Der Unterschied zwischen Bühnen-auf-Granit- und integrierten Granit-Bewegungssystemen

Die Auswahl der am besten geeigneten linearen Bewegungsplattform auf Granitbasis für eine bestimmte Anwendung hängt von einer Vielzahl von Faktoren und Variablen ab.Es ist wichtig zu erkennen, dass jede einzelne Anwendung ihre eigenen, einzigartigen Anforderungen hat, die verstanden und priorisiert werden müssen, um eine effektive Lösung im Hinblick auf eine Bewegungsplattform zu finden.

Eine der allgegenwärtigeren Lösungen besteht darin, diskrete Positionierungstische auf einer Granitstruktur zu montieren.Eine andere gängige Lösung integriert die Komponenten, aus denen die Bewegungsachsen bestehen, direkt in den Granit selbst.Die Wahl zwischen einer Stage-on-Granite-Plattform und einer Integrated-Granite-Motion-Plattform (IGM) ist eine der ersten Entscheidungen, die im Auswahlprozess getroffen werden müssen.Es gibt klare Unterschiede zwischen beiden Lösungstypen, und natürlich hat jede ihre eigenen Vorzüge – und Vorbehalte –, die sorgfältig verstanden und berücksichtigt werden müssen.

Um einen besseren Einblick in diesen Entscheidungsprozess zu bieten, bewerten wir die Unterschiede zwischen zwei grundlegenden Linearbewegungsplattformdesigns – einer traditionellen Bühnen-auf-Granit-Lösung und einer IGM-Lösung – sowohl aus technischer als auch aus finanzieller Sicht in Form eines mechanisch- Lager-Fallstudie.

Hintergrund

Um die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen IGM-Systemen und traditionellen Bühnen-auf-Granit-Systemen zu untersuchen, haben wir zwei Testfalldesigns erstellt:

• Mechanische Lagerung, Bühne auf Granit
• Mechanisches Lager, IGM

In beiden Fällen besteht jedes System aus drei Bewegungsachsen.Die Y-Achse bietet einen Verfahrweg von 1000 mm und befindet sich auf der Basis der Granitstruktur.Die auf der Brücke der Baugruppe befindliche X-Achse mit 400 mm Verfahrweg trägt die vertikale Z-Achse mit 100 mm Verfahrweg.Diese Anordnung wird piktographisch dargestellt.

Für das Bühnen-auf-Granit-Design haben wir uns für eine PRO560LM-Breitkörperbühne für die Y-Achse entschieden, da diese über eine größere Tragfähigkeit verfügt, die bei vielen Bewegungsanwendungen mit dieser „Y/XZ-Split-Bridge“-Anordnung üblich ist.Für die X-Achse haben wir uns für einen PRO280LM entschieden, der in vielen Anwendungen häufig als Brückenachse verwendet wird.Der PRO280LM bietet ein praktisches Gleichgewicht zwischen seiner Stellfläche und seiner Fähigkeit, eine Z-Achse mit einer Kundennutzlast zu transportieren.

Für die IGM-Designs haben wir die grundlegenden Designkonzepte und Layouts der oben genannten Achsen genau nachgebildet, mit dem Hauptunterschied, dass die IGM-Achsen direkt in die Granitstruktur eingebaut sind und daher nicht über die im Stage-on vorhandenen Sockel für bearbeitete Komponenten verfügen -Granit-Designs.

Beiden Konstruktionsfällen gemeinsam ist die Z-Achse, die als PRO190SL-Tisch mit Kugelumlaufspindelantrieb ausgewählt wurde.Aufgrund ihrer großzügigen Nutzlastkapazität und ihres relativ kompakten Formfaktors ist dies eine sehr beliebte Achse für den Einsatz in vertikaler Ausrichtung auf einer Brücke.

Abbildung 2 zeigt die spezifischen untersuchten Stage-on-Granite- und IGM-Systeme.

