Sự khác biệt giữa hệ thống chuyển động bằng đá granit đặt trên bệ và hệ thống chuyển động bằng đá granit tích hợp

Việc lựa chọn bệ chuyển động tuyến tính bằng đá granit phù hợp nhất cho một ứng dụng cụ thể phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố và biến số. Điều quan trọng là phải nhận ra rằng mỗi ứng dụng đều có những yêu cầu riêng biệt cần được hiểu rõ và ưu tiên để tìm ra giải pháp hiệu quả về bệ chuyển động.

Một trong những giải pháp phổ biến hơn cả là gắn các bệ định vị riêng biệt lên một cấu trúc đá granit. Một giải pháp phổ biến khác là tích hợp trực tiếp các thành phần cấu thành trục chuyển động vào chính đá granit. Việc lựa chọn giữa bệ định vị trên đá granit và nền tảng chuyển động tích hợp trong đá granit (IGM) là một trong những quyết định quan trọng cần đưa ra trong quá trình lựa chọn. Có những điểm khác biệt rõ ràng giữa hai loại giải pháp này, và tất nhiên mỗi loại đều có những ưu điểm – và nhược điểm – riêng cần được hiểu và cân nhắc kỹ lưỡng.

Để hiểu rõ hơn về quá trình ra quyết định này, chúng tôi đánh giá sự khác biệt giữa hai thiết kế nền tảng chuyển động tuyến tính cơ bản — giải pháp truyền thống đặt trên bệ đá granit và giải pháp IGM — từ cả khía cạnh kỹ thuật và tài chính thông qua một nghiên cứu trường hợp về ổ trục cơ khí.

Lý lịch

Để tìm hiểu những điểm tương đồng và khác biệt giữa hệ thống IGM và hệ thống giàn giáo truyền thống trên đá granit, chúng tôi đã tạo ra hai thiết kế trường hợp thử nghiệm:

• Ổ trục cơ khí, bệ đỡ trên đá granit
• Ổ trục cơ khí, IGM

Trong cả hai trường hợp, mỗi hệ thống đều bao gồm ba trục chuyển động. Trục Y có hành trình 1000 mm và nằm trên đế của cấu trúc đá granit. Trục X, nằm trên cầu của cụm lắp ráp với hành trình 400 mm, mang trục Z thẳng đứng với hành trình 100 mm. Sự bố trí này được thể hiện bằng hình ảnh.

Đối với thiết kế bàn trượt trên nền đá granit, chúng tôi đã chọn bàn trượt thân rộng PRO560LM cho trục Y vì khả năng chịu tải lớn hơn, thường thấy trong nhiều ứng dụng chuyển động sử dụng cấu trúc “cầu nối Y/XZ tách rời” này. Đối với trục X, chúng tôi đã chọn PRO280LM, thường được sử dụng làm trục cầu nối trong nhiều ứng dụng. PRO280LM mang lại sự cân bằng hợp lý giữa kích thước nhỏ gọn và khả năng chịu tải trục Z với trọng lượng khách hàng quy định.

Đối với các thiết kế IGM, chúng tôi đã sao chép sát sao các khái niệm thiết kế và bố cục cơ bản của các trục nói trên, với sự khác biệt chính là các trục IGM được xây dựng trực tiếp vào cấu trúc đá granit, và do đó thiếu các đế linh kiện được gia công có trong các thiết kế đặt trên đá granit.

Điểm chung trong cả hai trường hợp thiết kế là trục Z, được lựa chọn là bàn trượt dẫn động bằng vít me bi PRO190SL. Đây là một trục rất phổ biến được sử dụng theo hướng thẳng đứng trên cầu trục vì khả năng chịu tải lớn và kích thước tương đối nhỏ gọn.

Hình 2 minh họa các hệ thống trầm tích trên đá granit và hệ thống IGM cụ thể đã được nghiên cứu.

So sánh kỹ thuật

Hệ thống IGM được thiết kế bằng nhiều kỹ thuật và thành phần tương tự như những kỹ thuật và thành phần được tìm thấy trong các thiết kế truyền thống trên nền đá granit. Do đó, có nhiều đặc tính kỹ thuật chung giữa hệ thống IGM và hệ thống truyền thống trên nền đá granit. Ngược lại, việc tích hợp trực tiếp các trục chuyển động vào cấu trúc đá granit mang lại một số đặc điểm khác biệt, giúp phân biệt hệ thống IGM với hệ thống truyền thống trên nền đá granit.

