Разница между системами Stage-on-Granite и интегрированными системами перемещения гранита

Выбор наиболее подходящей гранитной линейной платформы для конкретного применения зависит от множества факторов и переменных. Крайне важно понимать, что каждое применение имеет свой уникальный набор требований, которые необходимо понимать и расставлять приоритеты для поиска эффективного решения в области линейной платформы.

Одно из наиболее распространённых решений предполагает установку отдельных позиционирующих ступеней на гранитную конструкцию. Другое распространённое решение предполагает интеграцию компонентов, составляющих оси движения, непосредственно в сам гранит. Выбор между платформой «ступень на граните» и интегрированной гранитной платформой движения (IGM) — одно из первых решений, которое необходимо принять в процессе выбора. Существуют чёткие различия между этими двумя типами решений, и, конечно же, у каждого из них есть свои преимущества и недостатки, которые необходимо тщательно изучить 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 точки зрения на примере механического подшипника.

Фон

Чтобы исследовать сходства и различия между системами IGM и традиционными системами «ступени на граните», мы разработали два варианта тестовых случаев:

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

В обоих случаях каждая система состоит из трёх осей движения. Ось Y имеет ход 1000 мм и расположена на основании гранитной конструкции. Ось X, расположенная на мосту агрегата с ходом 400 мм, несёт вертикальную ось Z с ходом 100 мм. Эта схема представлена пиктограммами.

Для конструкции платформы на граните мы выбрали широкофюзеляжный стол PRO560LM для оси Y благодаря его большей грузоподъёмности, характерной для многих приложений, использующих схему «раздельный мост Y/XZ». Для оси X мы выбрали PRO280LM, который часто используется в качестве мостовой оси во многих приложениях. PRO280LM обеспечивает практичный баланс между занимаемой площадью и способностью нести ось Z с полезной нагрузкой.

Для конструкций IGM мы в точности скопировали основные концепции конструкции и компоновки вышеупомянутых осей, при этом основное отличие состоит в том, что оси IGM встроены непосредственно в гранитную структуру и, следовательно, в них отсутствуют основания из обработанных компонентов, которые присутствуют в конструкциях ступеней на граните.

Общим для обоих вариантов конструкции является ось Z, в качестве которой был выбран столик PRO190SL с шарико-винтовой передачей. Эта ось очень популярна для вертикального позиционирования на мосту благодаря своей большой грузоподъёмности и относительно компактному форм-фактору.

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

Техническое сравнение

Системы IGM разработаны с использованием различных технологий и компонентов, аналогичных тем, что используются в традиционных конструкциях ступеней на граните. В результате системы IGM и системы ступеней на граните обладают множеством общих технических характеристик. В свою очередь, интеграция осей движения непосредственно в гранитную конструкцию обеспечивает ряд отличительных особенностей, отличающих системы IGM от систем ступеней на граните.

Форм-фактор

Пожалуй, самое очевидное сходство начинается с основания машины — гранита. Несмотря на различия в характеристиках и допусках между конструкциями «ступень на граните» и IGM, общие размеры гранитного основания, подступенков и моста идентичны. Это обусловлено прежде всего тем, что номинальные и предельные ходы у ступеней на граните и IGM идентичны.

Строительство

Отсутствие оснований для осей из обработанных компонентов в конструкции IGM обеспечивает определённые преимущества по сравнению с решениями, основанными на гранитной платформе. В частности, уменьшение количества компонентов в структурном контуре IGM способствует повышению общей жёсткости осей. Это также позволяет сократить расстояние между гранитным основанием и верхней поверхностью каретки. В данном 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 станка от двигателя и энкодера до рабочей точки, что приводит к снижению ошибок Аббе и, следовательно, повышению эффективности позиционирования рабочей точки.

Компоненты Оси

При более детальном рассмотрении конструкции решения Stage-on-Granite и IGM используют одни и те же ключевые компоненты, такие как линейные двигатели и датчики положения. Выбор одинакового усилителя и магнитной дорожки обеспечивает эквивалентные возможности 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 существенно различаются между решениями Stage-on-Granite и IGM. Схожая компоновка компонентов, включая разделение подшипников и допуски, обеспечивает сопоставимые характеристики с точки зрения геометрических ошибок движения (т. е. горизонтальной и вертикальной прямолинейности, тангажа, крена и рыскания). Наконец, несущие элементы обеих конструкций, включая кабельную разводку, электрические ограничители и жесткие упоры, принципиально идентичны по функциям, хотя могут несколько отличаться по внешнему виду.