Technischer Vergleich

IGM-Systeme werden unter Verwendung einer Vielzahl von Techniken und Komponenten entwickelt, die denen traditioneller Bühnen-auf-Granit-Designs ähneln.Daher weisen IGM-Systeme und Stage-on-Granite-Systeme zahlreiche technische Gemeinsamkeiten auf.Umgekehrt bietet die Integration der Bewegungsachsen direkt in die Granitstruktur mehrere Unterscheidungsmerkmale, die IGM-Systeme von Bühnen-auf-Granit-Systemen unterscheiden.

Formfaktor

Die vielleicht offensichtlichste Ähnlichkeit beginnt mit dem Fundament der Maschine – dem Granit.Obwohl es Unterschiede in den Merkmalen und Toleranzen zwischen Bühnen-auf-Granit- und IGM-Designs gibt, sind die Gesamtabmessungen des Granitsockels, der Setzstufen und der Brücke gleichwertig.Dies liegt vor allem daran, dass die Nenn- und Grenzwege zwischen Stage-on-Granite und IGM identisch sind.

Konstruktion

Das Fehlen bearbeiteter Achsenbasen im IGM-Design bietet bestimmte Vorteile gegenüber Bühnen-auf-Granit-Lösungen.Insbesondere die Reduzierung der Komponenten in der Strukturschleife des IGM trägt dazu bei, die Gesamtachsensteifigkeit zu erhöhen.Außerdem ermöglicht es einen kürzeren Abstand zwischen der Granitbasis und der Oberseite des Wagens.In dieser speziellen Fallstudie bietet das IGM-Design eine um 33 % geringere Arbeitsflächenhöhe (80 mm im Vergleich zu 120 mm).Diese geringere Arbeitshöhe ermöglicht nicht nur ein kompakteres Design, sondern verringert auch die Maschinenversätze vom Motor und Encoder zum Arbeitspunkt, was zu geringeren Abbe-Fehlern und damit zu einer besseren Leistung bei der Positionierung des Arbeitspunkts führt.

Achsenkomponenten

Schaut man sich das Design genauer an, erkennt man, dass die „Stage-on-Granite“- und IGM-Lösungen einige Schlüsselkomponenten gemeinsam haben, wie etwa Linearmotoren und Positionsgeber.Die gemeinsame Auswahl von Kraftgeber und Magnetspur führt zu gleichwertigen Kraftabgabefähigkeiten.Ebenso bietet die Verwendung der gleichen Encoder in beiden Designs eine identisch feine Auflösung für die Positionierungsrückmeldung.Infolgedessen unterscheidet sich die lineare Genauigkeit und Wiederholbarkeitsleistung zwischen Tisch-auf-Granit- und IGM-Lösungen nicht wesentlich.Ein ähnliches Komponentenlayout, einschließlich Lagertrennung und Toleranzen, führt zu einer vergleichbaren Leistung in Bezug auf geometrische Fehlerbewegungen (dh horizontale und vertikale Geradheit, Nicken, Rollen und Gieren).Schließlich sind die unterstützenden Elemente beider Designs, einschließlich Kabelmanagement, elektrische Begrenzungen und Festanschläge, im Wesentlichen in ihrer Funktion identisch, können sich jedoch im Erscheinungsbild etwas unterscheiden.

Lager

Einer der bemerkenswertesten Unterschiede bei diesem speziellen Design ist die Auswahl der Linearführungslager.Obwohl Kugelumlauflager sowohl in „Stage-on-Granite“- als auch in IGM-Systemen verwendet werden, ermöglicht das IGM-System die Integration größerer, steiferer Lager in die Konstruktion, ohne die Arbeitshöhe der Achse zu erhöhen.Da das IGM-Design auf Granit als Basis basiert und nicht auf einer separaten Basis aus bearbeiteten Komponenten, ist es möglich, einen Teil der vertikalen Fläche zurückzugewinnen, die sonst von einer bearbeiteten Basis verbraucht würde, und diesen Raum im Wesentlichen mit größerer Fläche zu füllen Lagern und reduziert gleichzeitig die Gesamthöhe des Schlittens über dem Granit.

