Het verschil tussen Stage-on-Granite en geïntegreerde Granite Motion-systemen

De selectie van het meest geschikte op graniet gebaseerde lineaire bewegingsplatform voor een bepaalde toepassing hangt af van een groot aantal factoren en variabelen.Het is van cruciaal belang om te erkennen dat elke toepassing zijn eigen unieke reeks vereisten heeft die moeten worden begrepen en geprioriteerd om een ​​effectieve oplossing in de vorm van een bewegingsplatform na te streven.

Een van de meer alomtegenwoordige oplossingen is het monteren van discrete positioneringstafels op een granieten structuur.Een andere veel voorkomende oplossing integreert de componenten waaruit de bewegingsassen bestaan ​​rechtstreeks in het graniet zelf.De keuze tussen een stage-on-granite en een Integrated-Granit Motion (IGM)-platform is een van de eerdere beslissingen die in het selectieproces moeten worden genomen.Er zijn duidelijke verschillen tussen beide oplossingstypen, en uiteraard 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 lineaire bewegingsplatformontwerpen – een traditionele stage-on-graniet-oplossing en een IGM-oplossing – vanuit zowel technisch als financieel perspectief in de vorm van een mechanisch- gevalstudie van lagers.

Achtergrond

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

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

In beide gevallen bestaat elk systeem uit drie bewegingsassen.De Y-as biedt een veerweg van 1000 mm en bevindt zich op de basis van de granieten structuur.De X-as, gelegen op de brug van het geheel met een veerweg van 400 mm, draagt ​​de verticale Z-as met een veerweg van 100 mm.Deze opstelling wordt pictografisch weergegeven.

Voor het podium-op-granietontwerp hebben we een PRO560LM-tafel met brede behuizing voor de Y-as geselecteerd vanwege het grotere draagvermogen, wat gebruikelijk is bij veel bewegingstoepassingen met behulp van deze “Y/XZ split-bridge”-opstelling.Voor de X-as hebben we gekozen voor een PRO280LM, die in veel toepassingen vaak als brugas wordt gebruikt.De PRO280LM biedt een praktisch evenwicht tussen zijn footprint en zijn vermogen om een ​​Z-as te dragen met een klantlading.

Voor de IGM-ontwerpen hebben we de fundamentele ontwerpconcepten en lay-outs van de bovenstaande assen nauwgezet gerepliceerd, met als belangrijkste verschil dat de IGM-assen rechtstreeks in de granieten structuur zijn ingebouwd en daarom de basissen van machinaal bewerkte componenten missen die aanwezig zijn in de stage-on -graniet ontwerpen.

Gemeenschappelijk in beide ontwerpgevallen is de Z-as, die gekozen werd als een PRO190SL-tafel met kogelomloopspindel.Dit is een zeer populaire as om verticaal op een brug te gebruiken vanwege het royale laadvermogen en de relatief compacte vormfactor.

Figuur 2 illustreert de specifieke bestudeerde stage-on-graniet- en IGM-systemen.

Technische vergelijking

IGM-systemen zijn ontworpen met behulp van een verscheidenheid aan technieken en componenten die vergelijkbaar zijn met die in traditionele podium-op-granietontwerpen.Als gevolg hiervan zijn er tal van technische eigenschappen gemeenschappelijk tussen IGM-systemen en stage-on-graniet-systemen.Omgekeerd biedt de integratie van de bewegingsassen rechtstreeks in de granietstructuur verschillende onderscheidende kenmerken die IGM-systemen onderscheiden van podium-op-granietsystemen.

Vormfactor

Misschien wel de meest voor de hand liggende overeenkomst begint met de fundering van de machine: het graniet.Hoewel er verschillen zijn in de kenmerken en toleranties tussen stage-on-granite en IGM-ontwerpen, zijn de totale afmetingen van de granieten basis, stootborden en brug gelijkwaardig.Dit komt voornamelijk omdat de nominale en limietbewegingen identiek zijn tussen stage-on-granite en IGM.

