Het verschil tussen podium op graniet en geïntegreerde granieten bewegingssystemen.

De keuze voor het meest geschikte lineaire bewegingsplatform op granietbasis 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 stelt, die moeten worden begrepen en geprioriteerd om tot een effectieve oplossing in de vorm van een bewegingsplatform te komen.

Een van de meest gangbare oplossingen is het monteren van afzonderlijke positioneringssystemen op een granieten constructie. Een andere veelgebruikte oplossing integreert de componenten die de bewegingsassen vormen direct in het graniet zelf. De keuze tussen een positioneringssysteem op graniet en een geïntegreerd granieten bewegingsplatform (IGM) is een van de eerste beslissingen die in het selectieproces genomen moeten worden. Er zijn duidelijke verschillen tussen beide oplossingen, en uiteraard heeft elke oplossing zijn eigen voordelen – en nadelen – die zorgvuldig moeten worden begrepen en overwogen.

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

Achtergrond

Om de overeenkomsten en verschillen tussen IGM-systemen en traditionele stage-on-granite-systemen te onderzoeken, hebben we twee testcases ontworpen:

• Mechanisch lager, podium op graniet
• Mechanisch lager, IGM

In beide gevallen bestaat elk systeem uit drie bewegingsassen. De Y-as biedt een bewegingsbereik 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 bewegingsbereik van 400 mm, draagt ​​de verticale Z-as met een bewegingsbereik van 100 mm. Deze opstelling is schematisch weergegeven.

Voor het ontwerp met een platform op graniet hebben we gekozen voor een PRO560LM breed platform voor de Y-as vanwege het grotere draagvermogen, wat gebruikelijk is bij veel bewegingstoepassingen met deze "Y/XZ-brug"-configuratie. Voor de X-as hebben we gekozen voor een PRO280LM, die vaak als brugas wordt gebruikt in diverse toepassingen. De PRO280LM biedt een praktische balans tussen de afmetingen en het vermogen om een ​​Z-as met een klantbelasting te dragen.

Voor de IGM-ontwerpen hebben we de fundamentele ontwerpconcepten en lay-outs van de bovenstaande assen nauwkeurig overgenomen. Het belangrijkste verschil is dat de IGM-assen direct in de granieten structuur zijn ingebouwd en daarom geen machinaal bewerkte basiscomponenten bevatten, zoals bij de ontwerpen met een podium op graniet.

De Z-as is in beide ontwerpen gemeenschappelijk en is gekozen voor een PRO190SL-platform met kogelomloopspindel. Deze as is erg populair voor gebruik in verticale configuraties op een brug vanwege het grote draagvermogen en het relatief compacte formaat.

Figuur 2 illustreert de specifieke stage-on-granite- en IGM-systemen die zijn bestudeerd.

Technische vergelijking

IGM-systemen worden ontworpen met behulp van diverse technieken en componenten die vergelijkbaar zijn met die van traditionele constructies met een podium op een granieten ondergrond. Hierdoor zijn er veel technische eigenschappen die IGM-systemen en dergelijke systemen gemeen hebben. Daarentegen biedt de directe integratie van de bewegingsassen in de granieten structuur een aantal onderscheidende kenmerken die IGM-systemen van traditionele systemen onderscheiden.

Vormfactor

De meest voor de hand liggende overeenkomst begint wellicht bij de fundering van de machine: het graniet. Hoewel er verschillen zijn in de eigenschappen en toleranties tussen de constructies met een platform op graniet en de IGM-constructies, zijn de totale afmetingen van de granieten basis, de stijgbuizen en de brug gelijk. Dit komt voornamelijk doordat de nominale en maximale verplaatsingen identiek zijn voor zowel de constructie met een platform op graniet als de IGM-constructie.