Steifheit

Die Verwendung größerer Lager im IGM-Design hat erhebliche Auswirkungen auf die Winkelsteifigkeit.Im Fall der breiten unteren Achse (Y) bietet die IGM-Lösung eine über 40 % höhere Rollsteifigkeit, 30 % größere Nicksteifigkeit und 20 % größere Giersteifigkeit als ein entsprechendes Stage-on-Granite-Design.In ähnlicher Weise bietet die IGM-Brücke eine vierfach höhere Rollsteifigkeit, eine doppelt so hohe Nicksteifigkeit und eine um mehr als 30 % höhere Giersteifigkeit als ihr Gegenstück auf der Bühne auf Granit.Eine höhere Winkelsteifigkeit ist von Vorteil, da sie direkt zu einer verbesserten dynamischen Leistung beiträgt, die für einen höheren Maschinendurchsatz von entscheidender Bedeutung ist.

Tragfähigkeit

Die größeren Lager der IGM-Lösung ermöglichen eine wesentlich höhere Nutzlastkapazität als eine Bühnen-auf-Granit-Lösung.Obwohl die PRO560LM-Basisachse der Bühnen-auf-Granit-Lösung eine Tragfähigkeit von 150 kg hat, kann die entsprechende IGM-Lösung eine Nutzlast von 300 kg aufnehmen.Ebenso trägt die Brückenachse PRO280LM der Bühne auf Granit 150 kg, während die Brückenachse der IGM-Lösung bis zu 200 kg tragen kann.

Bewegte Masse

Während die größeren Lager in den mechanisch gelagerten IGM-Achsen bessere Winkelleistungseigenschaften und eine höhere Tragfähigkeit bieten, sind sie auch mit größeren, schwereren Staplern ausgestattet.Darüber hinaus sind die IGM-Wagen so konzipiert, dass bestimmte maschinell bearbeitete Merkmale, die für eine Bühnen-auf-Granit-Achse erforderlich sind (jedoch nicht für eine IGM-Achse erforderlich sind), entfernt werden, um die Teilesteifigkeit zu erhöhen und die Herstellung zu vereinfachen.Diese Faktoren führen dazu, dass die IGM-Achse eine größere bewegte Masse aufweist als eine entsprechende Bühnen-auf-Granit-Achse.Ein unbestreitbarer Nachteil ist, dass die maximale Beschleunigung des IGM geringer ist, vorausgesetzt, die Motorkraftabgabe bleibt unverändert.In bestimmten Situationen kann eine größere bewegte Masse jedoch von Vorteil sein, da ihre größere Trägheit einen größeren Widerstand gegen Störungen bieten kann, was mit einer erhöhten Positionsstabilität korrelieren kann.

Strukturdynamik

Die höhere Lagersteifigkeit und der steifere Schlitten des IGM-Systems bieten zusätzliche Vorteile, die nach der Verwendung eines Softwarepakets für die Finite-Elemente-Analyse (FEA) zur Durchführung einer Modalanalyse deutlich werden.In dieser Studie untersuchten wir die erste Resonanz des beweglichen Schlittens aufgrund ihrer Auswirkung auf die Servobandbreite.Der PRO560LM-Wagen erfährt eine Resonanz bei 400 Hz, während der entsprechende IGM-Wagen den gleichen Modus bei 430 Hz erfährt.Abbildung 3 veranschaulicht dieses Ergebnis.

Die höhere Resonanz der IGM-Lösung im Vergleich zur herkömmlichen Bühne auf Granit kann teilweise auf das steifere Schlitten- und Lagerdesign zurückgeführt werden.Eine höhere Schlittenresonanz ermöglicht eine größere Servobandbreite und damit eine verbesserte dynamische Leistung.