Hình thức

Có lẽ điểm tương đồng rõ ràng nhất bắt đầu từ nền móng của máy – đá granit. Mặc dù có sự khác biệt về các đặc điểm và dung sai giữa thiết kế kiểu bệ trên đá granit và thiết kế IGM, nhưng kích thước tổng thể của đế đá granit, các thanh nâng và cầu trục là tương đương. Điều này chủ yếu là do hành trình định mức và hành trình giới hạn là giống nhau giữa kiểu bệ trên đá granit và kiểu IGM.

Sự thi công

Việc không sử dụng các đế trục được gia công cơ khí trong thiết kế IGM mang lại một số lợi thế so với các giải pháp đặt trên đế đá granit. Cụ thể, việc giảm số lượng các bộ phận trong vòng cấu trúc của IGM giúp tăng độ cứng tổng thể của trục. Điều này cũng cho phép khoảng cách giữa đế đá granit và bề mặt trên cùng của giá đỡ ngắn hơn. Trong nghiên cứu trường hợp cụ thể này, thiết kế IGM cung cấp chiều cao bề mặt làm việc thấp hơn 33% (80 mm so với 120 mm). Chiều cao làm việc nhỏ hơn này không chỉ cho phép thiết kế nhỏ gọn hơn mà còn giảm độ lệch của máy từ động cơ và bộ mã hóa đến điểm làm việc, dẫn đến giảm lỗi Abbe và do đó nâng cao hiệu suất định vị điểm làm việc.

Các thành phần trục

Xét kỹ hơn về thiết kế, giải pháp bàn trượt trên đá granit và giải pháp IGM có chung một số thành phần chính, chẳng hạn như động cơ tuyến tính và bộ mã hóa vị trí. Việc lựa chọn lực và rãnh nam châm chung dẫn đến khả năng tạo lực tương đương. Tương tự, việc sử dụng cùng một bộ mã hóa trong cả hai thiết kế cung cấp độ phân giải chính xác như nhau cho phản hồi định vị. Do đó, độ chính xác tuyến tính và hiệu suất lặp lại không khác biệt đáng kể giữa giải pháp bàn trượt trên đá granit và giải pháp IGM. Bố cục thành phần tương tự, bao gồm khoảng cách và dung sai ổ trục, dẫn đến hiệu suất tương đương về chuyển động sai số hình học (tức là độ thẳng ngang và dọc, độ nghiêng, độ cuộn và độ lệch hướng). Cuối cùng, các yếu tố hỗ trợ của cả hai thiết kế, bao gồm quản lý cáp, giới hạn điện và điểm dừng cứng, về cơ bản là giống hệt nhau về chức năng, mặc dù chúng có thể khác nhau đôi chút về hình thức vật lý.

Vòng bi

Đối với thiết kế cụ thể này, một trong những điểm khác biệt đáng chú ý nhất là việc lựa chọn các ổ trục dẫn hướng tuyến tính. Mặc dù cả hệ thống bàn trượt trên đá granit và hệ thống IGM đều sử dụng ổ trục bi tuần hoàn, hệ thống IGM cho phép tích hợp các ổ trục lớn hơn, cứng hơn vào thiết kế mà không làm tăng chiều cao làm việc của trục. Bởi vì thiết kế IGM dựa vào đá granit làm nền, thay vì một đế được gia công riêng biệt, nên có thể tận dụng lại một phần không gian theo chiều dọc mà lẽ ra sẽ bị chiếm dụng bởi một đế được gia công, và về cơ bản lấp đầy không gian này bằng các ổ trục lớn hơn trong khi vẫn giảm chiều cao tổng thể của giá đỡ so với đá granit.

