تفاوت بین سیستم‌های حرکت گرانیتی مرحله‌ای و یکپارچه

انتخاب مناسب‌ترین پلتفرم حرکتی خطی مبتنی بر گرانیت برای یک کاربرد خاص به عوامل و متغیرهای زیادی بستگی دارد. بسیار مهم است که بدانیم هر کاربرد، مجموعه‌ای از الزامات منحصر به فرد خود را دارد که باید درک و اولویت‌بندی شوند تا بتوان یک راه‌حل مؤثر از نظر پلتفرم حرکتی ارائه داد.

یکی از رایج‌ترین راه‌حل‌ها شامل نصب استیج‌های موقعیت‌یابی گسسته بر روی یک سازه گرانیتی است. راه‌حل رایج دیگر، ادغام اجزایی است که محورهای حرکت را مستقیماً در خود گرانیت تشکیل می‌دهند. انتخاب بین یک پلتفرم حرکت استیج-روی-گرانیت و یک پلتفرم حرکت یکپارچه-گرانیت (IGM) یکی از تصمیمات اولیه‌ای است که باید در فرآیند انتخاب گرفته شود. تفاوت‌های واضحی بین هر دو نوع راه‌حل وجود دارد و البته هر کدام مزایا - و البته نکات احتیاطی - خاص خود را دارند که باید با دقت درک و بررسی شوند.

برای ارائه بینش بهتر در مورد این فرآیند تصمیم‌گیری، تفاوت‌های بین دو طرح اساسی پلتفرم حرکت خطی - یک راه‌حل سنتی روی گرانیت و یک راه‌حل IGM - را از دیدگاه فنی و مالی در قالب یک مطالعه موردی یاتاقان مکانیکی ارزیابی می‌کنیم.

پیشینه

برای بررسی شباهت‌ها و تفاوت‌های بین سیستم‌های IGM و سیستم‌های سنتی مرحله‌ای روی گرانیت، ما دو طرح آزمایشی ایجاد کردیم:

• یاتاقان مکانیکی، نصب شده روی گرانیت
• یاتاقان مکانیکی، IGM

در هر دو مورد، هر سیستم از سه محور حرکتی تشکیل شده است. محور Y، ۱۰۰۰ میلی‌متر حرکت ارائه می‌دهد و روی پایه سازه گرانیتی قرار دارد. محور X که روی پل مجموعه با ۴۰۰ میلی‌متر حرکت قرار دارد، محور Z عمودی را با ۱۰۰ میلی‌متر حرکت حمل می‌کند. این چیدمان به صورت تصویری نشان داده شده است.

برای طراحی استیج روی گرانیت، ما یک استیج بدنه پهن PRO560LM را برای محور Y انتخاب کردیم زیرا ظرفیت حمل بار بیشتری دارد، که برای بسیاری از کاربردهای حرکتی با استفاده از این چیدمان "پل تقسیم Y/XZ" رایج است. برای محور X، ما PRO280LM را انتخاب کردیم که معمولاً به عنوان محور پل در بسیاری از کاربردها استفاده می‌شود. PRO280LM تعادل عملی بین فضای اشغالی و توانایی حمل محور Z با بار مشتری ارائه می‌دهد.

برای طرح‌های IGM، ما مفاهیم طراحی اساسی و طرح‌بندی محورهای فوق را به دقت تکرار کردیم، با این تفاوت اصلی که محورهای IGM مستقیماً در ساختار گرانیتی ساخته شده‌اند و بنابراین فاقد پایه‌های قطعات ماشینکاری شده موجود در طرح‌های مرحله‌ای روی گرانیت هستند.

محور Z که در هر دو مورد طراحی مشترک است، یک استیج PRO190SL با موتور ساچمه‌ای انتخاب شده است. این محور به دلیل ظرفیت بار زیاد و فرم نسبتاً جمع‌وجورش، برای استفاده در جهت عمودی روی پل بسیار محبوب است.

شکل 2 سیستم‌های خاص مورد مطالعه روی گرانیت و IGM را نشان می‌دهد.

مقایسه فنی

سیستم‌های IGM با استفاده از تکنیک‌ها و اجزای متنوعی طراحی می‌شوند که مشابه مواردی هستند که در طرح‌های سنتی مرحله‌ای روی گرانیت یافت می‌شوند. در نتیجه، ویژگی‌های فنی مشترک زیادی بین سیستم‌های IGM و سیستم‌های مرحله‌ای روی گرانیت وجود دارد. برعکس، ادغام محورهای حرکت مستقیماً در ساختار گرانیت، چندین ویژگی متمایز ارائه می‌دهد که سیستم‌های IGM را از سیستم‌های مرحله‌ای روی گرانیت متمایز می‌کند.

