ההבדל בין מערכות תנועה על גרניט למשטח גרניט לבין מערכות תנועה משולבות

בחירת פלטפורמת התנועה הליניארית המתאימה ביותר מבוססת גרניט עבור יישום נתון תלויה במגוון גורמים ומשתנים. חשוב להכיר בכך שלכל יישום ויישום יש סט דרישות ייחודי משלו שיש להבין ולתעדף על מנת למצוא פתרון יעיל מבחינת פלטפורמת תנועה.

אחד הפתרונות הנפוצים יותר כרוך בהרכבת שלבי מיקום נפרדים על מבנה גרניט. פתרון נפוץ נוסף משלב את הרכיבים המרכיבים את צירי התנועה ישירות לתוך הגרניט עצמו. בחירה בין פלטפורמת שלבים על גרניט לבין פלטפורמת תנועה משולבת של גרניט (IGM) היא אחת ההחלטות המוקדמות שיש לקבל בתהליך הבחירה. ישנם הבדלים ברורים בין שני סוגי הפתרונות, וכמובן שלכל אחד מהם יתרונות משלו - וגם אזהרות - שיש להבין ולשקול בקפידה.

כדי להציע תובנה טובה יותר לגבי תהליך קבלת החלטות זה, אנו מעריכים את ההבדלים בין שני עיצובים בסיסיים של פלטפורמות תנועה ליניארית - פתרון מסורתי של במה על גרניט, ופתרון IGM - מנקודות מבט טכניות וכלכליות כאחד, בצורת מחקר מקרה של מיסבים מכניים.

רֶקַע

כדי לבחון את הדמיון והשוני בין מערכות IGM לבין מערכות מסורתיות על גבי גרניט, יצרנו שני תכניות של מקרי בדיקה:

• מיסב מכני, שלב על גרניט
• מיסב מכני, IGM

בשני המקרים, כל מערכת מורכבת משלושה צירי תנועה. ציר ה-Y מציע מהלך של 1000 מ"מ והוא ממוקם על בסיס מבנה הגרניט. ציר ה-X, הממוקם על גשר המכלול עם מהלך של 400 מ"מ, נושא את ציר ה-Z האנכי עם מהלך של 100 מ"מ. סידור זה מיוצג בצורה פיקטוגרפית.

עבור עיצוב הבמה על גרניט, בחרנו במה רחבת גוף PRO560LM עבור ציר Y בגלל קיבולת נשיאת העומס הגדולה יותר שלה, נפוץ ביישומי תנועה רבים המשתמשים בסידור "גשר מפוצל Y/XZ". עבור ציר X, בחרנו ב- PRO280LM, המשמש בדרך כלל כציר גשר ביישומים רבים. ה- PRO280LM מציע איזון מעשי בין גודלו לבין יכולתו לשאת ציר Z עם מטען של הלקוח.

עבור תכנוני ה-IGM, שכפלנו בקפידה את מושגי העיצוב והפריסות הבסיסיים של הצירים הנ"ל, כאשר ההבדל העיקרי הוא שצירי ה-IGM בנויים ישירות בתוך מבנה הגרניט, ולכן חסרים את בסיסי הרכיבים המעובדים הקיימים בתכנוני הבמה על גרניט.

המשותף בשני מקרי התכנון הוא ציר ה-Z, אשר נבחר להיות שלב מונעת-בורג כדורי PRO190SL. זהו ציר פופולרי מאוד לשימוש בכיוון אנכי על גשר בגלל קיבולת המטען הנדיבה שלו וגודל הצורה הקומפקטי יחסית שלו.

איור 2 ממחיש את מערכות הבמה על גרניט ו-IGM הספציפיות שנחקרו.

השוואה טכנית

מערכות IGM מתוכננות באמצעות מגוון טכניקות ורכיבים הדומים לאלה המצויים בתכנונים מסורתיים של במה על גרניט. כתוצאה מכך, קיימות תכונות טכניות רבות במשותף בין מערכות IGM למערכות במה על גרניט. לעומת זאת, שילוב צירי התנועה ישירות במבנה הגרניט מציע מספר מאפיינים ייחודיים המבדילים מערכות IGM ממערכות במה על גרניט.

