تفاوت بین سیستم های حرکتی مرحله روی گرانیت و یکپارچه گرانیت

انتخاب مناسب ترین پلت فرم حرکت خطی مبتنی بر گرانیت برای یک کاربرد معین به مجموعه ای از عوامل و متغیرها بستگی دارد.بسیار مهم است که بدانیم هر برنامه دارای مجموعه ای از الزامات منحصر به فرد خود است که باید درک و اولویت بندی شود تا بتوان یک راه حل موثر از نظر یک پلت فرم حرکت را دنبال کرد.

یکی از راه حل های همه جا حاضر، نصب مراحل موقعیت یابی گسسته بر روی یک سازه گرانیتی است.راه حل رایج دیگر اجزایی را که محورهای حرکتی را تشکیل می دهند مستقیماً در خود گرانیت ادغام می کند.انتخاب بین یک پلت فرم مرحله روی گرانیت و یک پلت فرم حرکت گرانیت یکپارچه (IGM) یکی از تصمیمات اولیه است که در فرآیند انتخاب گرفته می شود.تمایزهای واضحی بین هر دو نوع راه حل وجود دارد، و البته هر کدام دارای محاسن - و هشدارهایی - هستند که باید به دقت درک شوند و در نظر گرفته شوند.

برای ارائه بینش بهتر به این فرآیند تصمیم‌گیری، ما تفاوت‌های بین دو طرح پایه حرکت خطی - یک راه‌حل سنتی مرحله روی گرانیت و یک راه‌حل IGM - را از منظر فنی و مالی به شکل مکانیکی ارزیابی می‌کنیم. دارای مطالعه موردی

زمینه

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

• بلبرینگ مکانیکی، مرحله روی گرانیت
• بلبرینگ مکانیکی، IGM

در هر دو حالت، هر سیستم از سه محور حرکتی تشکیل شده است.محور Y 1000 میلی متر مسیر را ارائه می دهد و بر روی پایه سازه گرانیتی قرار دارد.محور X که بر روی پل مجموعه با 400 میلی متر حرکت قرار دارد، محور Z عمودی را با 100 میلی متر حرکت حمل می کند.این آرایش به صورت تصویری نشان داده شده است.

برای طراحی مرحله روی گرانیت، ما یک استیج با بدنه پهن PRO560LM را برای محور Y انتخاب کردیم، زیرا ظرفیت حمل بار بزرگ‌تری دارد که برای بسیاری از کاربردهای حرکتی با استفاده از این آرایش «پل تقسیم‌شده Y/XZ» رایج است.برای محور X، ما یک PRO280LM را انتخاب کردیم که معمولاً به عنوان محور پل در بسیاری از برنامه ها استفاده می شود.PRO280LM یک تعادل عملی بین جای پای خود و توانایی آن در حمل محور Z با بار مشتری ارائه می دهد.

برای طرح‌های IGM، مفاهیم و طرح‌بندی‌های اساسی محورهای فوق را دقیقاً تکرار کردیم، با تفاوت اصلی این است که محورهای IGM مستقیماً در ساختار گرانیتی ساخته می‌شوند و بنابراین فاقد پایه‌های اجزای ماشین‌کاری شده موجود در صحنه هستند. -طرح های گرانیتی

مشترک در هر دو مورد طراحی، محور Z است، که به عنوان یک مرحله PRO190SL توپ اسکرو انتخاب شد.این یک محور بسیار محبوب برای استفاده در جهت عمودی بر روی پل است زیرا ظرفیت بار سخاوتمندانه و ضریب فرم نسبتا فشرده آن است.

شکل 2 سیستم های مرحله روی گرانیت و IGM خاص مورد مطالعه را نشان می دهد.

مقایسه فنی

سیستم‌های IGM با استفاده از تکنیک‌ها و اجزای مختلفی طراحی می‌شوند که مشابه آن‌هایی است که در طرح‌های سنتی روی گرانیت وجود دارد.در نتیجه، ویژگی‌های فنی متعددی بین سیستم‌های IGM و سیستم‌های مرحله روی گرانیت مشترک وجود دارد.برعکس، ادغام محورهای حرکتی به طور مستقیم در ساختار گرانیتی چندین ویژگی متمایز ارائه می دهد که سیستم های IGM را از سیستم های مرحله روی گرانیت متمایز می کند.

