為特定應用選擇最合適的花崗岩線性運動平台,取決於許多因素和變數。至關重要的是要認識到,每種應用都有其獨特的需求,必須理解並優先考慮這些需求,才能找到有效的運動平台解決方案。
較常見的解決方案是將離散定位平台安裝到花崗岩結構上。另一個常見的解決方案是將構成運動軸的組件直接整合到花崗岩結構中。在花崗岩平台和整合花崗岩運動 (IGM) 平台之間進行選擇是選擇過程中需要提前做出的決策之一。這兩種解決方案類型之間存在明顯的區別,當然,每種方案都有其自身的優點和注意事項,需要仔細理解和考慮。
為了更好地了解這個決策過程,我們以機械軸承案例研究的形式從技術和財務角度評估了兩種基本線性運動平台設計(傳統的花崗岩舞台解決方案和 IGM 解決方案)之間的差異。
背景
為了探索 IGM 系統與傳統花崗岩舞台系統之間的異同,我們產生了兩個測試案例設計:
- 機械軸承,花崗岩檯面
- 機械軸承,IGM
兩種情況下,每個系統由三個運動軸組成。 Y軸行程1000毫米,位於花崗岩結構底座上。 X軸位於組件橋上,行程400毫米,並承載著行程100毫米的垂直Z軸。此佈置以圖形方式表示。
對於花崗岩平台的設計,我們選擇了 PRO560LM 寬體平台作為 Y 軸,因為它具有更大的承載能力,這在許多採用「Y/XZ 分離橋式」結構的運動應用中很常見。對於 X 軸,我們選擇了 PRO280LM,它在許多應用中通常用作橋式軸。 PRO280LM 在佔地面積和承載客戶有效載荷的 Z 軸能力之間實現了切實的平衡。
對於 IGM 設計,我們緊密複製了上述軸的基本設計概念和佈局,主要區別在於 IGM 軸直接內建在花崗岩結構中,因此缺少花崗岩舞台設計中存在的機械加工部件底座。
兩款設計方案的共通點在於Z軸,皆選用PRO190SL滾珠螺桿驅動平台。由於其高負載能力和相對緊湊的外形尺寸,該軸在橋樑的垂直方向上非常受歡迎。
圖 2 說明了所研究的具體花崗岩階段和 IGM 系統。
技術比較
IGM系統採用多種技術和組件進行設計,這些技術和組件與傳統的花崗岩檯面設計類似。因此,IGM系統與花崗岩檯面系統之間存在著許多共同的技術特性。相反,將運動軸直接整合到花崗岩結構中,使得IGM系統與花崗岩檯面系統有一些顯著的差異。
外形尺寸
或許最明顯的相似之處始於機器的基座——花崗岩。儘管花崗岩平台式和IGM平台式的設計在特性和公差方面存在差異,但花崗岩底座、立管和橋架的整體尺寸是相同的。這主要是因為花崗岩平台式和IGM平台式的標稱行程和極限行程相同。
建造
IGM 設計中取消了機械加工組件軸基座,比花崗岩平台解決方案更具優勢。尤其是 IGM 結構迴路中組件數量的減少,有助於提高整體軸的剛度。此外,它還能縮短花崗岩底座與滑架頂面之間的距離。在本案例研究中,IGM 設計將工作檯面高度降低了 33%(80 毫米,而非 120 毫米)。較低的工作高度不僅使設計更加緊湊,而且還減少了從馬達和編碼器到工作點的機器偏移,從而降低了阿貝誤差,並提升了工作點定位性能。
軸組件
深入研究設計,花崗岩檯面和 IGM 解決方案共享一些關鍵組件,例如線性馬達和位置編碼器。通用的推力器和磁軌選擇可實現等效的力輸出能力。同樣,在兩種設計中使用相同的編碼器可為定位回饋提供相同的高解析度。因此,花崗岩檯面和 IGM 解決方案之間的線性精度和重複性性能沒有顯著差異。類似的組件佈局(包括軸承分離和公差)導致幾何誤差運動(即水平和垂直直線度、俯仰、滾動和偏航)方面的性能相當。最後,兩種設計的支撐元件(包括電纜管理、電氣限位和硬停裝置)在功能上基本上相同,儘管它們在外觀上可能略有不同。
軸承