גורם צורה

אולי הדמיון הבולט ביותר מתחיל ביסוד המכונה - הגרניט. למרות שישנם הבדלים בתכונות ובסבולות בין עיצובים של גרניט-שלבי לגרניט-IGM, הממדים הכוללים של בסיס הגרניט, הרוכבים והגשר שווים. הסיבה לכך היא בעיקר שהמהלכים הנומינליים והמגבילים זהים בין גרניט-שלבי לגרניט-IGM.

בְּנִיָה

היעדר בסיסי צירים של רכיבים מעובדים בתכנון IGM מספק יתרונות מסוימים על פני פתרונות של שלב על גרניט. בפרט, צמצום הרכיבים בלולאה המבנית של IGM מסייע להגביר את קשיחות הציר הכוללת. זה גם מאפשר מרחק קצר יותר בין בסיס הגרניט למשטח העליון של הגררה. במקרה המחקר הספציפי הזה, תכנון IGM מציע גובה משטח עבודה נמוך ב-33% (80 מ"מ לעומת 120 מ"מ). לא רק שגובה עבודה קטן יותר זה מאפשר תכנון קומפקטי יותר, אלא שהוא גם מפחית את היסט המכונה מהמנוע והמקודד לנקודת העבודה, וכתוצאה מכך מופחתות שגיאות Abbe ולכן ביצועי מיקום נקודת העבודה משופרים.

רכיבי ציר

במבט מעמיק יותר על התכנון, ניתן לראות כי פתרונות stage-on-granite ו-IGM חולקים כמה רכיבים מרכזיים, כגון מנועים ליניאריים ומקודדי מיקום. בחירת מסלול כוח ומגנט משותפים מובילה ליכולות פלט כוח שוות ערך. באופן דומה, שימוש באותם מקודדים בשני העיצובים מספק רזולוציה זהה למשוב מיקום. כתוצאה מכך, הדיוק הליניארי וביצועי החזרה אינם שונים באופן משמעותי בין פתרונות stage-on-granite ו-IGM. פריסת רכיבים דומה, כולל הפרדת מיסבים וסבילות, מובילה לביצועים דומים מבחינת תנועות שגיאה גיאומטריות (כלומר, ישרות אופקית ואנכית, גובה, גלגול וסבסוב). לבסוף, האלמנטים התומכים של שני העיצובים, כולל ניהול כבלים, מגבלות חשמליות ומעצורים קשיחים, זהים באופן מהותי בתפקודם, אם כי הם עשויים להיות שונים במקצת במראה הפיזי.

מיסבים

עבור עיצוב ספציפי זה, אחד ההבדלים הבולטים ביותר הוא בחירת מיסבי ההנחיה הליניאריים. למרות שמסבי כדורים מחזוריים משמשים הן במערכות stage-on-granite והן במערכות IGM, מערכת IGM מאפשרת לשלב מיסבים גדולים ונוקשים יותר בעיצוב מבלי להגדיל את גובה העבודה של הציר. מכיוון שעיצוב ה-IGM מסתמך על הגרניט כבסיס, בניגוד לבסיס נפרד של רכיבים מעובדים, ניתן להחזיר חלק מהשטח האנכי שהיה נצרך אחרת על ידי בסיס מעובד, ולמעשה למלא את החלל הזה במיסבים גדולים יותר תוך הפחתת גובה הגרירה הכולל מעל הגרניט.