فاکتور فرم

شاید واضح ترین شباهت با پایه دستگاه - گرانیت - شروع شود.اگرچه تفاوت‌هایی در ویژگی‌ها و تلرانس‌ها بین طرح‌های استیج روی گرانیت و طرح‌های IGM وجود دارد، ابعاد کلی پایه گرانیتی، رایزرها و پل برابر هستند.این در درجه اول به این دلیل است که سفرهای اسمی و حدی بین مرحله روی گرانیت و IGM یکسان هستند.

ساخت و ساز

فقدان پایه های محوری اجزای ماشینکاری شده در طراحی IGM مزایای خاصی را نسبت به راه حل های مرحله روی گرانیت فراهم می کند.به طور خاص، کاهش اجزاء در حلقه ساختاری IGM به افزایش سختی کلی محور کمک می کند.همچنین اجازه می دهد تا فاصله کوتاه تری بین پایه گرانیتی و سطح بالایی کالسکه وجود داشته باشد.در این مطالعه موردی خاص، طراحی IGM 33٪ ارتفاع سطح کار کمتری را ارائه می دهد (80 میلی متر در مقایسه با 120 میلی متر).این ارتفاع کاری کوچک‌تر نه تنها طراحی فشرده‌تری را امکان‌پذیر می‌کند، بلکه فاصله‌های دستگاه را از موتور و رمزگذار به نقطه کار کاهش می‌دهد و در نتیجه خطاهای Abbe کاهش می‌یابد و در نتیجه عملکرد موقعیت‌یابی نقطه کار را افزایش می‌دهد.

اجزای محور

با نگاهی عمیق تر به طراحی، راه حل های مرحله روی گرانیت و IGM برخی از اجزای کلیدی مانند موتورهای خطی و رمزگذارهای موقعیت را به اشتراک می گذارند.انتخاب آهنگ مشترک نیرو و آهنربا منجر به قابلیت‌های نیروی خروجی معادل می‌شود.به همین ترتیب، استفاده از رمزگذارهای یکسان در هر دو طرح، وضوح یکسانی را برای بازخورد موقعیت یابی فراهم می کند.در نتیجه، دقت خطی و عملکرد تکرارپذیری بین راه‌حل‌های مرحله روی گرانیت و IGM تفاوت معنی‌داری ندارد.چیدمان اجزای مشابه، از جمله جداسازی یاتاقان و تحمل، منجر به عملکرد قابل مقایسه از نظر حرکات خطای هندسی (یعنی صافی افقی و عمودی، گام، رول و انحراف) می شود.در نهایت، عناصر پشتیبانی هر دو طرح، از جمله مدیریت کابل، محدودیت های الکتریکی و هارد استاپ ها، اساساً از نظر عملکرد یکسان هستند، اگرچه ممکن است در ظاهر فیزیکی تا حدودی متفاوت باشند.

بلبرینگ

برای این طراحی خاص، یکی از قابل توجه ترین تفاوت ها انتخاب بلبرینگ های راهنمای خطی است.اگرچه بلبرینگ‌های چرخشی در هر دو سیستم گرانیتی و IGM استفاده می‌شوند، سیستم IGM این امکان را فراهم می‌کند که یاتاقان‌های بزرگ‌تر و سفت‌تر را بدون افزایش ارتفاع کار محور در طراحی بگنجانند.از آنجایی که طراحی IGM بر پایه گرانیت به عنوان پایه خود متکی است، بر خلاف پایه اجزای ماشینکاری شده جداگانه، می توان برخی از املاک و مستغلات عمودی را که در غیر این صورت توسط پایه ماشینکاری مصرف می شد، بازیابی کرد و اساساً این فضا را با بزرگتر پر کرد. بلبرینگ ها در حالی که هنوز ارتفاع کلی کالسکه بالای گرانیت را کاهش می دهند.

