Разница между системами Stage-on-Granite и Integrated Granite Motion

Выбор наиболее подходящей платформы линейного перемещения на основе гранита для конкретного применения зависит от множества факторов и переменных. Крайне важно признать, что каждое применение имеет свой собственный уникальный набор требований, которые необходимо понимать и расставлять приоритеты для поиска эффективного решения с точки зрения платформы перемещения.

Одно из наиболее распространенных решений предполагает установку дискретных позиционирующих ступеней на гранитную конструкцию. Другое распространенное решение интегрирует компоненты, составляющие оси движения, непосредственно в сам гранит. Выбор между платформой stage-on-granite и Integrated-granite motion (IGM) является одним из ранних решений, которые необходимо принять в процессе выбора. Существуют четкие различия между обоими типами решений, и, конечно, у каждого из них есть свои достоинства — и оговорки — которые необходимо тщательно понять и учесть.

Чтобы лучше понять этот процесс принятия решений, мы оцениваем различия между двумя основными конструкциями платформ линейного перемещения — традиционным решением «сцена на граните» и решением IGM — как с технической, так и с финансовой точек зрения в форме исследования случая механического подшипника.

Фон

Для изучения сходств и различий между системами IGM и традиционными системами «сцена на граните» мы разработали два варианта тестовых случаев:

• Механический подшипник, ступень-на-граните
• Механический подшипник, IGM

В обоих случаях каждая система состоит из трех осей движения. Ось Y обеспечивает ход 1000 мм и расположена на основании гранитной конструкции. Ось X, расположенная на мосту узла с ходом 400 мм, несет вертикальную ось Z с ходом 100 мм. Такое расположение представлено пиктографически.

Для конструкции сцены на граните мы выбрали широкофюзеляжную сцену PRO560LM для оси Y из-за ее большей грузоподъемности, обычной для многих приложений движения, использующих эту конструкцию «Y/XZ split-bridge». Для оси X мы выбрали PRO280LM, которая обычно используется в качестве оси моста во многих приложениях. PRO280LM предлагает практичный баланс между своей площадью и способностью нести ось Z с полезной нагрузкой клиента.

Для конструкций IGM мы точно скопировали основные концепции конструкции и компоновки вышеуказанных осей, с основным отличием в том, что оси IGM встроены непосредственно в гранитную конструкцию и, следовательно, не имеют оснований с обработанными компонентами, присутствующих в конструкциях ступеней на граните.

Общим в обоих вариантах конструкции является ось Z, которая была выбрана в качестве ступени PRO190SL с шарико-винтовым приводом. Это очень популярная ось для использования в вертикальной ориентации на мосту из-за ее большой грузоподъемности и относительно компактного форм-фактора.

На рисунке 2 показаны конкретные изученные системы «стадия на граните» и IGM.

Техническое сравнение

Системы IGM разработаны с использованием различных методов и компонентов, которые похожи на те, что используются в традиционных конструкциях Stage-on-granite. В результате, между системами IGM и Stage-on-granite существует множество общих технических свойств. И наоборот, интеграция осей движения непосредственно в гранитную структуру предлагает несколько отличительных характеристик, которые отличают системы IGM от Stage-on-granite.

Форм-фактор

Возможно, самое очевидное сходство начинается с основания машины — гранита. Хотя есть различия в характеристиках и допусках между конструкциями stage-on-granite и IGM, общие размеры гранитного основания, подступенков и моста эквивалентны. Это в первую очередь потому, что номинальные и предельные перемещения идентичны между stage-on-granite и IGM.

Строительство

Отсутствие оснований осей с обработанными компонентами в конструкции IGM обеспечивает определенные преимущества по сравнению с решениями Stage-on-granit. В частности, уменьшение количества компонентов в структурном контуре IGM помогает увеличить общую жесткость оси. Это также позволяет сократить расстояние между гранитным основанием и верхней поверхностью каретки. В этом конкретном случае конструкция IGM обеспечивает на 33% меньшую высоту рабочей поверхности (80 мм по сравнению со 120 мм). Эта меньшая рабочая высота не только позволяет создать более компактную конструкцию, но и уменьшает смещения машины от двигателя и энкодера до рабочей точки, что приводит к снижению ошибок Аббе и, следовательно, повышению производительности позиционирования рабочей точки.

Компоненты оси

Если рассмотреть конструкцию глубже, то решения Stage-on-granite и IGM разделяют некоторые ключевые компоненты, такие как линейные двигатели и датчики положения. Общий выбор усилителя и магнитной дорожки приводит к эквивалентным возможностям выходной силы. Аналогично, использование одних и тех же энкодеров в обеих конструкциях обеспечивает одинаково высокое разрешение для обратной связи по позиционированию. В результате линейная точность и повторяемость не сильно отличаются между решениями Stage-on-granite и IGM. Похожая компоновка компонентов, включая разделение подшипников и допуски, приводит к сопоставимым характеристикам с точки зрения геометрических ошибок движения (т. е. горизонтальной и вертикальной прямолинейности, тангажа, крена и рыскания). Наконец, опорные элементы обеих конструкций, включая управление кабелями, электрические ограничения и жесткие упоры, принципиально идентичны по функциям, хотя они могут несколько отличаться по внешнему виду.