נוּקְשׁוּת

לשימוש במיסבים גדולים יותר בתכנון ה-IGM יש השפעה עמוקה על הנוקשות הזוויתית. במקרה של הציר התחתון (Y) בעל הגוף הרחב, פתרון ה-IGM מציע נוקשות גלגול גדולה ביותר מ-40%, נוקשות גובה גדולה יותר ב-30% וקשיחות סטייה גדולה יותר ב-20% בהשוואה לתכנון גרניט-שלבי מקביל. באופן דומה, גשר ה-IGM מציע עלייה פי ארבעה בנוקשות הגלגול, נוקשות גובה כפולה וקשיחות סטייה גדולה יותר מ-30% בהשוואה לתכנון גרניט-שלבי מקביל. נוקשות זוויתית גבוהה יותר היא יתרון משום שהיא תורמת ישירות לביצועים דינמיים משופרים, שהם המפתח לאפשר תפוקת מכונה גבוהה יותר.

קיבולת עומס

המיסבים הגדולים יותר של פתרון IGM מאפשרים קיבולת מטען גבוהה משמעותית בהשוואה לפתרון stage-on-granite. למרות שלציר הבסיס PRO560LM של פתרון stage-on-granite יש קיבולת עומס של 150 ק"ג, פתרון IGM המקביל יכול להכיל מטען של 300 ק"ג. באופן דומה, ציר הגשר PRO280LM של stage-on-granite תומך ב-150 ק"ג, בעוד שציר הגשר של פתרון IGM יכול לשאת עד 200 ק"ג.

מסה נעה

בעוד שהמיסבים הגדולים יותר בצירי IGM בעלי המסבים המכניים מציעים תכונות ביצועים זוויתיות טובות יותר ויכולת נשיאת עומס גדולה יותר, הם מגיעים גם עם גרורות גדולות וכבדות יותר. בנוסף, גררות ה-IGM מתוכננות כך שתכונות מעובדות מסוימות הנחוצות לציר "שלב על גרניט" (אך אינן נדרשות על ידי ציר IGM) מוסרות כדי להגביר את קשיחות החלק ולפשט את הייצור. גורמים אלה משמעותם שלציר ה-IGM יש מסה נעה גדולה יותר מאשר לציר "שלב על גרניט" מקביל. חיסרון שאין עליו עוררין הוא שהתאוצה המקסימלית של ה-IGM נמוכה יותר, בהנחה שתפוקת כוח המנוע אינה משתנה. עם זאת, במצבים מסוימים, מסה נעה גדולה יותר עשויה להיות יתרון מנקודת המבט שהאינרציה הגדולה יותר שלה יכולה לספק עמידות גדולה יותר להפרעות, דבר שיכול להיות קשור ליציבות מוגברת במצב.

דינמיקה מבנית

קשיחות המיסב הגבוהה יותר והגררה הנוקשה יותר של מערכת ה-IGM מספקות יתרונות נוספים הניכרים לאחר שימוש בחבילת תוכנה לניתוח אלמנטים סופיים (FEA) לביצוע ניתוח מודאלי. במחקר זה, בחנו את התהודה הראשונה של הגררה הנעה עקב השפעתה על רוחב הפס של הסרוו. גררת ה-PROG560LM נתקלת בתהודה בתדר של 400 הרץ, בעוד שגררת ה-IGM המתאימה חווה את אותו המודע ב-430 הרץ. איור 3 ממחיש תוצאה זו.

את התהודה הגבוהה יותר של פתרון ה-IGM, בהשוואה לגרניט מסורתי, ניתן לייחס בחלקו לעיצוב הקשיח יותר של המרכבה והמיסב. תהודה גבוהה יותר של המרכבה מאפשרת רוחב פס סרוו גדול יותר ולכן ביצועים דינמיים משופרים.

