Разница между системами перемещения по гранитной поверхности и интегрированными гранитными конструкциями.

Выбор наиболее подходящей платформы линейного перемещения на основе гранита для конкретного применения зависит от множества факторов и переменных. Крайне важно понимать, что каждое приложение имеет свой уникальный набор требований, которые необходимо учитывать и расставлять приоритеты для поиска эффективного решения в отношении платформы перемещения.

Одно из наиболее распространенных решений предполагает установку отдельных позиционирующих платформ на гранитную конструкцию. Другое распространенное решение интегрирует компоненты, составляющие оси движения, непосредственно в сам гранит. Выбор между платформой с позиционирующей платформой на граните и платформой с интегрированным гранитным механизмом перемещения (IGM) — одно из первых решений, которое необходимо принять в процессе выбора. Между этими двумя типами решений существуют четкие различия, и, конечно же, каждое имеет свои преимущества и недостатки, которые необходимо тщательно понимать и учитывать.

Чтобы лучше понять этот процесс принятия решений, мы оцениваем различия между двумя основными конструкциями платформ линейного перемещения — традиционным решением с опорой на гранитную плиту и решением с интегрированной системой управления движением (IGM) — как с технической, так и с финансовой точки зрения, используя в качестве примера механические подшипники.

Фон

Для изучения сходств и различий между системами IGM и традиционными системами послойного нанесения покрытия на гранит мы разработали два тестовых примера:

• Механический подшипник, платформа на граните
• Механический подшипник, IGM

В обоих случаях каждая система состоит из трех осей перемещения. Ось Y обеспечивает ход в 1000 мм и расположена на основании гранитной конструкции. Ось X, расположенная на мосту конструкции и имеющая ход в 400 мм, перемещает вертикальную ось Z на 100 мм. Эта схема представлена ​​в виде пиктограммы.

Для конструкции с подвижным столом на гранитной основе мы выбрали ширококорпусный стол PRO560LM для оси Y из-за его большей грузоподъемности, характерной для многих систем перемещения, использующих такую ​​схему «раздельного моста Y/XZ». Для оси X мы выбрали PRO280LM, который часто используется в качестве мостовой оси во многих приложениях. PRO280LM обеспечивает практичный баланс между своими габаритами и возможностью размещения оси Z с полезной нагрузкой заказчика.

При проектировании осей IGM мы в точности воспроизвели основные концепции и компоновку вышеупомянутых осей, с той лишь разницей, что оси IGM встраиваются непосредственно в гранитную конструкцию и, следовательно, не имеют оснований из обработанных компонентов, которые присутствуют в конструкциях, устанавливаемых на граните.

Общим для обеих конструкций является ось Z, в качестве которой была выбрана платформа с шариковинтовым приводом PRO190SL. Эта ось очень популярна для использования в вертикальной ориентации на мостах благодаря своей большой грузоподъемности и относительно компактным размерам.

На рисунке 2 показаны конкретные изученные системы высадки на гранитных породах и системы IGM.

Техническое сравнение

Системы IGM проектируются с использованием различных технологий и компонентов, аналогичных тем, которые применяются в традиционных конструкциях с использованием гранитных конструкций. В результате, системы IGM и системы с использованием гранитных конструкций имеют множество общих технических свойств. В свою очередь, интеграция осей движения непосредственно в гранитную структуру обеспечивает ряд отличительных характеристик, которые выделяют системы IGM среди систем с использованием гранитных конструкций.

Форм-фактор

Пожалуй, наиболее очевидное сходство начинается с основания машины — гранита. Хотя существуют различия в характеристиках и допусках между конструкциями с гранитным основанием и IGM, общие размеры гранитного основания, стояков и моста эквивалентны. Это объясняется прежде всего тем, что номинальные и предельные перемещения идентичны у конструкций с гранитным основанием и IGM.

Строительство

Отсутствие оснований осей для обрабатываемых компонентов в конструкции IGM обеспечивает определенные преимущества по сравнению с решениями на гранитных основаниях. В частности, уменьшение количества компонентов в конструктивном контуре IGM способствует повышению общей жесткости 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, к повышению точности позиционирования рабочей точки.

Компоненты оси

При более детальном рассмотрении конструкции, решения с использованием платформы на гранитной основе и системы IGM имеют некоторые общие ключевые компоненты, такие как линейные двигатели и энкодеры положения. Общий выбор силы и магнитной дорожки обеспечивает эквивалентные возможности по выходной силе. Аналогично, использование одних и тех же энкодеров в обеих конструкциях обеспечивает одинаково высокую точность обратной связи по позиционированию. В результате, линейная точность и повторяемость не сильно различаются между решениями с использованием платформы на гранитной основе и системой IGM. Схожая компоновка компонентов, включая расстояние между подшипниками и допуски, приводит к сопоставимым показателям с точки зрения геометрических погрешностей (т.е. горизонтальной и вертикальной прямолинейности, тангажа, крена и рыскания). Наконец, вспомогательные элементы обеих конструкций, включая кабельную систему, электрические ограничители и жесткие упоры, принципиально идентичны по функциям, хотя могут несколько различаться по внешнему виду.