Подшипники

Для этой конкретной конструкции одним из наиболее заметных отличий является выбор линейных направляющих подшипников. Хотя рециркулирующие шарикоподшипники используются как в системах stage-on-granite, так и в системах IGM, система IGM позволяет включать в конструкцию более крупные и жесткие подшипники без увеличения рабочей высоты оси. Поскольку конструкция IGM опирается на гранит в качестве своего основания, а не на отдельное основание из обработанных компонентов, можно вернуть часть вертикальной недвижимости, которая в противном случае была бы занята обработанным основанием, и по сути заполнить это пространство более крупными подшипниками, при этом все еще уменьшая общую высоту каретки над гранитом.

Жесткость

Использование более крупных подшипников в конструкции IGM оказывает глубокое влияние на угловую жесткость. В случае с нижней осью (Y) с широким корпусом решение IGM обеспечивает более чем на 40% большую жесткость по крену, на 30% большую жесткость по тангажу и на 20% большую жесткость по рысканию, чем соответствующая конструкция Stage-on-granite. Аналогично, мост IGM обеспечивает четырехкратное увеличение жесткости по крену, вдвое большую жесткость по тангажу и более чем на 30% большую жесткость по рысканию, чем его аналог Stage-on-granite. Более высокая угловая жесткость выгодна, поскольку она напрямую способствует улучшению динамических характеристик, что является ключом к повышению производительности машины.

Грузоподъемность

Более крупные подшипники решения IGM обеспечивают существенно большую грузоподъемность, чем решение stage-on-granite. Хотя базовая ось PRO560LM решения stage-on-granite имеет грузоподъемность 150 кг, соответствующее решение IGM может выдерживать полезную нагрузку 300 кг. Аналогично мостовая ось PRO280LM решения stage-on-granite выдерживает 150 кг, тогда как мостовая ось решения IGM может выдерживать до 200 кг.

Движущаяся масса

В то время как более крупные подшипники в механических осях IGM обеспечивают лучшие угловые характеристики и большую грузоподъемность, они также поставляются с более крупными, тяжелыми тележками. Кроме того, каретки IGM спроектированы таким образом, что некоторые обработанные детали, необходимые для оси Stage-on-granite (но не требуемые для оси IGM), удаляются для увеличения жесткости детали и упрощения производства. Эти факторы означают, что ось IGM имеет большую движущуюся массу, чем соответствующая ось Stage-on-granite. Неоспоримым недостатком является то, что максимальное ускорение IGM ниже, предполагая, что выходная сила двигателя неизменна. Тем не менее, в определенных ситуациях большая движущаяся масса может быть выгодна с точки зрения того, что ее большая инерция может обеспечить большую устойчивость к возмущениям, что может коррелировать с повышенной устойчивостью в положении.

Структурная динамика

Более высокая жесткость подшипника системы IGM и более жесткая каретка обеспечивают дополнительные преимущества, которые становятся очевидными после использования программного пакета анализа конечных элементов (FEA) для выполнения модального анализа. В этом исследовании мы исследовали первый резонанс движущейся каретки из-за его влияния на полосу пропускания сервопривода. Каретка PRO560LM сталкивается с резонансом на частоте 400 Гц, в то время как соответствующая каретка IGM испытывает тот же режим на частоте 430 Гц. Рисунок 3 иллюстрирует этот результат.

Более высокий резонанс решения IGM по сравнению с традиционным этапом на граните может быть частично обусловлен более жесткой конструкцией каретки и подшипника. Более высокий резонанс каретки позволяет иметь большую полосу пропускания сервопривода и, следовательно, улучшенные динамические характеристики.

Операционная среда

Герметичность оси почти всегда обязательна при наличии загрязняющих веществ, будь то в результате пользовательского процесса или иным образом в среде машины. Решения Stage-on-granite особенно подходят в таких ситуациях из-за изначально закрытой природы оси. Например, линейные ступени серии PRO оснащены твердыми крышками и боковыми уплотнениями, которые защищают внутренние компоненты ступени от загрязнения в разумной степени. Эти ступени также могут быть сконфигурированы с дополнительными настольными очистителями для уборки мусора с верхней твердой крышки по мере перемещения ступени. С другой стороны, платформы движения IGM изначально открыты по своей природе, с открытыми подшипниками, двигателями и энкодерами. Хотя это не является проблемой в более чистых условиях, это может быть проблематично при наличии загрязнения. Эту проблему можно решить, включив в конструкцию оси IGM специальную крышку пути в стиле сильфона для защиты от мусора. Но если они не реализованы правильно, сильфон может отрицательно влиять на движение оси, передавая внешние силы на каретку при ее перемещении по всему диапазону перемещения.