Bouw

Het ontbreken van machinaal bewerkte asbases 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 de IGM draagt ​​bij aan een verhoogde algehele asstijfheid. Het maakt ook een kortere afstand mogelijk tussen de granieten basis en het bovenvlak van de slede. In deze specifieke casestudie biedt het IGM-ontwerp een 33% lagere werkhoogte (80 mm vergeleken met 120 mm). Deze kleinere werkhoogte maakt niet alleen een compacter ontwerp mogelijk, maar vermindert ook de machine-offsets van de motor en encoder naar het werkpunt, wat resulteert in kleinere Abbe-fouten en daardoor een betere positionering van het werkpunt.

Ascomponenten

Bij nadere beschouwing van het ontwerp delen de oplossingen met een platform op graniet en IGM enkele belangrijke componenten, zoals lineaire motoren en positie-encoders. De gemeenschappelijke keuze van aandrijfkracht en magneetbaan leidt tot gelijkwaardige krachtoutput. Het gebruik van dezelfde encoders in beide ontwerpen zorgt bovendien voor een identieke fijne resolutie voor positioneringsfeedback. Hierdoor verschillen de lineaire nauwkeurigheid en herhaalbaarheid niet significant tussen de oplossingen met een platform op graniet en IGM. Een vergelijkbare componentindeling, inclusief lagerafstand en toleranties, leidt tot vergelijkbare prestaties wat betreft geometrische foutbewegingen (d.w.z. horizontale en verticale rechtheid, stampen, rollen en gieren). Ten slotte zijn de ondersteunende elementen van beide ontwerpen, zoals kabelbeheer, elektrische begrenzers en harde stops, in principe identiek qua functie, hoewel ze qua uiterlijk enigszins kunnen verschillen.

Lagers

Een van de meest opvallende verschillen bij dit specifieke ontwerp is de keuze van de lineaire geleidingslagers. Hoewel recirculerende kogellagers worden gebruikt in zowel systemen met een op graniet gemonteerde montage als in IGM-systemen, maakt het IGM-systeem het mogelijk om grotere, stijvere lagers in het ontwerp te integreren zonder de werkhoogte van de as te vergroten. Omdat het IGM-ontwerp op het graniet als basis is gebaseerd, in tegenstelling tot een aparte, gefreesde basis, kan een deel van de verticale ruimte die anders door een gefreesde basis zou worden ingenomen, worden teruggewonnen en in feite worden opgevuld met grotere lagers, terwijl de totale hoogte van de slede boven het graniet toch wordt verlaagd.

Stijfheid

Het gebruik van grotere lagers in het IGM-ontwerp heeft een grote invloed op de hoekstijfheid. In het geval van de brede onderste as (Y) biedt de IGM-oplossing meer dan 40% grotere rolstijfheid, 30% grotere stampstijfheid en 20% grotere gierstijfheid dan een vergelijkbaar ontwerp met een platform op graniet. Ook de brug van de IGM biedt een viervoudige toename in rolstijfheid, een verdubbeling van de stampstijfheid en meer dan 30% grotere gierstijfheid dan het platform op graniet. Een hogere hoekstijfheid is gunstig omdat deze direct bijdraagt ​​aan betere dynamische prestaties, wat essentieel is voor een hogere machinecapaciteit.

Draagvermogen

De grotere lagers van de IGM-oplossing zorgen voor een aanzienlijk hoger draagvermogen dan een platform op graniet. Hoewel de PRO560LM-basisas van het platform op graniet een draagvermogen heeft van 150 kg, kan de corresponderende IGM-oplossing een lading van 300 kg dragen. Evenzo ondersteunt de PRO280LM-brugas van het platform op graniet 150 kg, terwijl de brugas van de IGM-oplossing tot 200 kg kan dragen.