Độ cứng

Việc sử dụng các ổ trục lớn hơn trong thiết kế IGM có tác động sâu sắc đến độ cứng góc. Trong trường hợp trục dưới thân rộng (Y), giải pháp IGM cung cấp độ cứng xoay lớn hơn 40%, độ cứng nghiêng lớn hơn 30% và độ cứng lệch hướng lớn hơn 20% so với thiết kế tương ứng đặt trên nền đá granit. Tương tự, cầu trục của IGM cung cấp độ cứng xoay tăng gấp bốn lần, độ cứng nghiêng gấp đôi và độ cứng lệch hướng lớn hơn 30% so với thiết kế đặt trên nền đá granit tương ứng. Độ cứng góc cao hơn là một lợi thế vì nó trực tiếp góp phần cải thiện hiệu suất động, điều này rất quan trọng để cho phép năng suất máy cao hơn.

Khả năng chịu tải

Giải pháp IGM với các ổ trục lớn hơn cho phép khả năng chịu tải cao hơn đáng kể so với giải pháp bệ phóng đặt trên đá granit. Mặc dù trục đế PRO560LM của giải pháp bệ phóng đặt trên đá granit có khả năng chịu tải 150 kg, nhưng giải pháp IGM tương ứng có thể chịu được tải trọng 300 kg. Tương tự, trục cầu PRO280LM của bệ phóng đặt trên đá granit hỗ trợ 150 kg, trong khi trục cầu của giải pháp IGM có thể chịu được tới 200 kg.

Khối lượng chuyển động

Mặc dù các ổ trục lớn hơn trong trục IGM sử dụng ổ trục cơ khí mang lại hiệu suất góc tốt hơn và khả năng chịu tải lớn hơn, nhưng chúng cũng đi kèm với các giá đỡ lớn hơn và nặng hơn. Ngoài ra, các giá đỡ IGM được thiết kế sao cho một số chi tiết gia công cần thiết cho trục kiểu bệ đỡ trên đá granit (nhưng không cần thiết cho trục IGM) được loại bỏ để tăng độ cứng của chi tiết và đơn giản hóa quá trình sản xuất. Những yếu tố này có nghĩa là trục IGM có khối lượng chuyển động lớn hơn so với trục kiểu bệ đỡ trên đá granit tương ứng. Một nhược điểm không thể phủ nhận là gia tốc tối đa của IGM thấp hơn, giả sử rằng công suất động cơ không thay đổi. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, khối lượng chuyển động lớn hơn có thể có lợi vì quán tính lớn hơn của nó có thể cung cấp khả năng chống nhiễu tốt hơn, điều này có thể tương quan với sự ổn định vị trí cao hơn.

Động lực học kết cấu

Độ cứng ổ trục cao hơn và khung chuyển động chắc chắn hơn của hệ thống IGM mang lại những lợi ích bổ sung, điều này được thể hiện rõ sau khi sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để thực hiện phân tích dao động. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã kiểm tra cộng hưởng đầu tiên của khung chuyển động vì ảnh hưởng của nó đến băng thông servo. Khung PRO560LM gặp cộng hưởng ở tần số 400 Hz, trong khi khung IGM tương ứng gặp cùng chế độ cộng hưởng ở tần số 430 Hz. Hình 3 minh họa kết quả này.

So với hệ thống bệ đỡ truyền thống trên đá granit, độ cộng hưởng cao hơn của giải pháp IGM một phần là nhờ thiết kế khung đỡ và ổ trục cứng cáp hơn. Độ cộng hưởng khung đỡ cao hơn cho phép có băng thông servo lớn hơn và do đó cải thiện hiệu suất động.

Môi trường hoạt động

Khả năng làm kín trục gần như luôn là điều bắt buộc khi có chất gây ô nhiễm, cho dù được tạo ra từ quy trình của người dùng hay tồn tại sẵn trong môi trường máy móc. Các giải pháp bàn trượt trên mặt đá granit đặc biệt phù hợp trong những trường hợp này do tính chất kín của trục. Ví dụ, các bàn trượt tuyến tính dòng PRO được trang bị nắp cứng và gioăng bên hông giúp bảo vệ các bộ phận bên trong bàn trượt khỏi bị ô nhiễm ở mức độ hợp lý. Các bàn trượt này cũng có thể được cấu hình với cần gạt mặt bàn tùy chọn để quét sạch mảnh vụn khỏi nắp cứng phía trên khi bàn trượt di chuyển. Mặt khác, các nền tảng chuyển động IGM có tính chất mở, với các ổ bi, động cơ và bộ mã hóa bị lộ ra ngoài. Mặc dù không phải là vấn đề trong môi trường sạch hơn, nhưng điều này có thể gây ra vấn đề khi có chất gây ô nhiễm. Có thể giải quyết vấn đề này bằng cách tích hợp một nắp dẫn hướng kiểu ống xếp đặc biệt vào thiết kế trục IGM để bảo vệ khỏi mảnh vụn. Nhưng nếu không được thực hiện đúng cách, ống xếp có thể ảnh hưởng tiêu cực đến chuyển động của trục bằng cách tạo ra lực tác động lên giá đỡ khi nó di chuyển hết phạm vi hành trình.

