Het verschil tussen Stage-on-Granite en geïntegreerde granieten bewegingssystemen

De keuze van het meest geschikte lineaire bewegingsplatform op basis van graniet voor een bepaalde toepassing hangt af van een groot aantal factoren en variabelen. Het is cruciaal om te beseffen dat elke toepassing zijn eigen unieke eisen heeft die begrepen en geprioriteerd moeten worden om een effectieve oplossing voor een bewegingsplatform te vinden.

Een van de meest voorkomende oplossingen is de montage van discrete positioneringsplatforms op een granieten constructie. Een andere veelgebruikte oplossing integreert de componenten die de bewegingsassen vormen direct in het graniet zelf. De keuze tussen een platform met platform op graniet en een geïntegreerd granieten bewegingsplatform (IGM) is een van de eerste beslissingen die in het selectieproces worden genomen. Er zijn duidelijke verschillen tussen beide oplossingen, en natuurlijk heeft elk zijn eigen voordelen – en kanttekeningen – die zorgvuldig moeten worden begrepen en overwogen.

Om beter inzicht te bieden in dit besluitvormingsproces, evalueren we de verschillen tussen twee fundamentele ontwerpen voor lineaire bewegingsplatformen: een traditionele oplossing met een podium op graniet en een IGM-oplossing. Dit doen we vanuit zowel technisch als financieel perspectief in de vorm van een casestudy over mechanische lagers.

Achtergrond

Om de overeenkomsten en verschillen tussen IGM-systemen en traditionele fase-op-graniet-systemen te onderzoeken, hebben we twee testcase-ontwerpen gegenereerd:

• Mechanisch lager, fase-op-graniet
• Mechanisch lager, IGM

In beide gevallen bestaat elk systeem uit drie bewegingsassen. De Y-as biedt een slag van 1000 mm en bevindt zich op de basis van de granieten constructie. De X-as, die zich op de brug van de constructie bevindt met een slag van 400 mm, draagt de verticale Z-as met een slag van 100 mm. Deze opstelling is pictografisch weergegeven.

Voor het ontwerp met een platform op graniet kozen we voor een PRO560LM wide-body platform voor de Y-as vanwege zijn grotere draagvermogen, wat gebruikelijk is voor veel bewegingstoepassingen met deze "Y/XZ split-bridge"-opstelling. Voor de X-as kozen we voor een PRO280LM, die in veel toepassingen vaak als brug-as wordt gebruikt. De PRO280LM biedt een praktische balans tussen zijn compacte formaat en de mogelijkheid om een Z-as met een klantlading te dragen.

Voor de IGM-ontwerpen hebben we de fundamentele ontwerpconcepten en lay-outs van de bovenstaande assen nauwgezet overgenomen. Het belangrijkste verschil is dat de IGM-assen direct in de granieten structuur zijn ingebouwd en daarom niet beschikken over de bewerkte componentbases die wel aanwezig zijn in de ontwerpen met een fase-op-graniet.

In beide ontwerpen is de Z-as gemeenschappelijk, waarvoor gekozen is voor een PRO190SL kogelomloopspindel. Deze as is zeer populair voor gebruik in verticale positie op een brug vanwege zijn royale laadvermogen en relatief compacte vormfactor.

Figuur 2 illustreert de specifieke bestudeerde fase-op-graniet- en IGM-systemen.

Technische vergelijking

IGM-systemen worden ontworpen met behulp van diverse technieken en componenten die vergelijkbaar zijn met die van traditionele trap-op-graniet-ontwerpen. Hierdoor hebben IGM-systemen en trap-op-graniet-systemen talrijke technische eigenschappen gemeen. Daarentegen biedt de directe integratie van de bewegingsassen in de granietstructuur verschillende onderscheidende kenmerken die IGM-systemen onderscheiden van trap-op-graniet-systemen.

Vormfactor

De meest voor de hand liggende overeenkomst begint misschien wel bij de fundering van de machine: het graniet. Hoewel er verschillen zijn in de kenmerken en toleranties tussen de Stage-on-Graniet- en IGM-ontwerpen, zijn de totale afmetingen van de granieten basis, stijgbuizen en brug gelijk. Dit komt voornamelijk doordat de nominale en maximale slaglengtes van de Stage-on-Graniet- en IGM-ontwerpen identiek zijn.