Bouw

Het ontbreken van asbases met machinaal bewerkte componenten in het IGM-ontwerp biedt bepaalde voordelen ten opzichte van stage-on-graniet-oplossingen.Met name de vermindering van componenten in de structurele lus van de IGM helpt de algehele asstijfheid te vergroten.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 werkoppervlakhoogte (80 mm vergeleken met 120 mm).Deze kleinere werkhoogte zorgt niet alleen voor een compacter ontwerp, maar vermindert ook de machine-offsets van de motor en encoder naar het werkpunt, wat resulteert in minder Abbe-fouten en dus betere prestaties bij het positioneren van het werkpunt.

Ascomponenten

Als we dieper ingaan op het ontwerp, delen de stage-on-granite en IGM-oplossingen enkele belangrijke componenten, zoals lineaire motoren en positie-encoders.Gemeenschappelijke forcer- en magneettrackselectie leidt tot gelijkwaardige force-outputmogelijkheden.Op dezelfde manier biedt het gebruik van dezelfde encoders in beide ontwerpen een identiek fijne resolutie voor positioneringsfeedback.Als gevolg hiervan zijn de prestaties op het gebied van lineaire nauwkeurigheid en herhaalbaarheid niet significant verschillend tussen stage-on-graniet- en IGM-oplossingen.Een vergelijkbare componentindeling, inclusief lagerscheiding en tolerantie, leidt tot vergelijkbare prestaties in termen van geometrische foutbewegingen (dwz horizontale en verticale rechtheid, stampen, rollen en gieren).Ten slotte zijn de ondersteunende elementen van beide ontwerpen, inclusief kabelbeheer, elektrische limieten en hardstops, fundamenteel identiek qua functie, hoewel ze fysiek enigszins kunnen variëren.

Lagers

Voor dit specifieke ontwerp is een van de meest opvallende verschillen de selectie van lineaire geleidingslagers.Hoewel recirculerende kogellagers worden gebruikt in zowel stage-on-granite als IGM-systemen, maakt het IGM-systeem het mogelijk om grotere, stijvere lagers in het ontwerp op te nemen zonder de werkhoogte van de as te vergroten.Omdat het IGM-ontwerp vertrouwt op het graniet als basis, in tegenstelling tot een basis met afzonderlijke machinaal bewerkte componenten, is het mogelijk om een ​​deel van het verticale onroerend goed terug te winnen dat anders zou worden verbruikt door een machinaal bewerkte basis, en deze ruimte in wezen te vullen met grotere lagers, terwijl de totale wagenhoogte boven het graniet nog steeds wordt verminderd.

Stijfheid

Het gebruik van grotere lagers in het IGM-ontwerp heeft een grote invloed op de hoekstijfheid.In het geval van de onderste as met brede behuizing (Y) biedt de IGM-oplossing ruim 40% grotere rolstijfheid, 30% grotere stampstijfheid en 20% grotere gierstijfheid dan een overeenkomstig podium-op-granietontwerp.Op dezelfde manier biedt de brug van de IGM een viervoudige toename in rolstijfheid, een dubbele pitchstijfheid en een ruim 30% grotere gierstijfheid dan zijn tegenhanger op graniet.Een hogere hoekstijfheid is voordelig omdat deze direct bijdraagt ​​aan verbeterde dynamische prestaties, wat essentieel is voor het mogelijk maken van een hogere machinedoorvoer.

Laad capaciteit

De grotere lagers van de IGM-oplossing zorgen voor een aanzienlijk hoger laadvermogen dan een podium-op-graniet-oplossing.Hoewel de PRO560LM-basisas van de stage-on-granite-oplossing een laadvermogen heeft van 150 kg, kan de overeenkomstige IGM-oplossing een laadvermogen van 300 kg accommoderen.Op dezelfde manier ondersteunt de PRO280LM-brugas van het podium op graniet 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 bij grotere, zwaardere vrachtwagens.Bovendien zijn de IGM-wagens zo ontworpen dat bepaalde machinaal bewerkte kenmerken die nodig zijn voor een as op een podium op graniet (maar niet vereist voor een IGM-as) worden verwijderd 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 fase-op-graniet-as.Een onbetwistbaar nadeel is dat de maximale acceleratie van de IGM lager is, ervan uitgaande dat de motorkracht onveranderd blijft.Toch kan in bepaalde situaties een grotere bewegende massa voordelig zijn vanuit het perspectief dat de grotere traagheid ervan een grotere weerstand tegen verstoringen kan bieden, wat kan correleren met een grotere stabiliteit in positie.