BẢO TRÌ

Khả năng bảo trì là yếu tố khác biệt giữa hệ thống chuyển động kiểu bệ trên đá granit và hệ thống chuyển động IGM. Các trục động cơ tuyến tính nổi tiếng về độ bền, nhưng đôi khi vẫn cần phải bảo trì. Một số thao tác bảo trì tương đối đơn giản và có thể được thực hiện mà không cần tháo rời hoặc tháo lắp trục, nhưng đôi khi cần phải tháo dỡ kỹ lưỡng hơn. Khi hệ thống chuyển động bao gồm các bệ riêng biệt được gắn trên đá granit, việc bảo trì khá đơn giản. Đầu tiên, tháo bệ ra khỏi đá granit, sau đó thực hiện công việc bảo trì cần thiết và lắp lại. Hoặc, đơn giản là thay thế nó bằng một bệ mới.

Các giải pháp IGM đôi khi có thể gặp nhiều thách thức hơn khi thực hiện bảo trì. Mặc dù việc thay thế một thanh nam châm đơn lẻ của động cơ tuyến tính rất đơn giản trong trường hợp này, nhưng việc bảo trì và sửa chữa phức tạp hơn thường liên quan đến việc tháo rời hoàn toàn nhiều hoặc tất cả các bộ phận cấu thành trục, điều này tốn nhiều thời gian hơn khi các bộ phận được gắn trực tiếp vào đá granit. Việc căn chỉnh lại các trục trên nền đá granit với nhau sau khi bảo trì cũng khó khăn hơn — một công việc dễ dàng hơn đáng kể với các giai đoạn riêng biệt.

Bảng 1. Tóm tắt những khác biệt kỹ thuật cơ bản giữa giải pháp bệ đỡ cơ khí trên đá granit và giải pháp IGM.

So sánh kinh tế

Mặc dù chi phí tuyệt đối của bất kỳ hệ thống chuyển động nào sẽ thay đổi dựa trên nhiều yếu tố bao gồm chiều dài hành trình, độ chính xác trục, khả năng chịu tải và khả năng động lực học, nhưng các so sánh tương đối giữa các hệ thống chuyển động IGM và hệ thống chuyển động kiểu bệ đỡ trên đá granit tương tự được thực hiện trong nghiên cứu này cho thấy rằng các giải pháp IGM có khả năng cung cấp chuyển động với độ chính xác từ trung bình đến cao với chi phí thấp hơn đáng kể so với các hệ thống chuyển động kiểu bệ đỡ trên đá granit tương ứng.

Nghiên cứu kinh tế của chúng tôi bao gồm ba thành phần chi phí cơ bản: linh kiện máy móc (bao gồm cả linh kiện tự sản xuất và linh kiện mua ngoài), lắp ráp đá granit, và chi phí nhân công và chi phí chung.

Các bộ phận máy móc

Giải pháp IGM mang lại những khoản tiết kiệm đáng kể so với giải pháp sử dụng bàn trượt trên đá granit về mặt chi tiết máy móc. Điều này chủ yếu là do IGM không có các đế bàn trượt được gia công phức tạp trên trục Y và X, vốn làm tăng độ phức tạp và chi phí cho các giải pháp sử dụng bàn trượt trên đá granit. Hơn nữa, việc tiết kiệm chi phí có thể là do sự đơn giản hóa tương đối của các chi tiết gia công khác trong giải pháp IGM, chẳng hạn như các giá đỡ di chuyển, có thể có các đặc điểm đơn giản hơn và dung sai lỏng lẻo hơn khi được thiết kế để sử dụng trong hệ thống IGM.