Bouw

Het ontbreken van asbases met bewerkte componenten in het IGM-ontwerp biedt bepaalde voordelen ten opzichte van oplossingen met een platform op graniet. Met name de vermindering van componenten in de structurele lus van het IGM draagt bij aan een hogere algehele asstijfheid. Het zorgt ook voor een kortere afstand tussen de granieten basis en het bovenoppervlak van de wagen. In deze specifieke casestudy biedt het IGM-ontwerp een 33% lagere werkoppervlaktehoogte (80 mm ten opzichte van 120 mm). Deze lagere werkhoogte zorgt niet alleen voor een compacter ontwerp, maar vermindert ook de machine-offsets van de motor en encoder tot het werkpunt, wat resulteert in minder Abbe-fouten en dus verbeterde werkpuntpositioneringsprestaties.

Ascomponenten

Kijken we dieper in het ontwerp, dan zien we dat de Stage-on-Graniet- en IGM-oplossingen enkele belangrijke componenten delen, zoals lineaire motoren en positie-encoders. De keuze voor een gemeenschappelijke forcer en magneetspoor leidt tot gelijkwaardige krachtuitvoercapaciteiten. Het gebruik van dezelfde encoders in beide ontwerpen zorgt eveneens voor een identieke hoge resolutie voor positioneringsfeedback. Hierdoor verschillen de lineaire nauwkeurigheid en herhaalbaarheidsprestaties tussen de Stage-on-Graniet- en IGM-oplossingen niet significant. Een vergelijkbare componentindeling, inclusief lagerafstand en toleranties, leidt tot vergelijkbare prestaties op het gebied van geometrische foutbewegingen (d.w.z. horizontale en verticale rechtheid, helling, rol en gier). Ten slotte zijn de ondersteunende elementen van beide ontwerpen, waaronder kabelmanagement, elektrische limieten en hardstops, fundamenteel identiek in functie, hoewel ze enigszins kunnen verschillen in uiterlijk.

Lagers

Een van de meest opvallende verschillen voor dit specifieke ontwerp is de keuze van de lineaire geleidingslagers. Hoewel recirculerende kogellagers worden gebruikt in zowel stage-on-graniet- als IGM-systemen, maakt het IGM-systeem het mogelijk om grotere, stijvere lagers in het ontwerp te integreren zonder de werkhoogte van de as te verhogen. Omdat het IGM-ontwerp het graniet als basis gebruikt, in tegenstelling tot een basis met afzonderlijk bewerkte componenten, is het mogelijk om een deel van de verticale ruimte die anders door een bewerkte basis zou worden ingenomen, terug te winnen en deze ruimte in wezen op te vullen met grotere lagers, terwijl de totale wagenhoogte boven het graniet toch wordt verlaagd.

Stijfheid

Het gebruik van grotere lagers in het IGM-ontwerp heeft een grote impact op de hoekstijfheid. In het geval van de brede onderste as (Y) biedt de IGM-oplossing een meer dan 40% hogere rolstijfheid, een 30% hogere spoedstijfheid en een 20% hogere gierstijfheid dan een overeenkomstig ontwerp met een trap op graniet. Evenzo biedt de brug van de IGM een viervoudige toename in rolstijfheid, een dubbele spoedstijfheid en een meer dan 30% hogere gierstijfheid dan zijn tegenhanger met een trap op graniet. Een hogere hoekstijfheid is voordelig omdat deze direct bijdraagt aan verbeterde dynamische prestaties, wat essentieel is voor een hogere machinedoorvoer.

Laadvermogen

De grotere lagers van de IGM-oplossing zorgen voor een aanzienlijk hoger laadvermogen dan een stage-on-granietoplossing. Hoewel de basisas van de PRO560LM van de stage-on-granietoplossing een laadvermogen van 150 kg heeft, kan de bijbehorende IGM-oplossing een laadvermogen van 300 kg aan. De brugas van de PRO280LM van de stage-on-granietoplossing ondersteunt eveneens 150 kg, terwijl de brugas van de IGM-oplossing tot 200 kg kan dragen.

Bewegende massa

Hoewel de grotere lagers in de mechanisch gelagerde IGM-assen betere hoekprestaties en een groter draagvermogen bieden, worden ze ook geleverd met grotere, zwaardere loopwagens. Bovendien zijn de IGM-wagens zo ontworpen dat bepaalde bewerkte onderdelen die nodig zijn voor een stage-on-graniet-as (maar niet vereist voor een IGM-as) zijn verwijderd om de stijfheid van het onderdeel te verhogen en de productie te vereenvoudigen. Deze factoren betekenen dat de IGM-as een grotere bewegende massa heeft dan een overeenkomstige stage-on-graniet-as. Een onbetwistbaar nadeel is dat de maximale acceleratie van de IGM lager is, ervan uitgaande dat de motorkracht ongewijzigd blijft. Toch kan een grotere bewegende massa in bepaalde situaties voordelig zijn, omdat de grotere traagheid een grotere weerstand tegen verstoringen kan bieden, wat kan correleren met een verhoogde stabiliteit in positie.

