívást jelentő mozgásvezérlési és automatizálási alkalmazások megoldási alternatíváinak feltárására és értékes betekintésére. A projekt műszaki és pénzügyi céljait egyaránt kielégítő mozgásrendszer kiválasztásának kulcsa nemcsak az automatizálási megoldások két fajtája közötti különbség, hanem a megoldandó problémák alapvető aspektusainak megértése is.

Az AEROTECH-től.