Sự khác biệt giữa hệ thống chuyển động Stage-on-Granite và hệ thống chuyển động Granite tích hợp

Việc lựa chọn nền tảng chuyển động tuyến tính nền đá granit phù hợp nhất cho một ứng dụng cụ thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố và biến số. Điều quan trọng là phải nhận thức được 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 cho nền tảng chuyển động.

Một trong những giải pháp phổ biến nhất là lắp đặt các tầng định vị rời rạc lên kết cấu đá granit. Một giải pháp phổ biến khác là tích hợp các thành phần tạo nên trục chuyển động trực tiếp vào đá granit. Việc lựa chọn giữa một tầng trên đá granit và một nền tảng chuyển động tích hợp trên đá granit (IGM) là một trong những quyết định đầu tiên cần được đưa ra trong quá trình lựa chọn. Có sự phân biệt rõ ràng giữa hai loại giải pháp, và tất nhiên mỗi giải pháp đều có những ưu điểm riêng — và những lưu ý — cần được hiểu và cân nhắc kỹ lưỡng.

Để cung cấp cái nhìn sâu sắc 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 sàn trên đá granit truyền thống và giải pháp IGM — từ cả góc độ kỹ thuật và tài chính dưới dạng nghiên cứu trường hợp về ổ trục cơ học.

Lý lịch

Để khám phá những điểm tương đồng và khác biệt giữa hệ thống IGM và hệ thống sân khấu trên đá granit truyền thống, chúng tôi đã tạo ra hai thiết kế trường hợp thử nghiệm:

• Vòng bi cơ khí, đặt trên đá granit
• Vòng bi 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 sắp xếp này được thể hiện bằng hình ảnh.

Đối với thiết kế bệ đỡ trên đá granit, chúng tôi đã chọn bệ đỡ thân rộng PRO560LM cho trục Y vì khả năng chịu tải lớn hơn, phổ biến trong nhiều ứng dụng chuyển động sử dụng cấu trúc "cầu nối chia đôi Y/XZ" này. Đối với trục X, chúng tôi đã chọn PRO280LM, thường được sử dụng làm trục cầu trong nhiều ứng dụng. PRO280LM mang lại sự cân bằng thiết thực giữa diện tích chiếm dụng và khả năng chịu tải trọng của khách hàng trên trục Z.

Đối với thiết kế IGM, chúng tôi đã sao chép chặt chẽ các khái niệm thiết kế cơ bản và bố cục của các trục trên, với điểm khác biệt chính là các trục IGM được xây dựng trực tiếp vào cấu trúc đá granit và do đó không có đế thành phần gia công như trong thiết kế sân khấu trên đá granit.

Điểm chung trong cả hai trường hợp thiết kế là trục Z, được chọn là bệ đỡ trục vít me bi PRO190SL. Đây là trục rất phổ biến để sử dụng theo phương thẳng đứng trên cầu nhờ khả năng chịu tải lớn và hình dáng tương đối nhỏ gọn.

Hình 2 minh họa các giai đoạn cụ thể trên đá granit và hệ thống IGM được nghiên cứu.

So sánh kỹ thuật

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

Yếu tố 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 đặc điểm và dung sai giữa thiết kế sàn trên đá granit và IGM, kích thước tổng thể của đế, trụ và cầu bằng đá granit là tương đương nhau. Điều này chủ yếu là do hành trình danh định và hành trình giới hạn giữa sàn trên đá granit và IGM là giống hệt nhau.

Sự thi công

Việc không có đế trục chi tiết gia công trong thiết kế IGM mang lại một số lợi thế nhất định so với các giải pháp bệ máy trên đá granit. Cụ thể, việc giảm số lượng chi tiết trong vòng kết cấu của IGM giúp tăng độ cứng tổng thể của trục. Nó cũng cho phép rút ngắn khoảng cách giữa đế đá granit và bề mặt trên của giá đỡ. Trong nghiên cứu 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 máy từ động cơ và bộ mã hóa đến điểm làm việc, giúp giảm sai số Abbe và do đó cải thiện hiệu suất định vị điểm làm việc.