Structurele dynamiek

De hogere lagerstijfheid en de stijvere wagen van het IGM-systeem bieden extra voordelen die duidelijk worden na het uitvoeren van een modale analyse met een softwarepakket voor eindige-elementenanalyse (FEA). In deze studie hebben we de eerste resonantie van de bewegende wagen onderzocht vanwege het effect ervan op de servobandbreedte. De PRO560LM-wagen ondervindt een resonantie bij 400 Hz, terwijl de corresponderende IGM-wagen dezelfde modus ervaart bij 430 Hz. Figuur 3 illustreert dit resultaat.

De hogere resonantie van de IGM-oplossing, vergeleken met traditionele podium-op-graniet, kan deels worden toegeschreven aan het stijvere ontwerp van de wagen en het lager. Een hogere wagenresonantie maakt een grotere servobandbreedte en daardoor betere dynamische prestaties mogelijk.

Bedrijfsomgeving

Afdichting van de as is bijna altijd vereist wanneer er verontreinigingen aanwezig zijn, of deze nu ontstaan door het proces van de gebruiker of anderszins aanwezig zijn in de omgeving van de machine. Oplossingen met een platform op graniet zijn in deze situaties bijzonder geschikt vanwege de inherent gesloten aard van de as. Lineaire platformen uit de PRO-serie zijn bijvoorbeeld uitgerust met harde afdekkingen en zijafdichtingen die de interne platformcomponenten in redelijke mate beschermen tegen verontreiniging. Deze platformen kunnen ook worden geconfigureerd met optionele tafelbladwissers om vuil van de harde afdekking te vegen terwijl het platform beweegt. Aan de andere kant zijn IGM-bewegingsplatformen inherent open van aard, met de lagers, motoren en encoders blootgelegd. Hoewel dit geen probleem is in schonere omgevingen, kan dit problematisch zijn wanneer er verontreiniging aanwezig is. Dit probleem kan worden opgelost door een speciale balgachtige afdekking in het ontwerp van een IGM-as te integreren ter bescherming tegen vuil. Maar als de balg niet correct wordt geïmplementeerd, kan deze de beweging van de as negatief beïnvloeden door externe krachten op de wagen uit te oefenen tijdens zijn volledige bewegingsbereik.

Onderhoud

Onderhoudsgemak is een onderscheidend kenmerk tussen platformen op graniet en IGM-bewegingsplatformen. Assen met lineaire motoren staan bekend om hun robuustheid, maar soms is onderhoud noodzakelijk. Bepaalde onderhoudswerkzaamheden zijn relatief eenvoudig en kunnen worden uitgevoerd zonder de betreffende as te verwijderen of te demonteren, maar soms is een grondigere demontage vereist. Wanneer het bewegingsplatform bestaat uit afzonderlijke platformen die op graniet zijn gemonteerd, is onderhoud een redelijk eenvoudige taak. Demonteer eerst het platform van het graniet, voer vervolgens de benodigde onderhoudswerkzaamheden uit en monteer het opnieuw. Of vervang het eenvoudigweg door een nieuw platform.

IGM-oplossingen kunnen soms een grotere uitdaging vormen bij het uitvoeren van onderhoud. Hoewel het vervangen van een enkele magneetbaan van de lineaire motor in dit geval zeer eenvoudig is, omvatten ingewikkelder onderhoud en reparaties vaak het volledig demonteren van veel of alle componenten van de as. Dit kost meer tijd wanneer de componenten direct op graniet zijn gemonteerd. Het is ook moeilijker om de assen op granietbasis na onderhoud opnieuw op elkaar uit te lijnen – een taak die aanzienlijk eenvoudiger is met discrete trappen.

Tabel 1. Een overzicht van de fundamentele technische verschillen tussen mechanische lagers op graniet en IGM-oplossingen.

Economische vergelijking

Hoewel de absolute kosten van een bewegingssysteem variëren op basis van diverse factoren, waaronder slaglengte, asnauwkeurigheid, belastingscapaciteit en dynamische mogelijkheden, suggereren de relatieve vergelijkingen van analoge IGM- en fase-op-graniet-bewegingssystemen die in dit onderzoek zijn uitgevoerd, dat IGM-oplossingen in staat zijn om bewegingen met gemiddelde tot hoge precisie te bieden tegen enigszins lagere kosten dan hun fase-op-graniet-tegenhangers.