Подшипники

В данной конструкции одним из наиболее заметных отличий является выбор линейных направляющих подшипников. Хотя шариковые подшипники с рециркуляцией шариков используются как в системах с платформой на граните, так и в системе IGM, система IGM позволяет интегрировать в конструкцию более крупные и жесткие подшипники без увеличения рабочей высоты оси. Поскольку конструкция IGM опирается на гранит в качестве основания, а не на отдельное основание из обработанных компонентов, можно освободить часть вертикального пространства, которое в противном случае было бы занято обработанным основанием, и, по сути, заполнить это пространство более крупными подшипниками, при этом уменьшив общую высоту каретки над гранитом.

Жесткость

Использование подшипников большего размера в конструкции IGM оказывает существенное влияние на угловую жесткость. В случае широкой нижней оси (Y) решение IGM обеспечивает более чем на 40% большую жесткость на крен, на 30% большую жесткость по тангажу и на 20% большую жесткость по рысканию, чем соответствующая конструкция с платформой на гранитной опоре. Аналогично, мост IGM обеспечивает четырехкратное увеличение жесткости на крен, удвоение жесткости по тангажу и более чем на 30% большую жесткость по рысканию, чем его аналог с платформой на гранитной опоре. Более высокая угловая жесткость выгодна, поскольку она напрямую способствует улучшению динамических характеристик, что является ключевым фактором для повышения производительности машины.

Грузоподъемность

Более крупные подшипники в решении IGM обеспечивают значительно большую грузоподъемность, чем в решении с установкой платформы на гранитной опоре. Хотя базовая ось PRO560LM в решении с установкой платформы на гранитной опоре имеет грузоподъемность 150 кг, соответствующее решение IGM может выдерживать полезную нагрузку до 300 кг. Аналогично, мостовая ось PRO280LM в решении с установкой платформы на гранитной опоре выдерживает 150 кг, тогда как мостовая ось в решении IGM может выдерживать до 200 кг.

Движущаяся масса

Хотя более крупные подшипники в осях IGM с механическими подшипниками обеспечивают лучшие угловые характеристики и большую грузоподъемность, они также оснащены более крупными и тяжелыми тележками. Кроме того, конструкция кареток IGM предусматривает удаление некоторых обработанных элементов, необходимых для оси, расположенной на гранитной плите (но не требуемых для оси IGM), для повышения жесткости детали и упрощения производства. Эти факторы означают, что ось IGM имеет большую подвижную массу, чем соответствующая ось, расположенная на гранитной плите. Неоспоримым недостатком является то, что максимальное ускорение IGM ниже, при условии, что выходная сила двигателя не изменяется. Тем не менее, в определенных ситуациях большая подвижная масса может быть выгодна с точки зрения того, что ее большая инерция может обеспечить большее сопротивление возмущениям, что может коррелировать с повышением устойчивости в заданном положении.

Структурная динамика

Более высокая жесткость подшипников и более жесткая каретка системы IGM обеспечивают дополнительные преимущества, которые становятся очевидными после использования программного пакета для конечно-элементного анализа (FEA) для проведения модального анализа. В этом исследовании мы изучили первый резонанс подвижной каретки из-за 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. Рисунок 3 иллюстрирует этот результат.

Более высокий резонанс решения IGM по сравнению с традиционными платформами на гранитной основе частично объясняется более жесткой конструкцией каретки и подшипников. Более высокий резонанс каретки позволяет получить более широкую полосу пропускания сервопривода и, следовательно, улучшить динамические характеристики.

Операционная среда

Герметичность осей практически всегда обязательна при наличии загрязнений, будь то образующихся в процессе работы пользователя или иным образом присутствующих в окружающей среде станка. Решения с направляющими на гранитных основаниях особенно подходят в таких ситуациях из-за изначально закрытой конструкции оси. Например, линейные направляющие серии PRO оснащены жесткими крышками и боковыми уплотнениями, которые в разумной степени защищают внутренние компоненты направляющей от загрязнения. Эти направляющие также могут быть сконфигурированы с дополнительными щетками для очистки поверхности стола от мусора во время перемещения направляющей. С другой стороны, платформы перемещения IGM по своей природе открыты, подшипники, двигатели и энкодеры находятся на виду. Хотя это не является проблемой в чистых средах, это может стать проблемой при наличии загрязнений. Эту проблему можно решить, включив в конструкцию оси IGM специальную защитную крышку направляющей в виде сильфона для защиты от мусора. Но если она реализована неправильно, сильфон может негативно влиять на движение оси, создавая внешние силы на каретку по мере ее перемещения в полном диапазоне.