סביבת הפעלה

איטום צירים הוא כמעט תמיד חובה כאשר קיימים מזהמים, בין אם נוצרים בתהליך של המשתמש או קיימים בסביבת המכונה. פתרונות "שלב על גרניט" מתאימים במיוחד במצבים אלה בשל אופיו הסגור מטבעו של הציר. שלבים ליניאריים מסדרת PRO, לדוגמה, מגיעים מצוידים בכיסוי קשיח ואטמי צד המגנים על רכיבי הבמה הפנימיים מפני זיהום במידה סבירה. שלבים אלה יכולים להיות מוגדרים גם עם מגבים שולחניים אופציונליים כדי לטאטא פסולת מהכיסוי הקשיח העליון בזמן שהשלב נע. מצד שני, פלטפורמות תנועה של IGM הן פתוחות מטבען, כאשר המסבים, המנועים והמקודדים חשופים. למרות שזה לא בעיה בסביבות נקיות יותר, זה יכול להיות בעייתי כאשר קיים זיהום. ניתן לטפל בבעיה זו על ידי שילוב כיסוי מיוחד בסגנון מפוח בתכנון ציר IGM כדי לספק הגנה מפני פסולת. אבל אם לא מיושם נכון, המפוח יכול להשפיע לרעה על תנועת הציר על ידי הפעלת כוחות חיצוניים על הגררה כשהיא נעה בטווח התנועה המלא שלה.

תַחזוּקָה

שירותיות היא גורם מבדיל בין פלטפורמות תנועה מסוג "שלב על גרניט" לבין פלטפורמות תנועה מסוג IGM. צירים בעלי מנוע ליניארי ידועים בחוסנם, אך לעיתים נדרש לבצע תחזוקה. פעולות תחזוקה מסוימות הן פשוטות יחסית וניתן לבצע אותן מבלי להסיר או לפרק את הציר המדובר, אך לעיתים נדרש פירוק יסודי יותר. כאשר פלטפורמת התנועה מורכבת משלבים נפרדים המותקנים על גרניט, תחזוקה היא משימה פשוטה למדי. ראשית, יש לפרק את השלב מהגרניט, לאחר מכן לבצע את עבודות התחזוקה הנדרשות ולהרכיב אותו מחדש. לחלופין, פשוט להחליף אותו בבמה חדשה.

פתרונות IGM יכולים לעיתים להיות מאתגרים יותר בעת ביצוע תחזוקה. למרות שהחלפת מסילת מגנט יחידה של מנוע ליניארי היא פשוטה מאוד במקרה זה, תחזוקה ותיקונים מורכבים יותר כרוכים לעתים קרובות בפירוק מוחלט של רבים או את כל הרכיבים המרכיבים את הציר, דבר שגוזל זמן רב יותר כאשר הרכיבים מורכבים ישירות על גרניט. כמו כן, קשה יותר ליישר מחדש את הצירים מבוססי הגרניט זה לזה לאחר ביצוע תחזוקה - משימה שהיא הרבה יותר פשוטה עם שלבים נפרדים.

טבלה 1. סיכום ההבדלים הטכניים הבסיסיים בין פתרונות מסבים מכניים מסוג stage-on-granite לבין פתרונות IGM.

השוואה כלכלית

בעוד שהעלות המוחלטת של כל מערכת תנועה תשתנה בהתאם למספר גורמים, כולל אורך התנועה, דיוק הציר, קיבולת העומס ויכולות דינמיות, ההשוואות היחסיות בין מערכות תנועה IGM אנלוגיות ומערכות תנועה על גבי גרניט שנערכו במחקר זה מצביעות על כך שפתרונות IGM מסוגלים להציע תנועה בדיוק בינוני עד גבוה בעלויות נמוכות במידה בינונית בהשוואה למערכות תנועה על גבי גרניט.

המחקר הכלכלי שלנו מורכב משלושה מרכיבי עלות בסיסיים: חלקי מכונה (כולל חלקים מיוצרים ורכיבים שנרכשו), הרכבת הגרניט, עבודה ותקורות.

חלקי מכונה

פתרון IGM מציע חיסכון ניכר על פני פתרון של שלב על גרניט מבחינת חלקי מכונה. זאת בעיקר בשל היעדר בסיסי שלב מעובדים בקפידה על צירי Y ו-X ב-IGM, מה שמוסיף מורכבות ועלות לפתרונות השלב על גרניט. יתר על כן, ניתן לייחס את החיסכון בעלויות לפישוט היחסי של חלקים מעובדים אחרים בפתרון IGM, כגון קרונות נעים, שיכולים להיות בעלי תכונות פשוטות יותר וסבילות מעט יותר רגועות כאשר הם מתוכננים לשימוש במערכת IGM.