Thành phần trục

Nhìn sâu hơn vào thiết kế, các giải pháp stage-on-granite và IGM có chung một số thành phần chính, chẳng hạn như động cơ tuyến tính và bộ mã hóa vị trí. Việc lựa chọn chung lực đẩy và đường ray nam châm dẫn đến khả năng lực-đầu ra tương đương. Tương tự như vậy, việc sử dụng cùng một bộ mã hóa trong cả hai thiết kế đều cung cấp độ phân giải tốt như nhau cho phản hồi vị trí. Do đó, độ chính xác tuyến tính và hiệu suất lặp lại không khác biệt đáng kể giữa các giải pháp stage-on-granite và IGM. Bố cục thành phần tương tự, bao gồm cả việc tách ổ trục và dung sai, dẫn đến hiệu suất tương đương về mặt chuyển động có lỗi hình học (tức là độ thẳng theo chiều ngang và chiều dọc, độ cao, độ lăn và độ lệch). Cuối cùng, các thành phần 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 ổ bi dẫn hướng tuyến tính. Mặc dù ổ bi tuần hoàn được sử dụng trong cả hệ thống đặt trên đá granit và hệ thống IGM, hệ thống IGM cho phép tích hợp các ổ bi lớn hơn, cứng hơn vào thiết kế mà không làm tăng chiều cao làm việc của trục. Vì thiết kế IGM dựa trên đá granit làm đế, thay vì đế gia công riêng biệt, nên có thể tận dụng một phần diện tích thẳng đứng vốn bị chiếm dụng bởi đế gia công, và về cơ bản, lấp đầy không gian này bằng các ổ bi lớn hơn trong khi vẫn giảm chiều cao tổng thể của giá đỡ phía trên đá granit.

Độ cứng

Việc sử dụng 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 mang lại độ cứng chống lật cao hơn 40%, độ cứng chống nghiêng cao hơn 30% và độ cứng chống lắc ngang cao hơn 20% so với thiết kế bệ máy trên đá granit tương ứng. Tương tự, cầu IGM mang lại độ cứng chống lật cao gấp bốn lần, độ cứng chống nghiêng cao gấp đôi và độ cứng chống lắc ngang cao hơn 30% so với bệ máy trên đá granit tương ứng. Độ cứng góc cao hơn mang lại lợi thế vì nó trực tiếp góp phần cải thiện hiệu suất động, yếu tố then chốt để nâng cao năng suất máy.

Tải trọng

Các ổ trục lớn hơn của giải pháp IGM cho phép tải trọng cao hơn đáng kể so với giải pháp bệ trên đá granit. Mặc dù trục cơ sở PRO560LM của giải pháp bệ trên đá granit có tải trọng 150 kg, giải pháp IGM tương ứng có thể chịu tải trọng 300 kg. Tương tự, trục cầu PRO280LM của bệ trên đá granit chịu được tải trọng 150 kg, trong khi trục cầu của giải pháp IGM có thể chịu được tải trọng lên đến 200 kg.

Khối lượng di chuyển

Trong khi các ổ trục lớn hơn trong các trục IGM có ổ trục cơ học mang lại các thuộc tính hiệu suất góc tốt hơn và khả năng chịu tải lớn hơn, chúng cũng đi kèm với các xe đẩy lớn hơn và nặng hơn. Ngoài ra, các giá đỡ IGM được thiết kế sao cho một số tính năng gia công cần thiết cho trục giai đoạn trên đá granit (nhưng không bắt buộc đối với trục IGM) được loại bỏ để tăng độ cứng của chi tiết và đơn giản hóa sản xuất. Các yếu tố này có nghĩa là trục IGM có khối lượng chuyển động lớn hơn trục giai đoạn trên đá granit tương ứng. Một nhược điểm không thể chối cãi là gia tốc tối đa của IGM thấp hơn, giả sử rằng lực đầu ra của động cơ không đổi. Tuy nhiên, trong một số trường hợp nhất định, khối lượng chuyển động lớn hơn có thể có lợi thế theo quan điểm rằng quán tính lớn hơn của nó có thể cung cấp khả năng chống nhiễu tốt hơn, có thể tương quan với độ ổn định tại vị trí được tăng lên.