فاکتور فرم

شاید واضح‌ترین شباهت از پایه دستگاه - گرانیت - شروع شود. اگرچه تفاوت‌هایی در ویژگی‌ها و تلرانس‌ها بین طرح‌های stage-on-granite و IGM وجود دارد، ابعاد کلی پایه گرانیتی، پایه‌های بالابر و پل معادل است. این امر عمدتاً به این دلیل است که حرکات اسمی و حدی بین stage-on-granite و IGM یکسان است.

ساخت و ساز

فقدان پایه‌های محور قطعات ماشینکاری شده در طراحی IGM مزایای خاصی نسبت به راه‌حل‌های مرحله‌ای روی گرانیت دارد. به طور خاص، کاهش قطعات در حلقه ساختاری IGM به افزایش سختی کلی محور کمک می‌کند. همچنین امکان فاصله کوتاه‌تر بین پایه گرانیتی و سطح بالایی کالسکه را فراهم می‌کند. در این مطالعه موردی خاص، طراحی IGM ارتفاع سطح کار ۳۳٪ کمتر (۸۰ میلی‌متر در مقایسه با ۱۲۰ میلی‌متر) را ارائه می‌دهد. این ارتفاع کار کمتر نه تنها امکان طراحی فشرده‌تر را فراهم می‌کند، بلکه جابجایی‌های دستگاه را از موتور و انکودر به نقطه کار کاهش می‌دهد و در نتیجه خطاهای Abbe کاهش یافته و در نتیجه عملکرد موقعیت‌یابی نقطه کار بهبود می‌یابد.

اجزای محور

با نگاهی عمیق‌تر به طراحی، راه‌حل‌های stage-on-granite و IGM برخی از اجزای کلیدی مانند موتورهای خطی و انکودرهای موقعیت را به اشتراک می‌گذارند. انتخاب مشترک مسیر نیرو و آهنربا منجر به قابلیت‌های خروجی نیرو معادل می‌شود. به همین ترتیب، استفاده از انکودرهای یکسان در هر دو طرح، وضوح دقیق یکسانی را برای بازخورد موقعیت فراهم می‌کند. در نتیجه، دقت خطی و عملکرد تکرارپذیری بین راه‌حل‌های stage-on-granite و IGM تفاوت چندانی ندارد. طرح‌بندی مشابه اجزا، از جمله جداسازی یاتاقان و تلرانس، منجر به عملکرد قابل مقایسه از نظر حرکات خطای هندسی (یعنی صافی افقی و عمودی، گام، غلتش و انحراف) می‌شود. در نهایت، عناصر پشتیبان هر دو طرح، از جمله مدیریت کابل، محدودیت‌های الکتریکی و توقف‌های سخت، اساساً از نظر عملکرد یکسان هستند، اگرچه ممکن است از نظر ظاهر فیزیکی تا حدودی متفاوت باشند.

بلبرینگ

برای این طراحی خاص، یکی از قابل توجه‌ترین تفاوت‌ها، انتخاب یاتاقان‌های راهنمای خطی است. اگرچه یاتاقان‌های ساچمه‌ای چرخشی در هر دو سیستم روی گرانیت مرحله‌ای و IGM استفاده می‌شوند، سیستم IGM امکان گنجاندن یاتاقان‌های بزرگتر و سفت‌تر را در طراحی بدون افزایش ارتفاع کاری محور فراهم می‌کند. از آنجا که طراحی IGM بر خلاف یک پایه جداگانه با قطعات ماشینکاری شده، به گرانیت به عنوان پایه متکی است، می‌توان مقداری از فضای عمودی را که در غیر این صورت توسط یک پایه ماشینکاری شده اشغال می‌شد، بازیابی کرد و اساساً این فضا را با یاتاقان‌های بزرگتر پر کرد و در عین حال ارتفاع کلی کالسکه را در بالای گرانیت کاهش داد.