Обслуживание

Удобство обслуживания — это отличительная черта платформ с линейными двигателями, установленных на гранитной опоре, и платформ с линейными двигателями. Оси с линейными двигателями известны своей прочностью, но иногда возникает необходимость в техническом обслуживании. Некоторые операции по техническому обслуживанию относительно просты и могут быть выполнены без снятия или разборки соответствующей оси, но иногда требуется более тщательная разборка. Когда платформа состоит из отдельных опор, установленных на гранитной опоре, обслуживание является достаточно простой задачей. Сначала нужно снять опору с гранитной опоры, затем выполнить необходимые работы по техническому обслуживанию и установить ее обратно. Или же просто заменить ее новой опорой.

Решения IGM могут порой представлять собой более сложную задачу при проведении технического обслуживания. Хотя замена одной магнитной дорожки линейного двигателя в данном случае очень проста, более сложные работы по техническому обслуживанию и ремонту часто включают в себя полную разборку многих или всех компонентов, составляющих ось, что занимает больше времени, когда компоненты установлены непосредственно на гранитной основе. Кроме того, после проведения технического обслуживания сложнее выполнить выравнивание осей на гранитной основе друг относительно друга — задача, которая значительно проще решается при использовании дискретных ступеней.

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

Экономическое сравнение

Хотя абсолютная стоимость любой системы перемещения будет варьироваться в зависимости от нескольких факторов, включая длину перемещения, точность осей, грузоподъемность и динамические возможности, сравнительное сравнение аналогичных систем перемещения IGM и систем перемещения на гранитных платформах, проведенное в этом исследовании, показывает, что решения IGM способны обеспечить перемещение со средней и высокой точностью при умеренно более низких затратах, чем их аналоги на гранитных платформах.

Наше экономическое исследование включает три основных компонента затрат: детали машин (включая как изготовленные, так и приобретенные компоненты), гранитная сборка, а также трудозатраты и накладные расходы.

Детали машин

Решение IGM обеспечивает существенную экономию по сравнению с решением с использованием платформы на гранитной опоре с точки зрения деталей станка. Это в первую очередь связано с отсутствием сложных в обработке оснований платформы по осям Y и X, которые усложняют и увеличивают стоимость решений с платформой на гранитной опоре. Кроме того, экономия средств может быть обусловлена ​​относительным упрощением других обработанных деталей в решении IGM, таких как подвижные каретки, которые могут иметь более простые элементы и несколько более мягкие допуски при проектировании для использования в системе IGM.

Гранитные конструкции

Хотя гранитные основания, стойки и мосты в системах IGM и «платформа на граните» имеют схожую форму и внешний вид, гранитная конструкция IGM немного дороже. Это связано с тем, что гранит в решении IGM заменяет обработанные основания платформ в решении «платформа на граните», что требует от гранита более жестких допусков в критических областях и даже дополнительных элементов, таких как, например, вырезы и/или резьбовые стальные вставки. Однако в нашем случае дополнительная сложность гранитной конструкции более чем компенсируется упрощением деталей, изготовленных машинным способом.

Трудовые и накладные расходы

Ввиду многочисленных сходств в сборке и тестировании как системы IGM, так и системы поэтапного монтажа на гранитных основаниях, существенной разницы в трудозатратах и ​​накладных расходах нет.

С учетом всех этих факторов стоимости, конкретное решение с механическими подшипниками IGM, рассмотренное в данном исследовании, примерно на 15% дешевле, чем решение с механическими подшипниками, устанавливаемыми на гранитной плите.

Конечно, результаты экономического анализа зависят не только от таких характеристик, как длина пути, точность и грузоподъемность, но и от таких факторов, как выбор поставщика гранита. Кроме того, целесообразно учитывать затраты на доставку и логистику, связанные с приобретением гранитной конструкции. Особенно полезно для очень больших гранитных систем, хотя это справедливо для всех размеров, выбор квалифицированного поставщика гранита, расположенного ближе к месту окончательной сборки системы, также может помочь минимизировать затраты.

Следует также отметить, что данный анализ не учитывает затраты после внедрения. Например, предположим, что возникает необходимость в обслуживании системы перемещения путем ремонта или замены оси движения. Систему с платформой на гранитной плите можно обслуживать, просто сняв и отремонтировав/заменив поврежденную ось. Благодаря более модульной конструкции платформы 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 с платформой на гранитной плите, их разборка и обслуживание могут быть более сложными из-за интегрированного характера конструкции.

Заключение

Очевидно, что каждый тип конструкции подвижной платформы — платформа на гранитной основе и интегрированная платформа управления движением (IGM) — может предложить свои преимущества. Однако не всегда очевидно, какой вариант является наиболее оптимальным для конкретного применения в области управления движением. Поэтому крайне полезно сотрудничать с опытным поставщиком систем управления движением и автоматизации, таким как Aerotech, который предлагает ориентированный на конкретные задачи консультативный подход для изучения и предоставления ценной информации о альтернативных решениях для сложных задач управления движением и автоматизации. Понимание не только различий между этими двумя типами решений по автоматизации, но и фундаментальных аспектов проблем, которые они призваны решать, является ключевым фактором успеха в выборе системы управления движением, которая отвечает как техническим, так и финансовым целям проекта.

От компании AEROTECH.