Подшипники

В данной конкретной конструкции одним из наиболее заметных отличий является выбор линейных направляющих подшипников. Хотя рециркуляционные шарикоподшипники используются как в системах «ступень на граните», так и в системах IGM, система IGM позволяет использовать более крупные и жёсткие подшипники без увеличения рабочей высоты оси. Поскольку конструкция IGM использует гранит в качестве основания, а не отдельное основание из обработанных деталей, это позволяет освободить часть вертикального пространства, которое в противном случае заняло бы обработанное основание, и фактически заполнить это пространство более крупными подшипниками, одновременно уменьшив общую высоту каретки над гранитом.

Жесткость

Использование более крупных подшипников в конструкции IGM оказывает существенное влияние на угловую жесткость. В случае с нижней осью (Y) широкофюзеляжного моста 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 «ступень на граните». Аналогичным образом, мост IGM обеспечивает четырехкратное увеличение жесткости по крену, вдвое большую жесткость по тангажу и более чем на 30% большую жесткость по рысканию, чем аналогичная конструкция «ступень на граните». Более высокая угловая жесткость выгодна, поскольку она напрямую способствует улучшению динамических характеристик, что является ключевым фактором повышения производительности машины.

Грузоподъемность

Более крупные подшипники решения IGM обеспечивают существенно большую грузоподъёмность по сравнению с решением «ступень на граните». Хотя базовая ось PRO560LM решения «ступень на граните» имеет грузоподъёмность 150 кг, соответствующее решение IGM может выдерживать полезную нагрузку массой 300 кг. Аналогично, мостовая ось PRO280LM решения «ступень на граните» выдерживает нагрузку 150 кг, тогда как мостовая ось решения IGM может выдерживать нагрузку до 200 кг.

Движущаяся масса

В то время как более крупные подшипники в осях IGM с механическими подшипниками обеспечивают лучшие угловые характеристики и большую грузоподъемность, они также поставляются с более крупными и тяжелыми тележками. Кроме того, каретки IGM спроектированы таким образом, что некоторые обработанные детали, необходимые для оси «стадия на граните» (но не требуемые для оси IGM), удалены для увеличения жесткости детали и упрощения производства. Эти факторы означают, что ось IGM имеет большую подвижную массу, чем соответствующая ось «стадия на граните». Неоспоримым недостатком является то, что максимальное ускорение IGM ниже, если предположить, что выходная сила двигателя неизменна. Тем не менее, в определенных ситуациях большая подвижная 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 позиции.

Структурная динамика

Более высокая жёсткость подшипников и более жёсткая каретка системы IGM обеспечивают дополнительные преимущества, которые становятся очевидны после использования программного пакета для конечно-элементного анализа (FEA) для проведения модального анализа. В данном исследовании мы исследовали первый резонанс движущейся каретки с точки зрения его влияния на полосу пропускания сервопривода. Каретка PRO560LM испытывает резонанс на частоте 400 Гц, в то время как соответствующая каретка IGM испытывает тот же режим на частоте 430 Гц. Этот результат представлен на рисунке 3.

Более высокий резонанс решения IGM по сравнению с традиционной платформой на граните отчасти объясняется более жёсткой конструкцией каретки и подшипников. Более высокий резонанс каретки обеспечивает более широкую полосу пропускания сервопривода и, следовательно, улучшенные динамические характеристики.

Операционная среда

Герметичность оси практически всегда обязательна при наличии загрязнений, будь то в процессе работы пользователя или в окружающей среде машины. Решения типа «платформа на граните» особенно подходят в таких ситуациях благодаря изначально закрытой конструкции оси. Например, линейные платформы серии PRO оснащены жёсткими крышками и боковыми уплотнениями, которые в разумной степени защищают внутренние компоненты платформы от загрязнения. Эти платформы также могут быть оснащены дополнительными скребками для уборки мусора с верхней жёсткой крышки при её перемещении. С другой стороны, платформы перемещения IGM изначально являются открытыми по своей природе, с открытыми подшипниками, двигателями и энкодерами. Хотя это не является проблемой в условиях повышенной чистоты, это может создавать проблемы при наличии загрязнений. Эту проблему можно решить, включив в конструкцию оси IGM специальный кожух направляющих типа сильфона для защиты от мусора. Однако при неправильной установке сильфон может негативно влиять на движение оси, передавая внешние силы на каретку при её перемещении по всему диапазону перемещения.