Обслуживание

Удобство обслуживания является отличительной чертой платформ движения Stage-on-granite и IGM. Оси с линейным двигателем хорошо известны своей надежностью, но иногда возникает необходимость в проведении технического обслуживания. Некоторые операции по техническому обслуживанию относительно просты и могут быть выполнены без снятия или разборки рассматриваемой оси, но иногда требуется более тщательный демонтаж. Когда платформа движения состоит из отдельных ступеней, установленных на граните, обслуживание является достаточно простой задачей. Сначала демонтируйте ступень с гранита, затем выполните необходимые работы по техническому обслуживанию и установите ее заново. Или просто замените ее новой ступенью.

Решения IGM могут иногда быть более сложными при выполнении обслуживания. Хотя замена одной магнитной дорожки линейного двигателя в этом случае очень проста, более сложное обслуживание и ремонт часто подразумевают полную разборку многих или всех компонентов, составляющих ось, что занимает больше времени, когда компоненты монтируются непосредственно на гранит. Также сложнее повторно выровнять оси на гранитной основе друг с другом после выполнения обслуживания — задача, которая значительно проще с дискретными этапами.

Таблица 1. Краткое изложение основных технических различий между решениями с механическими подшипниками на граните и решениями IGM.

Экономическое сравнение

Хотя абсолютная стоимость любой системы движения будет варьироваться в зависимости от нескольких факторов, включая длину хода, точность осей, грузоподъемность и динамические возможности, относительное сравнение аналогичных систем движения IGM и системы движения «сцена на граните», проведенное в данном исследовании, показывает, что решения IGM способны обеспечить движение средней и высокой точности при умеренно более низких затратах, чем их аналоги на платформе «сцена на граните».

Наше экономическое исследование состоит из трех основных компонентов затрат: детали машин (включая как изготовленные детали, так и покупные компоненты), сборка гранита, а также рабочая сила и накладные расходы.

Детали машин

Решение IGM обеспечивает заметную экономию по сравнению с решением stage-on-granite с точки зрения деталей машины. Это в первую очередь связано с отсутствием в IGM сложно обработанных оснований ступеней на осях Y и X, которые добавляют сложности и стоимости решениям stage-on-granite. Кроме того, экономию затрат можно объяснить относительным упрощением других обработанных деталей в решении IGM, таких как движущиеся каретки, которые могут иметь более простые характеристики и несколько более мягкие допуски при проектировании для использования в системе IGM.

Гранитные сборки

Хотя гранитные основания-подъемники-мостовые сборки в системах IGM и stage-on-granite, по-видимому, имеют схожий форм-фактор и внешний вид, гранитная сборка IGM немного дороже. Это связано с тем, что гранит в решении IGM заменяет обработанные основания ступеней в решении stage-on-granite, которое требует, чтобы гранит имел в целом более жесткие допуски в критических областях и даже дополнительные характеристики, такие как, например, экструдированные разрезы и/или резьбовые стальные вставки. Однако в нашем исследовании дополнительная сложность гранитной конструкции более чем компенсируется упрощением деталей машины.

Труд и накладные расходы

Ввиду большого сходства в сборке и испытании систем IGM и Stage-on-granit, существенной разницы в трудозатратах и ​​накладных расходах нет.

Если объединить все эти факторы стоимости, то конкретное решение IGM с механическим подшипником, рассмотренное в данном исследовании, окажется примерно на 15% дешевле решения с механическим подшипником и ступенчатым размещением на граните.

Конечно, результаты экономического анализа зависят не только от таких характеристик, как длина хода, точность и грузоподъемность, но и от таких факторов, как выбор поставщика гранита. Кроме того, разумно учитывать расходы на доставку и логистику, связанные с приобретением гранитной конструкции. Это особенно полезно для очень больших гранитных систем, хотя справедливо для всех размеров, выбор квалифицированного поставщика гранита в непосредственной близости от места окончательной сборки системы может также помочь минимизировать расходы.

Следует также отметить, что этот анализ не учитывает расходы после внедрения. Например, предположим, что возникает необходимость в обслуживании системы движения путем ремонта или замены оси движения. Систему Stage-on-granite можно обслуживать, просто снимая и ремонтируя/заменяя поврежденную ось. Благодаря более модульной конструкции Stage, это можно сделать относительно легко и быстро, несмотря на более высокую первоначальную стоимость системы. Хотя системы IGM, как правило, можно приобрести по более низкой цене, чем их аналоги Stage-on-granite, их может быть сложнее разобрать и обслуживать из-за интегрированного характера конструкции.

Заключение

Очевидно, что каждый тип конструкции платформы движения — stage-on-granite и IGM — может предложить различные преимущества. Однако не всегда очевидно, какой из них является наиболее идеальным выбором для конкретного приложения движения. Поэтому очень выгодно сотрудничать с опытным поставщиком систем движения и автоматизации, таким как Aerotech, который предлагает четко ориентированный на приложение консультативный подход для изучения и предоставления ценной информации об альтернативных решениях для сложных приложений управления движением и автоматизации. Понимание не только разницы между этими двумя разновидностями решений автоматизации, но и фундаментальных аспектов проблем, которые они должны решать, является основным ключом к успеху в выборе системы движения, которая решает как технические, так и финансовые задачи проекта.

От АЭРОТЕХ.