Các cụm đá granit

Mặc dù các cụm đế-bục-cầu bằng đá granit trong cả hệ thống IGM và hệ thống sân khấu trên đá granit có vẻ ngoài và hình thức tương tự, nhưng cụm đá granit IGM lại đắt hơn một chút. Điều này là do đá granit trong giải pháp IGM thay thế cho các đế sân khấu được gia công trong giải pháp sân khấu trên đá granit, đòi hỏi đá granit phải có dung sai chặt chẽ hơn ở các vùng quan trọng, và thậm chí cả các tính năng bổ sung, chẳng hạn như các đường cắt đùn và/hoặc các chi tiết thép có ren. Tuy nhiên, trong nghiên cứu trường hợp của chúng tôi, sự phức tạp tăng thêm của cấu trúc đá granit được bù đắp nhiều hơn bởi sự đơn giản hóa trong các bộ phận gia công.

Chi phí nhân công và chi phí chung

Do có nhiều điểm tương đồng trong việc lắp ráp và thử nghiệm cả hệ thống IGM và hệ thống đặt trên nền đá granit, nên chi phí nhân công và chi phí chung không có sự khác biệt đáng kể.

Khi kết hợp tất cả các yếu tố chi phí này, giải pháp IGM ổ trục cơ học cụ thể được nghiên cứu trong nghiên cứu này có chi phí thấp hơn khoảng 15% so với giải pháp ổ trục cơ học đặt trên đá granit.

Tất nhiên, kết quả phân tích kinh tế không chỉ phụ thuộc vào các thuộc tính như chiều dài vận chuyển, độ chính xác và khả năng chịu tải, mà còn phụ thuộc vào các yếu tố như việc lựa chọn nhà cung cấp đá granit. Ngoài ra, cần xem xét chi phí vận chuyển và hậu cần liên quan đến việc mua sắm kết cấu đá granit. Đặc biệt hữu ích đối với các hệ thống đá granit rất lớn, mặc dù điều này đúng với mọi kích thước, việc lựa chọn một nhà cung cấp đá granit đủ điều kiện ở gần vị trí lắp ráp hệ thống cuối cùng có thể giúp giảm thiểu chi phí.

Cần lưu ý rằng phân tích này không xem xét chi phí sau khi triển khai. Ví dụ, giả sử cần phải bảo dưỡng hệ thống chuyển động bằng cách sửa chữa hoặc thay thế một trục chuyển động. Hệ thống sân khấu trên bệ đá granit có thể được bảo dưỡng bằng cách đơn giản là tháo rời và sửa chữa/thay thế trục bị ảnh hưởng. Do thiết kế kiểu bệ mô-đun hơn, việc này có thể được thực hiện tương đối dễ dàng và nhanh chóng, mặc dù chi phí hệ thống ban đầu cao hơn. Mặc dù hệ thống IGM thường có thể được mua với chi phí thấp hơn so với các hệ thống sân khấu trên bệ đá granit, nhưng chúng có thể khó tháo rời và bảo dưỡng hơn do tính chất tích hợp của cấu trúc.

Phần kết luận

Rõ ràng, mỗi loại thiết kế nền tảng chuyển động — kiểu sân khấu trên đá granit và kiểu IGM — đều có thể mang lại những lợi ích riêng biệt. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng dễ dàng nhận ra đâu là lựa chọn lý tưởng nhất cho một ứng dụng chuyển động cụ thể. Do đó, việc hợp tác với một nhà cung cấp hệ thống chuyển động và tự động hóa giàu kinh nghiệm, chẳng hạn như Aerotech, là rất có lợi. Aerotech cung cấp phương pháp tư vấn tập trung vào ứng dụng để khám phá và đưa ra những hiểu biết giá trị về các giải pháp thay thế cho các ứng dụng điều khiển chuyển động và tự động hóa đầy thách thức. Hiểu được không chỉ sự khác biệt giữa hai loại giải pháp tự động hóa này, mà còn cả các khía cạnh cơ bản của những vấn đề mà chúng cần giải quyết, là chìa khóa thành công trong việc lựa chọn một hệ thống chuyển động đáp ứng cả mục tiêu kỹ thuật và tài chính của dự án.

Từ AEROTECH.