Structurele dynamiek

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

De hogere resonantie van de IGM-oplossing, vergeleken met traditioneel podium-op-graniet, kan gedeeltelijk worden toegeschreven aan het stijvere wagen- en lagerontwerp.Een hogere wagenresonantie maakt het mogelijk om een ​​grotere servobandbreedte te hebben en daardoor verbeterde dynamische prestaties.

Bedrijfsomgeving

Asafdichting is bijna altijd verplicht als er verontreinigingen aanwezig zijn, ongeacht of deze door het gebruikersproces worden gegenereerd of anderszins in de machineomgeving aanwezig zijn.Stage-on-graniet oplossingen zijn in deze situaties bijzonder geschikt vanwege het inherent afgesloten karakter van de as.Lineaire podia uit de PRO-serie zijn bijvoorbeeld uitgerust met hardcovers en zijafdichtingen die de interne podiumcomponenten in redelijke mate beschermen tegen vervuiling.Deze podia kunnen ook worden geconfigureerd met optionele tafelbladwissers om vuil van de bovenste hardcover te vegen terwijl het podium zich verplaatst.Aan de andere kant zijn IGM-bewegingsplatforms inherent open van aard, waarbij de lagers, motoren en encoders zichtbaar zijn.Hoewel dit geen probleem is in schonere omgevingen, kan dit problematisch zijn als er verontreiniging aanwezig is.Het is mogelijk om dit probleem aan te pakken door een speciale balgvormige wegafdekking op te nemen in een IGM-asontwerp om bescherming tegen vuil te bieden.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 terwijl deze over het volledige bewegingsbereik beweegt.

Onderhoud

Onderhoudsgemak is een onderscheidende factor tussen stage-on-graniet- en IGM-bewegingsplatforms.Lineaire motorassen staan ​​bekend om hun robuustheid, maar soms is het toch nodig om onderhoud uit te voeren.Bepaalde onderhoudswerkzaamheden zijn relatief eenvoudig en kunnen worden uitgevoerd zonder de betreffende as te verwijderen of te demonteren, maar soms is een grondiger demontage vereist.Wanneer het bewegingsplatform bestaat uit afzonderlijke trappen die op graniet zijn gemonteerd, is onderhoud een redelijk eenvoudige taak.Demonteer eerst het podium van het graniet, voer daarna de nodige onderhoudswerkzaamheden uit en monteer het opnieuw.Of vervang het eenvoudig door een nieuwe fase.

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 waaruit de as bestaat, wat tijdrovender is wanneer componenten rechtstreeks op graniet worden gemonteerd.Het is ook moeilijker om de op graniet gebaseerde assen opnieuw uit te lijnen na het uitvoeren van onderhoud – een taak die aanzienlijk eenvoudiger is met afzonderlijke fasen.

Tabel 1. Een samenvatting van de fundamentele technische verschillen tussen mechanisch gelagerde stage-on-graniet- en IGM-oplossingen.

Economische vergelijking

Hoewel de absolute kosten van elk bewegingssysteem zullen variëren op basis van verschillende factoren, waaronder verplaatsingslengte, asprecisie, laadvermogen en dynamische capaciteiten, suggereren de relatieve vergelijkingen van analoge IGM en podium-op-graniet bewegingssystemen die in dit onderzoek zijn uitgevoerd dat IGM-oplossingen in staat om beweging met gemiddelde tot hoge precisie te bieden tegen matig lagere kosten dan hun tegenhangers op graniet.