Betriebsumgebung

Die Abdichtung der Achsen ist fast immer obligatorisch, wenn Verunreinigungen vorhanden sind, unabhängig davon, ob diese durch den Prozess des Benutzers entstehen oder anderweitig in der Maschinenumgebung vorhanden sind.Bühnen-auf-Granit-Lösungen eignen sich in diesen Situationen besonders gut, da die Achse von Natur aus geschlossen ist.Lineartische der PRO-Serie sind beispielsweise mit Hardcovern und Seitendichtungen ausgestattet, die die internen Tischkomponenten in angemessenem Maße vor Verschmutzung schützen.Diese Bühnen können auch mit optionalen Tischwischern ausgestattet werden, um bei der Bewegung der Bühne Schmutz vom oberen Hardcover zu entfernen.Andererseits sind IGM-Bewegungsplattformen von Natur aus offen, wobei die Lager, Motoren und Encoder freiliegen.Obwohl dies in saubereren Umgebungen kein Problem darstellt, kann es bei vorhandener Kontamination problematisch sein.Dieses Problem lässt sich lösen, indem eine spezielle Faltenbalg-Führungsabdeckung in das IGM-Achsendesign integriert wird, um Schutz vor Schmutz zu bieten.Bei unsachgemäßer Umsetzung kann der Faltenbalg jedoch die Bewegung der Achse negativ beeinflussen, indem er äußere Kräfte auf den Schlitten ausübt, während dieser sich über seinen gesamten Verfahrbereich bewegt.

Wartung

Die Wartungsfreundlichkeit ist ein Unterscheidungsmerkmal zwischen Bühnen-auf-Granit- und IGM-Bewegungsplattformen.Linearmotorachsen sind für ihre Robustheit bekannt, dennoch ist manchmal eine Wartung erforderlich.Bestimmte Wartungsarbeiten sind relativ einfach und können ohne Ausbau oder Demontage der betreffenden Achse durchgeführt werden, manchmal ist jedoch eine gründlichere Demontage erforderlich.Wenn die Bewegungsplattform aus einzelnen, auf Granit montierten Bühnen besteht, ist die Wartung eine relativ einfache Aufgabe.Demontieren Sie zunächst die Bühne vom Granit, führen Sie dann die notwendigen Wartungsarbeiten durch und montieren Sie sie wieder.Oder ersetzen Sie es einfach durch eine neue Stufe.

IGM-Lösungen können bei der Durchführung von Wartungsarbeiten manchmal eine größere Herausforderung darstellen.Obwohl der Austausch einer einzelnen Magnetbahn des Linearmotors in diesem Fall sehr einfach ist, erfordern kompliziertere Wartungs- und Reparaturarbeiten oft die vollständige Demontage vieler oder aller Komponenten, aus denen die Achse besteht, was zeitaufwändiger ist, wenn Komponenten direkt auf Granit montiert werden.Außerdem ist es schwieriger, die auf Granit basierenden Achsen nach der Durchführung von Wartungsarbeiten wieder zueinander auszurichten – eine Aufgabe, die mit diskreten Schritten wesentlich einfacher ist.

Tabelle 1. Eine Zusammenfassung der grundlegenden technischen Unterschiede zwischen mechanisch tragenden Bühnen-auf-Granit- und IGM-Lösungen.

Wirtschaftsvergleich

Während die absoluten Kosten eines jeden Bewegungssystems aufgrund mehrerer Faktoren variieren, darunter Verfahrweglänge, Achsengenauigkeit, Belastbarkeit und dynamische Fähigkeiten, legen die in dieser Studie durchgeführten relativen Vergleiche analoger IGM- und Bühnen-auf-Granit-Bewegungssysteme nahe, dass dies bei IGM-Lösungen der Fall ist sind in der Lage, mittel- bis hochpräzise Bewegungen zu moderat geringeren Kosten als ihre Pendants auf Granit zu liefern.

Unsere Wirtschaftsstudie besteht aus drei grundlegenden Kostenkomponenten: Maschinenteilen (einschließlich hergestellter Teile und gekaufter Komponenten), der Granitmontage sowie Arbeits- und Gemeinkosten.

Maschinenteile

Eine IGM-Lösung bietet im Hinblick auf Maschinenteile erhebliche Einsparungen gegenüber einer Bühnen-auf-Granit-Lösung.Dies ist in erster Linie darauf zurückzuführen, dass es beim IGM keine aufwendig bearbeiteten Bühnenbasen auf der Y- und X-Achse gibt, was die Komplexität und Kosten der Bühnen-auf-Granit-Lösungen erhöht.Darüber hinaus lassen sich Kosteneinsparungen auf die relative Vereinfachung anderer bearbeiteter Teile der IGM-Lösung zurückführen, beispielsweise der beweglichen Schlitten, die einfachere Merkmale und etwas lockerere Toleranzen aufweisen können, wenn sie für den Einsatz in einem IGM-System konzipiert sind.