سفتی

استفاده از یاتاقان‌های بزرگ‌تر در طراحی IGM تأثیر عمیقی بر سختی زاویه‌ای دارد. در مورد محور پایینی پهن بدنه (Y)، راه‌حل IGM بیش از 40٪ سختی غلتشی بیشتر، 30٪ سختی گام بیشتر و 20٪ سختی انحراف بیشتر نسبت به طراحی متناظر مرحله‌ای روی گرانیت ارائه می‌دهد. به طور مشابه، پل IGM چهار برابر افزایش در سختی غلتشی، دو برابر سختی گام و بیش از 30٪ سختی انحراف بیشتر نسبت به همتای مرحله‌ای روی گرانیت خود ارائه می‌دهد. سختی زاویه‌ای بالاتر مزیت دارد زیرا مستقیماً به بهبود عملکرد دینامیکی کمک می‌کند، که کلید افزایش توان عملیاتی دستگاه است.

ظرفیت بار

یاتاقان‌های بزرگ‌تر راهکار IGM، ظرفیت بار قابل توجهی بالاتر از راهکار stage-on-granite را فراهم می‌کنند. اگرچه محور پایه PRO560LM راهکار stage-on-granite ظرفیت بار ۱۵۰ کیلوگرم را دارد، اما راهکار IGM مربوطه می‌تواند بار ۳۰۰ کیلوگرمی را تحمل کند. به طور مشابه، محور پل PRO280LM راهکار stage-on-granite می‌تواند ۱۵۰ کیلوگرم را تحمل کند، در حالی که محور پل راهکار IGM می‌تواند تا ۲۰۰ کیلوگرم را تحمل کند.

جرم متحرک

در حالی که یاتاقان‌های بزرگتر در محورهای IGM با یاتاقان مکانیکی، ویژگی‌های عملکرد زاویه‌ای بهتر و ظرفیت حمل بار بیشتری را ارائه می‌دهند، اما با کامیون‌های بزرگتر و سنگین‌تری نیز عرضه می‌شوند. علاوه بر این، واگن‌های IGM به گونه‌ای طراحی شده‌اند که برخی از ویژگی‌های ماشینکاری شده لازم برای محور مرحله‌ای روی گرانیت (اما مورد نیاز محور IGM نیستند) برای افزایش سختی قطعه و ساده‌سازی تولید حذف می‌شوند. این عوامل به این معنی است که محور IGM جرم متحرک بیشتری نسبت به محور مرحله‌ای روی گرانیت مربوطه دارد. یک نکته منفی غیرقابل انکار این است که حداکثر شتاب IGM کمتر است، با فرض اینکه خروجی نیروی موتور بدون تغییر باشد. با این حال، در شرایط خاص، جرم متحرک بزرگتر ممکن است از این منظر که اینرسی بزرگتر آن می‌تواند مقاومت بیشتری در برابر اختلالات ایجاد کند، مفید باشد که می‌تواند با افزایش پایداری در موقعیت مرتبط باشد.

دینامیک سازه

سختی بالاتر یاتاقان و کالسکه سفت‌تر سیستم IGM مزایای دیگری را ارائه می‌دهد که پس از استفاده از یک بسته نرم‌افزاری تحلیل المان محدود (FEA) برای انجام تحلیل مودال آشکار می‌شوند. در این مطالعه، ما اولین رزونانس کالسکه متحرک را به دلیل تأثیر آن بر پهنای باند سروو بررسی کردیم. کالسکه PRO560LM با رزونانس در فرکانس ۴۰۰ هرتز مواجه می‌شود، در حالی که کالسکه IGM مربوطه همان حالت را در فرکانس ۴۳۰ هرتز تجربه می‌کند. شکل ۳ این نتیجه را نشان می‌دهد.

رزونانس بالاتر راه‌حل IGM، در مقایسه با روش سنتی نصب روی گرانیت، می‌تواند تا حدی به طراحی محکم‌تر کالسکه و یاتاقان نسبت داده شود. رزونانس کالسکه بالاتر، پهنای باند سروو بیشتر و در نتیجه عملکرد دینامیکی بهبود یافته را ممکن می‌سازد.