Động lực học cấu trúc

Độ cứng ổ trục cao hơn và giá đỡ cứng hơn của hệ thống IGM mang lại những lợi ích bổ sung rõ rệt sau khi sử dụng gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để thực hiện phân tích mô hình. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã xem xét cộng hưởng đầu tiên của giá đỡ di động do ảnh hưởng của nó đến băng thông servo. Giá đỡ PRO560LM gặp phải cộng hưởng ở tần số 400 Hz, trong khi giá đỡ IGM tương ứng cũng gặp phải cộng hưởng ở tần số 430 Hz. Hình 3 minh họa kết quả này.

Độ cộng hưởng cao hơn của giải pháp IGM, khi so sánh với bệ máy truyền thống trên đá granit, một phần có thể là do thiết kế bệ máy và ổ trục cứng hơn. Độ cộng hưởng bệ máy cao hơn giúp tăng băng thông servo và do đó cải thiện hiệu suất động.

Môi trường hoạt động

Khả năng bịt kín trục gần như luôn bắt buộc khi có tạp chất, dù là do quy trình của người dùng hay tồn tại trong môi trường của máy. Các giải pháp bệ trên đá granit đặc biệt phù hợp trong những trường hợp này do bản chất kín của trục. Ví dụ, bệ tuyến tính dòng PRO được trang bị nắp cứng và phớt bên hông giúp bảo vệ các bộ phận bên trong khỏi bị nhiễm bẩn ở mức độ hợp lý. Các bệ này cũng có thể được cấu hình với cần gạt nước để bàn tùy chọn để quét sạch các mảnh vụn khỏi nắp cứng phía trên khi bệ di chuyển. Mặt khác, bệ chuyển động IGM vốn có bản chất mở, với các ổ trục, động cơ và bộ mã hóa được 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 tạp chất. Có thể giải quyết vấn đề này bằng cách kết hợp một nắp che đường dẫn kiểu ống thổi đặc biệt vào thiết kế trục IGM để bảo vệ khỏi các mảnh vụn. Tuy nhiên, nếu không được lắp đặt đúng cách, ống thổi có thể ảnh hưởng tiêu cực đến chuyển động của trục bằng cách tác động lực bên ngoài lên giá đỡ khi nó di chuyển trong toàn bộ phạm vi di chuyển.

BẢO TRÌ

Khả năng bảo trì là một điểm khác biệt giữa bệ chuyển động trên đá granit và bệ chuyển động IGM. 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 trục, nhưng đôi khi cần phải tháo rời kỹ lưỡng hơn. Khi bệ chuyển động bao gồm các bệ rời được lắp trên đá granit, việc bảo trì khá đơn giản. Đầu tiên, tháo bệ khỏi đá granit, sau đó thực hiện các công việc bảo trì cần thiết và lắp lại. Hoặc đơn giản là thay thế bằng một bệ mới.

Giải pháp IGM đôi khi có thể khó khăn hơn khi thực hiện bảo trì. Mặc dù việc thay thế một ray nam châm đơn 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, tốn nhiều thời gian hơn khi các bộ phận được lắp trực tiếp vào đá granit. Việc căn chỉnh lại các trục trên đá granit với nhau sau khi bảo trì cũng khó khăn hơn — một nhiệm vụ đơn giản hơn đáng kể với các giai đoạn riêng biệt.