Bewegende massa

Hoewel de grotere lagers in de mechanische IGM-assen betere hoekprestaties en een groter draagvermogen bieden, gaan ze ook gepaard met grotere en zwaardere wagens. Bovendien zijn de IGM-wagens zo ontworpen dat bepaalde bewerkte onderdelen die nodig zijn voor een as met een vaste as (maar niet vereist zijn voor een IGM-as) zijn weggelaten om de stijfheid van het onderdeel te vergroten en de productie te vereenvoudigen. Deze factoren betekenen dat de IGM-as een grotere bewegende massa heeft dan een overeenkomstige as met een vaste as. Een onbetwistbaar nadeel is dat de maximale acceleratie van de IGM lager is, ervan uitgaande dat het motorvermogen ongewijzigd blijft. Toch kan een grotere bewegende massa in bepaalde situaties voordelig zijn, omdat de grotere inertie een grotere weerstand tegen verstoringen kan bieden, wat kan leiden tot een grotere stabiliteit in de positie.

Structurele dynamica

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

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

Bedrijfsomgeving

Afdichting van de as is vrijwel altijd noodzakelijk wanneer er verontreinigingen aanwezig zijn, of deze nu ontstaan ​​zijn tijdens het proces van de gebruiker of anderszins in de machineomgeving voorkomen. Stages op granieten ondergrond zijn in deze situaties bijzonder geschikt vanwege het inherent gesloten karakter van de as. Lineaire stages uit de PRO-serie zijn bijvoorbeeld uitgerust met harde afdekkingen en zijafdichtingen die de interne componenten van de stage in redelijke mate beschermen tegen verontreiniging. Deze stages kunnen ook worden geconfigureerd met optionele tafelbladwissers om vuil van de harde afdekking te verwijderen tijdens de beweging van de stage. IGM-bewegingsplatforms daarentegen zijn inherent open, waardoor de lagers, motoren en encoders blootgesteld zijn. Hoewel dit geen probleem vormt in schonere omgevingen, kan het problematisch zijn wanneer er verontreiniging aanwezig is. Dit probleem kan worden opgelost door een speciale balgachtige geleidingsafdekking in een IGM-asontwerp te integreren om bescherming te bieden tegen vuil. Maar als deze niet correct wordt geïmplementeerd, kan de balg de beweging van de as negatief beïnvloeden door externe krachten op de slede uit te oefenen tijdens de volledige bewegingsbereik.

Onderhoud

Onderhoudsgemak is een belangrijk verschil tussen bewegingsplatforms met een platform op graniet en IGM-bewegingsplatforms. Lineaire motorassen staan ​​bekend om hun robuustheid, maar soms is onderhoud toch nodig. 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 platforms die op graniet zijn gemonteerd, is onderhoud een vrij eenvoudige taak. Eerst wordt het platform van het graniet gedemonteerd, vervolgens worden de noodzakelijke onderhoudswerkzaamheden uitgevoerd en het platform weer gemonteerd. Of, simpelweg, wordt het platform vervangen 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, vereisen complexere onderhouds- en reparatiewerkzaamheden vaak het volledig demonteren van veel of alle componenten waaruit de as bestaat. Dit is tijdrovender wanneer de componenten direct op graniet zijn gemonteerd. Het is ook lastiger om de op graniet gebaseerde assen na onderhoud weer op elkaar uit te lijnen – een taak die aanzienlijk eenvoudiger is bij afzonderlijke stages.

Tabel 1. Een samenvatting van de fundamentele technische verschillen tussen mechanisch dragende podiumconstructies op graniet en IGM-oplossingen.

Economische vergelijking

Hoewel de absolute kosten van een bewegingssysteem variëren op basis van verschillende factoren, waaronder de bewegingsafstand, de nauwkeurigheid van de assen, het draagvermogen en de dynamische mogelijkheden, suggereren de relatieve vergelijkingen van analoge IGM- en stage-on-granite-bewegingssystemen die in deze studie zijn uitgevoerd, dat IGM-oplossingen in staat zijn om bewegingen met een gemiddelde tot hoge precisie te bieden tegen aanzienlijk lagere kosten dan hun stage-on-granite-tegenhangers.

Onze economische studie bestaat uit drie fundamentele kostencomponenten: machineonderdelen (inclusief zowel gefabriceerde als ingekochte onderdelen), de granieten assemblage en arbeids- en overheadkosten.