Onze economische studie bestaat uit drie fundamentele kostencomponenten: machineonderdelen (zowel gefabriceerde onderdelen als gekochte componenten), de granietassemblage, en arbeid en overhead.

Machineonderdelen

Een IGM-oplossing biedt aanzienlijke besparingen ten opzichte van een platform-op-granietoplossing wat betreft machineonderdelen. Dit komt voornamelijk door het ontbreken van complex bewerkte platformvoeten op de Y- en X-as, wat complexiteit en kosten toevoegt aan de platform-op-granietoplossing. Verder kunnen kostenbesparingen worden toegeschreven aan de relatieve vereenvoudiging van andere bewerkte onderdelen op de IGM-oplossing, zoals de bewegende wagens. Deze kunnen eenvoudigere eigenschappen en iets ruimere toleranties hebben wanneer ze ontworpen zijn voor gebruik in een IGM-systeem.

Graniet assemblages

Hoewel de granieten basis-riser-brug-constructies in zowel het IGM- als het stage-on-graniet-systeem een vergelijkbare vormfactor en uitstraling lijken te hebben, is de IGM-granietconstructie marginaal duurder. Dit komt doordat het graniet in de IGM-oplossing de bewerkte stage-bases in de stage-on-graniet-oplossing vervangt. Dit vereist dat het graniet over het algemeen nauwere toleranties heeft in kritieke gebieden, en zelfs extra eigenschappen, zoals bijvoorbeeld geëxtrudeerde sneden en/of stalen schroefdraadinzetstukken. In onze casestudy wordt de extra complexiteit van de granietstructuur echter ruimschoots gecompenseerd door de vereenvoudiging van de machineonderdelen.

Arbeid en overhead

Omdat er veel overeenkomsten zijn in het monteren en testen van zowel het IGM- als het stage-on-granietsysteem, is er geen significant verschil in arbeids- en overheadkosten.

Wanneer al deze kostenfactoren worden gecombineerd, is de specifieke IGM-oplossing met mechanische lagers die in deze studie is onderzocht, ongeveer 15% goedkoper dan de oplossing met mechanische lagers op graniet.

De resultaten van de economische analyse hangen uiteraard niet alleen af van kenmerken zoals de lengte van de baan, de precisie en het draagvermogen, maar ook van factoren zoals de keuze van de granietleverancier. Daarnaast is het verstandig om rekening te houden met de verzend- en logistieke kosten die gepaard gaan met de aanschaf van een granietconstructie. Dit is met name handig voor zeer grote granietsystemen, hoewel dit voor alle formaten geldt. Het kiezen van een gekwalificeerde granietleverancier dichter bij de locatie waar het uiteindelijke systeem wordt gemonteerd, kan ook helpen de kosten te minimaliseren.

Opgemerkt dient te worden dat deze analyse geen rekening houdt met kosten na implementatie. Stel bijvoorbeeld dat het nodig is om het bewegingssysteem te onderhouden door een bewegingsas te repareren of te vervangen. Een systeem met een podium op graniet kan worden onderhouden door simpelweg de betreffende as te verwijderen en te repareren/vervangen. Dankzij het meer modulaire ontwerp met podiumstijl kan dit relatief eenvoudig en snel worden uitgevoerd, ondanks de hogere initiële kosten. Hoewel IGM-systemen over het algemeen goedkoper verkrijgbaar zijn dan hun tegenhangers met een podium op graniet, kunnen ze lastiger te demonteren en te onderhouden zijn vanwege het geïntegreerde karakter van de constructie.

Conclusie

Het is duidelijk dat elk type bewegingsplatform – stage-on-graniet en IGM – specifieke voordelen kan bieden. Het is echter niet altijd duidelijk welke de meest ideale keuze is voor een specifieke bewegingstoepassing. Daarom is het zeer voordelig om samen te werken met een ervaren leverancier van bewegings- en automatiseringssystemen, zoals Aerotech, die een uitgesproken toepassingsgerichte, adviserende aanpak biedt om waardevolle inzichten te verkrijgen in alternatieve oplossingen voor uitdagende toepassingen op het gebied van bewegingsbesturing en automatisering. Inzicht in niet alleen het verschil tussen deze twee soorten automatiseringsoplossingen, maar ook in de fundamentele aspecten van de problemen die ze moeten oplossen, is de sleutel tot succes bij het kiezen van een bewegingssysteem dat zowel de technische als de financiële doelstellingen van het project ondersteunt.

Van AEROTECH.