سفتی، سختی

استفاده از یاتاقان های بزرگتر در طراحی IGM تأثیر عمیقی بر سفتی زاویه ای دارد.در مورد محور پایینی با بدنه پهن (Y)، محلول IGM بیش از 40٪ سفتی غلتشی بیشتر، 30٪ سختی گام بیشتر و 20٪ سختی انحرافی بیشتر را نسبت به طراحی مرحله روی گرانیت مربوطه ارائه می دهد.به طور مشابه، پل IGM افزایش 4 برابری در سفتی رول، دو برابری سختی گام و بیش از 30 درصد سختی انحرافی بیشتر را نسبت به همتای خود روی گرانیت ارائه می دهد.سختی زاویه ای بالاتر سودمند است زیرا به طور مستقیم به بهبود عملکرد دینامیکی کمک می کند، که کلیدی برای فعال کردن توان عملیاتی بالاتر دستگاه است.

ظرفیت بار

یاتاقان های بزرگتر محلول IGM ظرفیت بار قابل توجهی بالاتری را نسبت به محلول های مرحله روی گرانیت ایجاد می کند.اگرچه محور پایه PRO560LM محلول مرحله روی گرانیت دارای ظرفیت بارگیری 150 کیلوگرم است، محلول IGM مربوطه می تواند بار 300 کیلوگرمی را در خود جای دهد.به طور مشابه، محور پل PRO280LM مرحله روی گرانیت 150 کیلوگرم را پشتیبانی می کند، در حالی که محور پل راه حل IGM می تواند تا 200 کیلوگرم را حمل کند.

توده متحرک

در حالی که یاتاقان‌های بزرگ‌تر در محورهای IGM دارای یاتاقان‌های مکانیکی، ویژگی‌های عملکرد زاویه‌ای بهتر و ظرفیت حمل بار بیشتری را ارائه می‌کنند، اما با کامیون‌های بزرگ‌تر و سنگین‌تر نیز عرضه می‌شوند.بعلاوه، کالسکه های IGM به گونه ای طراحی شده اند که برخی از ویژگی های ماشین کاری شده لازم برای یک محور مرحله روی گرانیت (اما برای یک محور IGM مورد نیاز نیست) حذف می شوند تا سختی قطعه افزایش یابد و ساخت ساده شود.این عوامل به این معنی است که محور IGM دارای جرم متحرک بیشتری نسبت به محور مربوط به مرحله روی گرانیت است.یک نقطه 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، یک جرم متحرک بزرگتر ممکن است از این منظر سودمند باشد که اینرسی بزرگتر آن می تواند مقاومت بیشتری در برابر اختلالات ایجاد کند، که می تواند با افزایش پایداری در موقعیت مرتبط باشد.

دینامیک سازه

سفتی یاتاقان بالاتر و حمل سفت تر سیستم IGM مزایای بیشتری را ارائه می دهد که پس از استفاده از بسته نرم افزاری تحلیل المان محدود (FEA) برای انجام یک تحلیل مودال آشکار می شود.در این مطالعه، اولین رزونانس کالسکه متحرک را به دلیل تأثیر آن بر پهنای باند سروو بررسی کردیم.واگن PRO560LM با رزونانس 400 هرتز مواجه می شود، در حالی که حامل IGM مربوطه همان حالت را در 430 هرتز تجربه می کند.شکل 3 این نتیجه را نشان می دهد.

رزونانس بالاتر محلول IGM، در مقایسه با مرحله روی گرانیت سنتی، می تواند تا حدی به طراحی سفت تر کالسکه و یاتاقان نسبت داده شود.رزونانس حامل بالاتر، پهنای باند سروو بیشتر و در نتیجه عملکرد پویا را بهبود می بخشد.