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

Machine onderdelen

Een IGM-oplossing biedt opmerkelijke besparingen ten opzichte van een stage-on-graniet-oplossing op het gebied van machineonderdelen.Dit is voornamelijk te wijten aan het ontbreken van ingewikkeld machinaal bewerkte podiumbasissen op de Y- en X-assen bij de IGM, wat de complexiteit en kosten van de podium-op-graniet-oplossingen vergroot.Verder kunnen kostenbesparingen worden toegeschreven aan de relatieve vereenvoudiging van andere machinaal bewerkte onderdelen van de IGM-oplossing, zoals de bewegende wagens, die eenvoudiger kenmerken en enigszins soepelere toleranties kunnen hebben wanneer ze zijn ontworpen voor gebruik in een IGM-systeem.

Granieten assemblages

Hoewel de granieten basis-stijgbrugconstructies in zowel de IGM- als de stage-on-graniet-systemen een vergelijkbare vormfactor en uiterlijk lijken te hebben, is de IGM-granietconstructie iets duurder.Dit komt omdat het graniet in de IGM-oplossing de plaats inneemt van de machinaal bewerkte podiumbasissen in de podium-op-graniet-oplossing, wat vereist dat het graniet over het algemeen nauwere toleranties heeft in kritieke gebieden, en zelfs extra kenmerken heeft, zoals geëxtrudeerde sneden en/of of bijvoorbeeld stalen inzetstukken met schroefdraad.In onze casestudy wordt de extra complexiteit van de granietstructuur echter ruimschoots gecompenseerd door de vereenvoudiging van de machineonderdelen.

Arbeid en overhead

Vanwege de vele overeenkomsten bij het assembleren en testen van zowel de IGM- als de stage-on-granite-systemen, is er geen significant verschil in arbeids- en overheadkosten.

Zodra al deze kostenfactoren worden gecombineerd, is de specifieke mechanisch gelagerde IGM-oplossing die in dit onderzoek wordt onderzocht ongeveer 15% goedkoper dan de mechanisch gelagerde, stage-on-graniet-oplossing.

Uiteraard zijn de resultaten van de economische analyse niet alleen afhankelijk van eigenschappen als rijlengte, precisie en draagvermogen, maar ook van factoren zoals de keuze van de granietleverancier.Bovendien is het verstandig om rekening te houden met de verzend- en logistieke kosten die gepaard gaan met de aanschaf van een granieten structuur.Vooral handig voor zeer grote granietsystemen, hoewel dit voor alle maten geldt, kan het kiezen van een gekwalificeerde granietleverancier dichter bij de locatie van de uiteindelijke systeemmontage ook helpen de kosten te minimaliseren.

Er moet ook worden opgemerkt dat deze analyse geen rekening houdt met de kosten na de implementatie.Stel dat het bijvoorbeeld nodig is om het bewegingssysteem te onderhouden door een bewegingsas te repareren of te vervangen.Een stage-on-graniet-systeem kan worden onderhouden door eenvoudigweg de aangetaste as te verwijderen en te repareren/vervangen.Vanwege het meer modulaire ontwerp in podiumstijl kan dit relatief gemakkelijk en snel worden gedaan, ondanks de hogere initiële systeemkosten.Hoewel IGM-systemen over het algemeen tegen lagere kosten verkrijgbaar zijn dan hun tegenhangers op graniet, kan het een grotere uitdaging zijn om ze te demonteren en te onderhouden vanwege de geïntegreerde aard van de constructie.

Conclusie

Het is duidelijk dat elk type bewegingsplatformontwerp – stage-on-granite en IGM – duidelijke voordelen kan bieden.Het is echter niet altijd duidelijk wat 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 duidelijk toepassingsgerichte, adviserende aanpak biedt om waardevolle inzichten te verkennen en te bieden in oplossingsalternatieven voor uitdagende motion control- en automatiseringstoepassingen.Het begrijpen van niet alleen het verschil tussen deze twee soorten automatiseringsoplossingen, maar ook de fundamentele aspecten van de problemen die ze moeten oplossen, is de onderliggende sleutel tot succes bij het kiezen van een bewegingssysteem dat zowel de technische als de financiële doelstellingen van het project aanpakt.

Van AEROTECH.