對於這種特殊設計,最顯著的差異之一是直線導軌軸承的選擇。雖然花崗岩平台和IGM系統都使用循環滾珠軸承,但IGM系統可以在不增加軸工作高度的情況下,將更大、更堅固的軸承納入設計中。由於IGM設計依靠花崗岩作為基座,而不是單獨的機械加工部件基座,因此可以回收一些原本會被機械加工基座佔用的垂直空間,並用更大的軸承填充這些空間,同時仍然降低滑架在花崗岩上方的整體高度。
剛性
在IGM設計中使用更大的軸承對角剛度產生了深遠的影響。就寬體下軸(Y軸)而言,IGM解決方案的側傾剛度比對應的花崗岩檯面設計高出40%以上,俯仰剛度高出30%,偏航剛度高出20%。同樣,IGM的橋式結構使其側傾剛度比花崗岩檯面設計高出四倍,俯仰剛度高出一倍,偏航剛度高出30%以上。更高的角剛度具有優勢,因為它直接有助於提高動態性能,而動態性能是提高機器吞吐量的關鍵。
負載能力
IGM 解決方案採用更大的軸承,有效載荷能力遠高於花崗岩檯面解決方案。花崗岩檯面解決方案的 PRO560LM 基軸的承載能力為 150 公斤,而相應的 IGM 解決方案可承受 300 公斤的有效載荷。同樣,花崗岩檯面解決方案的 PRO280LM 橋軸可承載 150 公斤,而 IGM 解決方案的橋軸最高可承載 200 公斤。
移動質量
雖然機械軸承 IGM 軸中較大的軸承具有更好的角度性能和更大的承載能力,但它們也配備了更大、更重的滑架。此外,IGM 滑架的設計去除了花崗岩檯面軸所必需的某些機械加工特徵(但 IGM 軸不需要),以增加零件剛度並簡化製造。這些因素意味著 IGM 軸比相應的花崗岩檯面軸具有更大的移動質量。一個無可爭辯的缺點是,假設馬達力輸出不變,IGM 的最大加速度較低。然而,在某些情況下,更大的移動質量可能更具優勢,因為其更大的慣性可以提供更強的抗干擾能力,這可能與提高就位穩定性有關。
結構動力學
IGM 系統更高的軸承剛度和更堅固的滑架帶來了額外的優勢,這些優勢在使用有限元素分析 (FEA) 軟體包進行模態分析後顯而易見。在本研究中,我們研究了移動滑架的一階共振,因為它會影響伺服頻寬。 PRO560LM 滑架在 400 Hz 時發生共振,而對應的 IGM 滑架在 430 Hz 時經歷相同的模態。圖 3 展示了這個結果。
與傳統的花崗岩平台相比,IGM 解決方案的共振更高,這部分歸功於其更堅固的滑架和軸承設計。更高的滑架共振使得伺服頻寬更大,進而提升動態性能。
操作環境
無論污染物是來自使用者製程或機器環境中的其他污染物,當存在污染物時,軸的密封性幾乎始終是強制性的。由於軸本身俱有封閉性,花崗岩平台解決方案尤其適用於此類情況。例如,PRO系列直線平台配備了硬蓋和側密封件,可在合理範圍內保護平台內部組件免受污染。這些平台還可以選配桌面刮水器,以便在平台移動時清掃頂部硬蓋上的碎屑。另一方面,IGM運動平臺本質上是開放的,軸承、馬達和編碼器都暴露在外。雖然在清潔的環境中這不是問題,但在存在污染時可能會造成問題。可以透過在IGM軸設計中加入特殊的波紋管式導軌蓋來解決這個問題,以防止碎屑進入。但如果安裝不當,波紋管會在滑架全程移動時對其施加外力,進而對軸的運動產生負面影響。
維護
可維護性是花崗岩平台和IGM運動平台之間的區別。直線馬達軸以其堅固耐用而聞名,但有時也需要維護。某些維護操作相對簡單,無需拆卸或拆卸相關軸即可完成,但有時需要更徹底的拆卸。當運動平台由安裝在花崗岩上的獨立平台組成時,維護是一項相當簡單的任務。首先,將平台從花崗岩上拆下來,然後進行必要的維護工作並重新安裝。或者,只需更換一個新的平台即可。
IGM 解決方案在維護時有時會更具挑戰性。雖然在這種情況下更換直線馬達的單一磁軌非常簡單,但更複雜的維護和維修通常需要完全拆卸構成軸的許多或所有組件,而當組件直接安裝在花崗岩上時,這會更加耗時。維護完成後,重新對準花崗岩軸也更加困難——而採用分立式安裝則可以讓這項任務更加簡單。
表 1. 機械軸承花崗岩檯面和 IGM 解決方案之間的根本技術差異總結。