محیط عملیاتی

مهر و موم شدن محور تقریباً همیشه در صورت وجود آلاینده ها اجباری است، خواه از طریق فرآیند کاربر ایجاد شده باشد یا در محیط دستگاه وجود داشته باشد.محلول های مرحله روی گرانیت به دلیل ماهیت بسته بودن محور به ویژه در این شرایط مناسب هستند.به عنوان مثال، مراحل خطی سری PRO، مجهز به جلدهای سخت و درزگیرهای جانبی هستند که تا حد معقولی از اجزای مرحله داخلی در برابر آلودگی محافظت می کنند.این مراحل همچنین ممکن است با برف پاک کن های روی میز اختیاری پیکربندی شوند تا در حین عبور از مرحله، زباله ها را از روی جلد سخت جدا کند.از سوی دیگر، پلتفرم‌های حرکتی IGM ذاتاً باز هستند و یاتاقان‌ها، موتورها و رمزگذارها در معرض دید هستند.اگرچه در محیط های تمیزتر مشکلی نیست، اما در صورت وجود آلودگی می تواند مشکل ساز باشد.پرداختن به این مشکل با استفاده از یک پوشش مخصوص به سبک دم در طراحی محور IGM برای محافظت در برابر زباله ها امکان پذیر است.اما اگر به درستی اجرا نشود، دم می‌تواند با وارد کردن نیروهای خارجی بر روی کالسکه هنگام حرکت در محدوده کامل حرکت، بر حرکت محور تأثیر منفی بگذارد.

نگهداری

قابلیت سرویس‌دهی وجه تمایز بین پلت‌فرم‌های حرکتی مرحله روی گرانیت و IGM است.محورهای موتور خطی به دلیل استحکام خود شناخته شده اند، اما گاهی اوقات انجام تعمیر و نگهداری ضروری می شود.برخی از عملیات تعمیر و نگهداری نسبتاً ساده هستند و می‌توانند بدون برداشتن یا جدا کردن محور مورد نظر انجام شوند، اما گاهی اوقات به یکپارچگی دقیق‌تر نیاز است.هنگامی که سکوی حرکتی از مراحل مجزای نصب شده بر روی گرانیت تشکیل شده است، سرویس دهی یک کار نسبتاً ساده است.ابتدا استیج را از روی گرانیت جدا کرده، سپس تعمیر و نگهداری لازم را انجام داده و دوباره آن را سوار کنید.یا به سادگی آن را با یک مرحله جدید جایگزین کنید.

راه حل های IGM در زمان انجام تعمیر و نگهداری می توانند چالش برانگیزتر باشند.اگرچه تعویض یک مسیر آهنربایی موتور خطی در این مورد بسیار ساده است، تعمیر و نگهداری و تعمیرات پیچیده‌تر اغلب شامل جداسازی کامل بسیاری از اجزای محور یا همه آن‌ها می‌شود، که وقتی قطعات مستقیماً روی گرانیت نصب می‌شوند زمان بیشتری می‌برد.همچنین تنظیم مجدد محورهای مبتنی بر گرانیت پس از انجام تعمیر و نگهداری دشوارتر است - وظیفه ای که با مراحل مجزا بسیار ساده تر است.

جدول 1. خلاصه ای از تفاوت های فنی اساسی بین راه حل های مکانیکی بر روی گرانیت و IGM.

مقایسه اقتصادی

در حالی که هزینه مطلق هر سیستم حرکتی بر اساس چندین عامل از جمله طول سفر، دقت محور، ظرفیت بار و قابلیت های دینامیکی متفاوت خواهد بود، مقایسه نسبی سیستم های حرکتی مشابه IGM و مرحله روی گرانیت انجام شده در این مطالعه نشان می دهد که راه حل های IGM قادر به ارائه حرکت با دقت متوسط ​​تا بالا با هزینه های نسبتاً کمتر نسبت به همتایان خود روی گرانیت است.

مطالعه اقتصادی ما شامل سه جزء هزینه اساسی است: قطعات ماشین آلات (شامل قطعات ساخته شده و قطعات خریداری شده)، مونتاژ گرانیت، و نیروی کار و سربار.

قطعات ماشین

یک راه حل IGM صرفه جویی قابل توجهی را نسبت به راه حل مرحله روی گرانیت از نظر قطعات ماشین ارائه می دهد.این در درجه اول به دلیل فقدان پایه های مرحله ای پیچیده در محورهای Y و X در IGM است که پیچیدگی و هزینه را به راه حل های مرحله روی گرانیت اضافه می کند.علاوه بر این، صرفه‌جویی در هزینه را می‌توان به ساده‌سازی نسبی سایر قطعات ماشین‌کاری شده روی راه‌حل IGM نسبت داد، مانند کالسکه‌های متحرک، که می‌توانند ویژگی‌های ساده‌تر و تحمل‌های تا حدودی آرام‌تری داشته باشند که برای استفاده در یک سیستم IGM طراحی شوند.