Granitbaugruppen

Obwohl die Granitbasis-Riser-Brücken-Baugruppen sowohl im IGM- als auch im Bühnen-auf-Granit-System einen ähnlichen Formfaktor und ein ähnliches Aussehen zu haben scheinen, ist die IGM-Granitbaugruppe geringfügig teurer.Dies liegt daran, dass der Granit in der IGM-Lösung die bearbeiteten Bühnenbasen in der Bühne-auf-Granit-Lösung ersetzt, was erfordert, dass der Granit in kritischen Bereichen allgemein engere Toleranzen aufweist und sogar zusätzliche Merkmale wie extrudierte Schnitte und/oder oder Gewindeeinsätze aus Stahl.In unserer Fallstudie wird die zusätzliche Komplexität der Granitstruktur jedoch durch die Vereinfachung der Maschinenteile mehr als ausgeglichen.

Arbeit und Gemeinkosten

Aufgrund der vielen Ähnlichkeiten bei der Montage und Prüfung sowohl des IGM- als auch des Stage-on-Granite-Systems gibt es keinen signifikanten Unterschied bei den Arbeits- und Gemeinkosten.

Wenn alle diese Kostenfaktoren kombiniert werden, ist die in dieser Studie untersuchte spezifische IGM-Lösung mit mechanischem Lager etwa 15 % kostengünstiger als die Lösung mit mechanischem Lager und einer Bühne auf Granit.

Natürlich hängen die Ergebnisse der wirtschaftlichen Analyse nicht nur von Attributen wie Verfahrweglänge, Präzision und Belastbarkeit ab, sondern auch von Faktoren wie der Auswahl des Granitlieferanten.Darüber hinaus ist es ratsam, die mit der Beschaffung einer Granitstruktur verbundenen Versand- und Logistikkosten zu berücksichtigen.Besonders hilfreich bei sehr großen Granitsystemen, obwohl dies für alle Größen gilt, kann die Wahl eines qualifizierten Granitlieferanten in näherer Nähe zum Standort der endgültigen Systemmontage auch dazu beitragen, die Kosten zu minimieren.

Es ist auch zu beachten, dass diese Analyse die Kosten nach der Implementierung nicht berücksichtigt.Nehmen wir beispielsweise an, dass eine Wartung des Bewegungssystems durch die Reparatur oder den Austausch einer Bewegungsachse erforderlich wird.Ein Stage-on-Granite-System kann durch einfaches Entfernen und Reparieren/Austauschen der betroffenen Achse gewartet werden.Aufgrund des modulareren Bühnendesigns kann dies trotz der höheren anfänglichen Systemkosten relativ einfach und schnell durchgeführt werden.Obwohl IGM-Systeme im Allgemeinen zu geringeren Kosten erhältlich sind als ihre Pendants auf Granitbasis, können ihre Demontage und Wartung aufgrund der integrierten Bauweise schwieriger sein.

Abschluss

Es ist klar, dass jede Art von Bewegungsplattformdesign – Bühne auf Granit und IGM – unterschiedliche Vorteile bieten kann.Allerdings ist es nicht immer offensichtlich, welche Wahl für eine bestimmte Bewegungsanwendung die beste ist.Daher ist es von großem Vorteil, mit einem erfahrenen Anbieter von Bewegungs- und Automatisierungssystemen wie Aerotech zusammenzuarbeiten, der einen deutlich anwendungsorientierten, beratenden Ansatz bietet, um Lösungsalternativen für anspruchsvolle Bewegungssteuerungs- und Automatisierungsanwendungen zu erkunden und wertvolle Erkenntnisse zu liefern.Das Verständnis nicht nur des Unterschieds zwischen diesen beiden Arten von Automatisierungslösungen, sondern auch der grundlegenden Aspekte der Probleme, die sie lösen müssen, ist der Schlüssel zum Erfolg bei der Auswahl eines Bewegungssystems, das sowohl den technischen als auch den finanziellen Zielen des Projekts gerecht wird.

Von AEROTECH.