محیط عملیاتی

آب‌بندی محور تقریباً همیشه در صورت وجود آلودگی‌ها، چه از طریق فرآیند کاربر ایجاد شده باشند و چه به هر دلیل دیگری در محیط دستگاه وجود داشته باشند، اجباری است. راه‌حل‌های مرحله‌ای روی گرانیت به دلیل ماهیت ذاتاً بسته محور، در این شرایط به ویژه مناسب هستند. به عنوان مثال، مراحل خطی سری PRO مجهز به پوشش‌های سخت و آب‌بندی‌های جانبی هستند که اجزای داخلی مرحله را تا حد معقولی از آلودگی محافظت می‌کنند. این مراحل همچنین می‌توانند با پاک‌کننده‌های رومیزی اختیاری پیکربندی شوند تا در حین حرکت مرحله، زباله‌ها را از روی پوشش سخت بالایی پاک کنند. از سوی دیگر، سکوهای حرکتی IGM ذاتاً باز هستند و یاتاقان‌ها، موتورها و انکودرها در معرض دید قرار دارند. اگرچه در محیط‌های تمیزتر مشکلی ایجاد نمی‌کند، اما در صورت وجود آلودگی می‌تواند مشکل‌ساز باشد. می‌توان با گنجاندن یک پوشش راه مخصوص به سبک دمنده در طراحی محور IGM برای محافظت در برابر زباله‌ها، این مشکل را برطرف کرد. اما اگر به درستی اجرا نشود، دمنده‌ها می‌توانند با وارد کردن نیروهای خارجی به کالسکه در حین حرکت در تمام طول مسیر، بر حرکت محور تأثیر منفی بگذارند.

تعمیر و نگهداری

قابلیت سرویس‌دهی، وجه تمایز بین پلتفرم‌های حرکتی استیج-آن-گرانیت و IGM است. محورهای موتور خطی به دلیل استحکامشان شناخته شده‌اند، اما گاهی اوقات انجام تعمیر و نگهداری ضروری می‌شود. برخی از عملیات تعمیر و نگهداری نسبتاً ساده هستند و می‌توانند بدون برداشتن یا جدا کردن محور مورد نظر انجام شوند، اما گاهی اوقات نیاز به باز کردن کامل‌تر است. هنگامی که پلتفرم حرکتی از استیج‌های مجزایی تشکیل شده است که روی گرانیت نصب شده‌اند، سرویس‌دهی یک کار نسبتاً ساده است. ابتدا استیج را از گرانیت جدا کنید، سپس کارهای تعمیر و نگهداری لازم را انجام دهید و دوباره آن را نصب کنید. یا به سادگی آن را با یک استیج جدید جایگزین کنید.

راهکارهای IGM گاهی اوقات می‌توانند هنگام انجام تعمیر و نگهداری چالش برانگیزتر باشند. اگرچه تعویض یک مسیر مغناطیسی واحد از موتور خطی در این مورد بسیار ساده است، اما تعمیر و نگهداری پیچیده‌تر اغلب شامل جداسازی کامل بسیاری یا تمام اجزای تشکیل دهنده محور است که وقتی اجزا مستقیماً روی گرانیت نصب می‌شوند، زمان بیشتری می‌برد. همچنین تنظیم مجدد محورهای مبتنی بر گرانیت نسبت به یکدیگر پس از انجام تعمیر و نگهداری دشوارتر است - کاری که با مراحل گسسته به طور قابل توجهی ساده‌تر است.

جدول 1. خلاصه‌ای از تفاوت‌های فنی اساسی بین راه‌حل‌های یاتاقان مکانیکی روی گرانیت و IGM.

مقایسه اقتصادی

در حالی که هزینه مطلق هر سیستم حرکتی بر اساس عوامل مختلفی از جمله طول مسیر، دقت محور، ظرفیت بار و قابلیت‌های دینامیکی متفاوت خواهد بود، مقایسه نسبی سیستم‌های حرکتی IGM مشابه و سیستم‌های حرکتی Stage-on-granite که در این مطالعه انجام شده است، نشان می‌دهد که راه‌حل‌های IGM قادر به ارائه حرکتی با دقت متوسط ​​تا بالا با هزینه‌های نسبتاً پایین‌تر از همتایان Stage-on-granite خود هستند.

مطالعه اقتصادی ما شامل سه جزء اساسی هزینه است: قطعات ماشین (شامل قطعات تولیدی و قطعات خریداری شده)، مونتاژ گرانیت، و دستمزد و سربار.

قطعات ماشین

یک راهکار IGM از نظر قطعات ماشین، صرفه‌جویی قابل توجهی نسبت به راهکار stage-on-granit ارائه می‌دهد. این امر در درجه اول به دلیل عدم وجود پایه‌های stage ماشینکاری شده پیچیده در محورهای Y و X در IGM است که پیچیدگی و هزینه را به راهکارهای stage-on-granit می‌افزاید. علاوه بر این، صرفه‌جویی در هزینه را می‌توان به ساده‌سازی نسبی سایر قطعات ماشینکاری شده در راهکار IGM، مانند واگن‌های متحرک، نسبت داد که می‌توانند ویژگی‌های ساده‌تر و تلرانس‌های تا حدودی راحت‌تری در هنگام طراحی برای استفاده در یک سیستم IGM داشته باشند.