مجموعه های گرانیت

اگرچه به نظر می‌رسد که مجموعه‌های گرانیتی پایه-رایزر-پل در هر دو سیستم IGM و مرحله روی گرانیت دارای یک شکل و ظاهر مشابه هستند، مجموعه گرانیتی IGM اندکی گران‌تر است.این به این دلیل است که گرانیت در محلول IGM جای پایه های مرحله ماشینکاری شده را در محلول مرحله روی گرانیت می گیرد، که لازم است گرانیت معمولاً در مناطق بحرانی تلرانس های سخت تری داشته باشد و حتی ویژگی های اضافی مانند برش های اکسترود شده و/ یا درج های فولادی رزوه ای، به عنوان مثال.با این حال، در مطالعه موردی ما، پیچیدگی افزوده ساختار گرانیتی با ساده‌سازی قطعات ماشین‌ها بیش از حد جبران می‌شود.

کار و سربار

به دلیل شباهت های فراوان در مونتاژ و آزمایش هر دو سیستم IGM و مرحله روی گرانیت، تفاوت قابل توجهی در هزینه های نیروی کار و سربار وجود ندارد.

هنگامی که همه این عوامل هزینه با هم ترکیب شدند، محلول IGM مکانیکی خاص که در این مطالعه مورد بررسی قرار گرفت، تقریباً 15٪ کمتر از محلول مکانیکی، مرحله روی گرانیت، هزینه کمتری دارد.

البته، نتایج تحلیل اقتصادی نه تنها به ویژگی هایی مانند طول سفر، دقت و ظرفیت بار بستگی دارد، بلکه به عواملی مانند انتخاب تامین کننده گرانیت نیز بستگی دارد.علاوه بر این، عاقلانه است که هزینه های حمل و نقل و تدارکات مرتبط با تهیه یک سازه گرانیتی را در نظر بگیرید.به خصوص برای سیستم های گرانیتی بسیار بزرگ، اگرچه برای همه اندازه ها صادق است، انتخاب یک تامین کننده گرانیت واجد شرایط در نزدیکی محل مونتاژ نهایی سیستم می تواند به حداقل رساندن هزینه ها نیز کمک کند.

همچنین لازم به ذکر است که این تحلیل هزینه های پس از اجرا را در نظر نمی گیرد.به عنوان مثال، فرض کنید لازم است سیستم حرکتی را با تعمیر یا جایگزینی یک محور حرکت، سرویس کنیم.یک سیستم مرحله روی گرانیت را می توان به سادگی با برداشتن و تعمیر / جایگزینی محور آسیب دیده سرویس کرد.به دلیل طراحی ماژولارتر به سبک صحنه، این کار را می توان با سهولت و سرعت نسبی انجام داد، علی رغم هزینه اولیه سیستم بالاتر.اگرچه سیستم‌های IGM را می‌توان با هزینه کمتری نسبت به همتایان گرانیتی خود به‌دست آورد، اما به دلیل ماهیت یکپارچه ساخت‌وساز، جداسازی و سرویس‌دهی آن‌ها می‌تواند چالش‌برانگیزتر باشد.

نتیجه

واضح است که هر نوع طراحی پلت فرم حرکتی - مرحله روی گرانیت و IGM - می تواند مزایای متمایز ارائه دهد.با این حال، همیشه مشخص نیست که ایده آل ترین انتخاب برای یک برنامه حرکتی خاص کدام است.بنابراین، همکاری با یک تامین‌کننده با تجربه سیستم‌های حرکت و اتوماسیون، مانند Aerotech، که رویکردی مشاوره‌ای و متمرکز بر برنامه را برای کاوش و ارائه بینش ارزشمند در مورد راه‌حل‌های جایگزین برای برنامه‌های کاربردی چالش‌برانگیز کنترل حرکت و اتوماسیون ارائه می‌دهد، بسیار سودمند است.درک نه تنها تفاوت بین این دو نوع راه حل اتوماسیون، بلکه همچنین جنبه های اساسی مشکلاتی که آنها باید حل کنند، کلید اساسی موفقیت در انتخاب یک سیستم حرکتی است که هم به اهداف فنی و هم اهداف مالی پروژه می پردازد.

از AEROTECH.