描述 | 花崗岩檯面系統,機械軸承 | IGM系統,機械軸承 | |||
基軸 (Y) | 橋樑軸線(X) | 基軸 (Y) | 橋樑軸線(X) | ||
標準化剛度 | 垂直的 | 1.0 | 1.0 | 1.2 | 1.1 |
側 | 1.5 | ||||
瀝青 | 1.3 | 2.0 | |||
卷 | 1.4 | 4.1 | |||
偏航 | 1.2 | 1.3 | |||
酬載(公斤) | 150 | 150 | 300 | 200 | |
移動質量(kg) | 25 | 14 | 33 | 19 | |
桌面高度(毫米) | 120 | 120 | 80 | 80 | |
密封性 | 硬蓋和側面密封可防止碎片進入軸。 | IGM通常採用開放式設計。密封需要加裝波紋管蓋或類似裝置。 | |||
可維護性 | 組件階段可以移除並輕鬆維修或更換。 | 斧頭本身就嵌入花崗岩結構中,因此維修起來更加困難。 |
經濟比較
雖然任何運動系統的絕對成本都會根據行程長度、軸精度、負載能力和動態能力等多種因素而有所不同,但本研究對類似 IGM 和花崗岩檯面運動系統進行的相對比較表明,IGM 解決方案能夠以比花崗岩檯面運動系統略低的成本提供中高精度運動。
我們的經濟研究包括三個基本成本組成部分:機器零件(包括製造零件和購買零件)、花崗岩組裝以及人工和管理費用。
機械零件
與花崗岩平台解決方案相比,IGM 解決方案在機械零件方面顯著節省。這主要是因為 IGM 無需在 Y 軸和 X 軸上進行複雜加工的平台底座,而這會增加花崗岩平台解決方案的複雜性和成本。此外,成本節省還歸因於 IGM 解決方案中其他機械零件的相對簡化,例如移動滑架,當設計用於 IGM 系統時,其特性更簡單,公差也更寬鬆。
花崗岩組件
雖然IGM和花崗岩檯面系統中的花崗岩底座-立管-橋架組件在外形和外觀上看似相似,但IGM花崗岩組件的成本略高。這是因為IGM方案中的花崗岩取代了花崗岩檯面方案中機械加工的檯面底座,後者要求花崗岩在關鍵區域具有更嚴格的公差,甚至還需要一些額外的特性,例如擠壓切口和/或螺紋鋼嵌件。然而,在我們的案例研究中,花崗岩結構增加的複雜性被機械零件的簡化所抵消。
勞力和間接費用
由於 IGM 和花崗岩檯面系統的組裝和測試有許多相似之處,因此勞動成本和管理費用並沒有顯著差異。
將所有這些成本因素綜合起來,本研究中檢查的特定機械軸承 IGM 解決方案的成本比機械軸承、花崗岩舞台解決方案低約 15%。
當然,經濟分析的結果不僅取決於行程長度、精度和負載能力等屬性,還取決於花崗岩供應商的選擇等因素。此外,謹慎考慮採購花崗岩結構相關的運輸和物流成本也是明智之舉。對於大型花崗岩系統尤其如此,儘管適用於所有尺寸,但選擇靠近最終系統組裝地點的合格花崗岩供應商也有助於降低成本。
還要注意的是,本分析未考慮實施後的成本。例如,假設需要透過維修或更換運動軸來維護運動系統。花崗岩檯面系統只需拆卸並維修/更換受影響的軸即可進行維護。由於其採用更模組化的檯面式設計,儘管初始系統成本較高,但維護工作相對輕鬆快速。雖然IGM系統的成本通常低於花崗岩檯面系統,但由於其一體化結構,拆卸和維護難度更高。
結論
顯然,每種運動平台設計——花崗岩檯面和IGM——都能提供獨特的優勢。然而,對於特定的運動應用,哪種選擇是最理想的並不總是顯而易見的。因此,與經驗豐富的運動和自動化系統供應商(例如Aerotech)合作將大有裨益。 Aerotech提供以應用為中心的諮詢服務,能夠探索並提供寶貴的見解,幫助客戶應對具有挑戰性的運動控制和自動化應用的解決方案替代方案。不僅要了解這兩種自動化解決方案之間的差異,還要了解它們需要解決的問題的根本方面,這是成功選擇能夠同時滿足專案技術和財務目標的運動系統的根本關鍵。
來自 AEROTECH。
發佈時間:2021年12月31日