Обслуживание

Удобство обслуживания является отличительной чертой платформ перемещения на гранитной основе и IGM. Линейные двигатели хорошо известны своей надёжностью, но иногда возникает необходимость в обслуживании. Некоторые операции по обслуживанию относительно просты и могут быть выполнены без снятия или разборки оси, но иногда требуется более тщательная разборка. Если платформа перемещения состоит из отдельных ступеней, установленных на граните, обслуживание является довольно простой задачей. Сначала демонтируйте ступень с гранитной основы, затем выполните необходимые работы по обслуживанию и установите её обратно. Или просто замените её новой.

Решения IGM порой могут представлять большую сложность при обслуживании. Хотя замена одной магнитной дорожки линейного двигателя в данном случае очень проста, более сложное обслуживание и ремонт часто требуют полной разборки многих или всех компонентов оси, что занимает больше времени, если компоненты установлены непосредственно на гранит. Кроме того, после обслуживания сложнее повторно выровнять оси, установленные на гранитном основании, относительно друг друга — задача, которая значительно упрощается при использовании отдельных этапов.

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 перемещения, точность осей, грузоподъемность и динамические возможности, относительное сравнение аналогичных систем движения IGM и систем движения «сцена на граните», проведенное в этом исследовании, показывает, что решения IGM способны обеспечить движение средней и высокой точности по умеренно более низкой цене, 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 закупленные компоненты), сборка гранита, а также трудозатраты и накладные расходы.

Детали машин

Решение IGM обеспечивает значительную экономию по сравнению с решением «стадия на граните» с точки зрения деталей станка. Это обусловлено, прежде всего, отсутствием в системе IGM сложных оснований для станков по осям Y и X, которые увеличивают сложность и стоимость решений «стадия на граните». Кроме того, экономию можно объяснить относительным упрощением других обрабатываемых деталей в решении IGM, таких как подвижные каретки, которые могут иметь более простые характеристики и несколько более мягкие допуски при проектировании для использования в системе IGM.

Гранитные сборки

Хотя гранитные конструкции «основание-подступенок-мост» в системах IGM и «ступени на граните» на первый взгляд имеют схожий форм-фактор и внешний вид, гранитная конструкция IGM несколько дороже. Это связано с тем, что гранит в системе IGM заменяет обработанные основания ступеней в системе «ступени на граните», что требует от гранита, как правило, более жестких допусков в критических областях и даже дополнительных особенностей, таких как, например, экструдированные вырезы и/или резьбовые стальные вставки. Однако в нашем случае дополнительная сложность гранитной конструкции с лихвой компенсируется упрощением деталей машинного изготовления.

Труд и накладные расходы

Ввиду большого сходства в сборке и испытании систем IGM и Stage-on-Grain, 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 ступенчатой установкой на граните.

Конечно, результаты экономического анализа зависят не только от таких характеристик, как длина хода, точность и грузоподъёмность, но и от таких факторов, как выбор поставщика гранита. Кроме того, целесообразно учитывать транспортные и логистические расходы, связанные с приобретением гранитной конструкции. Выбор квалифицированного поставщика гранита, находящегося ближе к месту окончательной сборки системы, особенно полезен для очень больших гранитных систем, хотя и применим к любым размерам.

Следует также отметить, что данный анализ не учитывает затраты после внедрения. Например, предположим, что возникает необходимость в обслуживании системы движения путем ремонта или замены оси движения. Систему «сцена на граните» можно обслужить, просто сняв и отремонтировав/заменив неисправную ось. Благодаря более модульной конструкции сцены, это можно сделать относительно легко и быстро, несмотря на более высокую первоначальную стоимость системы. Хотя системы IGM, как правило, дешевле, чем аналогичные системы «сцена на граните», их разборка и обслуживание могут быть сложнее из-за интегрированной конструкции.

Заключение

Очевидно, что каждый тип конструкции платформы перемещения — «сцена на граните» и IGM — обладает своими преимуществами. Однако не всегда очевидно, какой вариант является оптимальным для конкретного применения. Поэтому крайне важно сотрудничать с опытным поставщиком систем перемещения и автоматизации, таким как Aerotech, который предлагает чётко ориентированный на конкретное применение консультативный подход к изучению и предоставлению ценной информации об альтернативных решениях для сложных задач управления перемещением и автоматизации. Понимание не только различий между этими двумя типами решений автоматизации, но и фундаментальных аспектов задач, которые они призваны решать, является залогом успеха в выборе системы перемещения, отвечающей как техническим, так и финансовым целям проекта.

От компании АЭРОТЕХ.