מכלולי גרניט

למרות שמכלולי בסיס-גבהה-גשר הגרניט הן במערכות IGM והן במערכות הבמה-על-גרניט נראים בעלי צורה ומראה דומים, מכלול הגרניט של IGM יקר יותר במעט. הסיבה לכך היא שהגרניט בפתרון IGM תופס את מקומם של בסיסי הבמה המעובדים בפתרון הבמה-על-גרניט, מה שמחייב את הגרניט לטווח ארוך יותר באזורים קריטיים, ואף לתכונות נוספות, כגון חיתוכים בולטים ו/או מוסיפים מפלדה מושחלים, למשל. עם זאת, במחקר המקרה שלנו, המורכבות הנוספת של מבנה הגרניט מקוזזת ביותר מפישוט חלקי המכונה.

עבודה ותקורה

בגלל הדמיון הרב בהרכבה ובבדיקה של מערכות IGM ו-stage-on-granite, אין הבדל משמעותי בעלויות העבודה והתקורה.

לאחר שילוב כל גורמי העלות הללו, פתרון ה-IGM הספציפי בעל המסבים המכניים שנבחן במחקר זה זול בכ-15% מפתרון ה-IMG בעל המסבים המכניים, המונח על גבי גרניט.

כמובן, תוצאות הניתוח הכלכלי תלויות לא רק במאפיינים כמו אורך התנועה, דיוק ויכולת העמסה, אלא גם בגורמים כמו בחירת ספק הגרניט. בנוסף, כדאי לקחת בחשבון את עלויות המשלוח והלוגיסטיקה הכרוכות ברכישת מבנה גרניט. מועיל במיוחד עבור מערכות גרניט גדולות מאוד, אם כי נכון לגבי כל הגדלים, בחירת ספק גרניט מוסמך בקרבת מקום הרכבת המערכת הסופית יכולה לסייע גם במזעור העלויות.

כמו כן יש לציין כי ניתוח זה אינו מתחשב בעלויות לאחר היישום. לדוגמה, נניח שמתפתח צורך לתחזק את מערכת התנועה על ידי תיקון או החלפה של ציר תנועה. ניתן לתחזק מערכת "שלב על גרניט" פשוט על ידי הסרה ותיקון/החלפה של הציר הפגוע. בשל העיצוב המודולרי יותר בסגנון שלב, ניתן לעשות זאת בקלות ובמהירות יחסית, למרות העלות ההתחלתית הגבוהה יותר של המערכת. למרות שניתן בדרך כלל להשיג מערכות IGM בעלות נמוכה יותר מאשר מערכות "שלב על גרניט", פירוק ותחזוקה שלהן יכולים להיות מאתגרים יותר בגלל אופי הבנייה המשולב.

מַסְקָנָה

ברור שכל סוג של תכנון פלטפורמת תנועה - במה על גרניט ו-IGM - יכול להציע יתרונות שונים. עם זאת, לא תמיד ברור מהי הבחירה האידיאלית ביותר עבור יישום תנועה מסוים. לכן, כדאי מאוד לשתף פעולה עם ספק מערכות תנועה ואוטומציה מנוסה, כמו Aerotech, המציע גישה ייעוצית ממוקדת יישום ייחודית כדי לחקור ולספק תובנות חשובות לגבי חלופות לפתרונות ליישומי בקרת תנועה ואוטומציה מאתגרים. הבנת לא רק ההבדל בין שני סוגי פתרונות האוטומציה הללו, אלא גם ההיבטים הבסיסיים של הבעיות שהם נדרשים לפתור, היא המפתח להצלחה בבחירת מערכת תנועה המטפלת הן ביעדים הטכניים והן ביעדים הפיננסיים של הפרויקט.

מבית AEROTECH.