مجامع گرانیتی

اگرچه به نظر می‌رسد مجموعه‌های پایه-بالابر-پل گرانیتی در هر دو سیستم IGM و stage-on-granite از نظر شکل و ظاهر مشابه هستند، اما مجموعه گرانیتی IGM کمی گران‌تر است. دلیل این امر این است که گرانیت در محلول IGM جای پایه‌های استیج ماشین‌کاری شده در محلول stage-on-granite را می‌گیرد، که مستلزم آن است که گرانیت در مناطق بحرانی تلرانس‌های عموماً دقیق‌تری داشته باشد و حتی ویژگی‌های اضافی، مانند برش‌های اکسترود شده و/یا درج‌های فولادی رزوه‌دار، به عنوان مثال، داشته باشد. با این حال، در مطالعه موردی ما، پیچیدگی اضافه شده ساختار گرانیتی بیش از آن است که با ساده‌سازی قطعات ماشین جبران شود.

نیروی کار و سربار

به دلیل شباهت‌های زیاد در مونتاژ و آزمایش هر دو سیستم IGM و stage-on-granite، تفاوت قابل توجهی در هزینه‌های نیروی کار و سربار وجود ندارد.

وقتی همه این عوامل هزینه با هم ترکیب شوند، راه‌حل IGM با یاتاقان مکانیکی خاص که در این مطالعه بررسی شده است، تقریباً 15٪ ارزان‌تر از راه‌حل یاتاقان مکانیکی مرحله‌ای روی گرانیت است.

البته، نتایج تحلیل اقتصادی نه تنها به ویژگی‌هایی مانند طول مسیر، دقت و ظرفیت بار بستگی دارد، بلکه به عواملی مانند انتخاب تأمین‌کننده گرانیت نیز بستگی دارد. علاوه بر این، در نظر گرفتن هزینه‌های حمل و نقل و لجستیک مرتبط با تهیه یک سازه گرانیتی عاقلانه است. این امر به ویژه برای سیستم‌های گرانیتی بسیار بزرگ مفید است، اگرچه برای همه اندازه‌ها صادق است، اما انتخاب یک تأمین‌کننده گرانیت واجد شرایط در نزدیکی محل مونتاژ نهایی سیستم می‌تواند به کاهش هزینه‌ها نیز کمک کند.

همچنین باید توجه داشت که این تحلیل هزینه‌های پس از اجرا را در نظر نمی‌گیرد. برای مثال، فرض کنید سرویس سیستم حرکتی با تعمیر یا تعویض یک محور حرکتی ضروری شود. یک سیستم پله‌ای روی گرانیت را می‌توان با برداشتن و تعمیر/تعویض محور آسیب‌دیده سرویس کرد. به دلیل طراحی مدولارتر به سبک پله‌ای، این کار را می‌توان با سهولت و سرعت نسبی انجام داد، علی‌رغم هزینه اولیه بالاتر سیستم. اگرچه سیستم‌های IGM عموماً با هزینه کمتری نسبت به همتایان پله‌ای روی گرانیتی خود قابل تهیه هستند، اما به دلیل ماهیت یکپارچه ساخت، جداسازی و سرویس آنها می‌تواند چالش برانگیزتر باشد.

نتیجه‌گیری

واضح است که هر نوع طراحی پلتفرم حرکتی - استیج-آن-گرانیت و IGM - می‌تواند مزایای متمایزی ارائه دهد. با این حال، همیشه مشخص نیست که کدام یک ایده‌آل‌ترین انتخاب برای یک کاربرد حرکتی خاص است. بنابراین، همکاری با یک تامین‌کننده باتجربه سیستم‌های حرکتی و اتوماسیون، مانند Aerotech، که رویکردی مشاوره‌ای و متمرکز بر کاربرد ارائه می‌دهد، برای بررسی و ارائه بینش ارزشمند در مورد جایگزین‌های راه‌حل برای کاربردهای چالش‌برانگیز کنترل حرکت و اتوماسیون، بسیار مفید است. درک نه تنها تفاوت بین این دو نوع راه‌حل اتوماسیون، بلکه جنبه‌های اساسی مشکلاتی که باید حل کنند، کلید اساسی موفقیت در انتخاب یک سیستم حرکتی است که هم اهداف فنی و هم مالی پروژه را در نظر می‌گیرد.

از شرکت آئروتک.