Machineonderdelen

Een IGM-oplossing biedt aanzienlijke kostenbesparingen ten opzichte van een platform op een granieten basis, met name wat betreft machineonderdelen. Dit komt voornamelijk doordat de IGM-oplossing geen ingewikkeld bewerkte platformbases op de Y- en X-assen nodig heeft, die de complexiteit en kosten van platformen op een granieten basis verhogen. Verder kunnen de kostenbesparingen worden toegeschreven aan de relatieve vereenvoudiging van andere bewerkte onderdelen in de IGM-oplossing, zoals de bewegende sledes, die eenvoudigere kenmerken en ruimere toleranties kunnen hebben wanneer ze ontworpen zijn voor gebruik in een IGM-systeem.

Granietconstructies

Hoewel de granieten basis-, stijg- en brugconstructies in zowel het IGM- als het stage-on-granite-systeem qua vorm en uiterlijk op elkaar lijken, is de granieten IGM-constructie iets duurder. Dit komt doordat het graniet in de IGM-oplossing de machinaal bewerkte podiumbasissen in de stage-on-granite-oplossing vervangt. Hierdoor moet het graniet over het algemeen aan nauwere toleranties voldoen in kritieke gebieden en mogelijk extra kenmerken hebben, zoals geëxtrudeerde sneden en/of stalen schroefdraadinzetstukken. In onze casestudie wordt de extra complexiteit van de granieten structuur echter ruimschoots gecompenseerd door de vereenvoudiging van de machinaal bewerkte onderdelen.

Arbeidskosten en overheadkosten

Vanwege de vele overeenkomsten in de assemblage en het testen van zowel het IGM-systeem als het systeem met een podium op graniet, is er geen significant verschil in arbeids- en overheadkosten.

Als al deze kostenfactoren worden gecombineerd, blijkt de specifieke mechanisch dragende IGM-oplossing die in deze studie is onderzocht, ongeveer 15% goedkoper te zijn dan de mechanisch dragende oplossing met een platform op graniet.

De resultaten van de economische analyse hangen uiteraard niet alleen af ​​van eigenschappen zoals de lengte van de constructie, 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 granieten constructie. Vooral voor zeer grote granietsystemen, maar ook voor alle formaten, kan het kiezen van een gekwalificeerde granietleverancier in de buurt van de locatie waar de constructie uiteindelijk wordt gemonteerd, helpen om de kosten te minimaliseren.

Het is belangrijk op te merken dat deze analyse geen rekening houdt met kosten na de implementatie. Stel bijvoorbeeld dat het nodig is om het bewegingssysteem te onderhouden door een bewegingsas te repareren of te vervangen. Een podium op een granieten fundering kan worden onderhouden door simpelweg de betreffende as te verwijderen en te repareren/vervangen. Dankzij het modulaire ontwerp kan dit relatief eenvoudig en snel worden gedaan, ondanks de hogere initiële systeemkosten. Hoewel geïntegreerde bewegingssystemen (IGM-systemen) over het algemeen goedkoper zijn dan hun tegenhangers op een granieten fundering, kunnen ze lastiger te demonteren en te onderhouden zijn vanwege de geïntegreerde constructie.

Conclusie

Het is duidelijk dat elk type bewegingsplatformontwerp – een platform op graniet en een geïntegreerd bewegingsplatform (IGM) – specifieke voordelen biedt. Het is echter niet altijd vanzelfsprekend welke de meest ideale keuze is voor een bepaalde bewegingstoepassing. Daarom is het zeer nuttig om samen te werken met een ervaren leverancier van bewegings- en automatiseringssystemen, zoals Aerotech, die een toepassingsgerichte, adviserende aanpak hanteert om alternatieve oplossingen te onderzoeken en waardevolle inzichten te bieden voor uitdagende bewegingsbesturings- en automatiseringstoepassingen. 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 aan de technische als de financiële doelstellingen van het project voldoet.

Van AEROTECH.