Bảng 1. Tóm tắt những khác biệt kỹ thuật cơ bản giữa giải pháp IGM và giai đoạn chịu lực cơ học trên đá granit.

So sánh kinh tế

Trong khi chi phí tuyệt đối của bất kỳ hệ thống chuyển động nào sẽ thay đổi dựa trên một số yếu tố bao gồm chiều dài di chuyển, độ chính xác của trục, khả năng chịu tải và khả năng động, thì các so sánh tương đối giữa hệ thống chuyển động IGM tương tự và hệ thống chuyển động trên bệ trên đá granit được thực hiện trong nghiên cứu này cho thấy rằng các giải pháp IGM có khả năng cung cấp chuyển động có độ chính xác từ trung bình đến cao với chi phí thấp hơn một chút so với hệ thống trên bệ trên đá granit.

Nghiên cứu kinh tế của chúng tôi bao gồm ba thành phần chi phí cơ bản: các bộ phận máy móc (bao gồm cả các bộ phận sản xuất và các bộ phận mua), cụm đá granit, chi phí nhân công và chi phí chung.

Các bộ phận máy móc

Giải pháp IGM mang lại khoản tiết kiệm đáng kể so với giải pháp bệ máy trên đá granit về mặt chi phí bộ phận máy. Điều này chủ yếu là do IGM không có đế bệ máy được gia công phức tạp trên trục Y và X, làm tăng thêm độ phức tạp và chi phí cho giải pháp bệ máy trên đá granit. Hơn nữa, khoản tiết kiệm chi phí này còn đến từ việc các bộ phận gia công khác trên giải pháp IGM được đơn giản hóa tương đối, chẳng hạn như các bàn di chuyển, vốn có thể có các tính năng đơn giản hơn và dung sai linh hoạt hơn khi được thiết kế để sử dụng trong hệ thống IGM.

Lắp ráp đá granit

Mặc dù các cụm đế-cầu-bệ đỡ bằng đá granit trong cả hai hệ thống IGM và hệ thống đặt trên đá granit dường như có hình dạng và ngoại hình tương tự nhau, nhưng cụm đế IGM bằng đá granit lại đắt hơn một chút. Điều này là do đá granit trong giải pháp IGM thay thế cho đế bệ đỡ được gia công trong giải pháp đặt trên đá granit, đòi hỏi đá granit phải có dung sai chặt chẽ hơn ở các vùng quan trọng, và thậm chí cả các đặc điểm bổ sung, chẳng hạn như các đường cắt đùn và/hoặc chèn thép ren. Tuy nhiên, trong nghiên cứu điển hình của chúng tôi, sự phức tạp gia tăng của cấu trúc đá granit được bù đắp bởi sự đơn giản hóa trong các bộ phận máy.

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 sàn trên đá granit nên không có sự khác biệt đáng kể về chi phí nhân công và chi phí chung.

Khi tất cả các yếu tố chi phí này được kết hợp, giải pháp IGM chịu lực cơ học cụ thể được kiểm tra trong nghiên cứu này có chi phí thấp hơn khoảng 15% so với giải pháp chịu lực 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 di chuyển, độ chính xác và khả năng chịu tải, mà còn phụ thuộc vào các yếu tố như lựa chọn nhà cung cấp đá granite. Ngoài ra, việc cân nhắc chi phí vận chuyển và hậu cần liên quan đến việc mua sắm kết cấu đá granite là rất quan trọng. Việc lựa chọn một nhà cung cấp đá granite đủ tiêu chuẩn ở gần vị trí lắp ráp hệ thống cuối cùng, mặc dù đúng với mọi kích cỡ, đặc biệt hữu ích đối với các hệ thống đá granite quy mô rất lớn, cũng có thể giúp giảm thiểu chi phí.

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

Phần kết luận

Rõ ràng, mỗi loại thiết kế nền tảng chuyển động — sàn trên đá granit và IGM — đều mang lại những lợi ích riêng biệt. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng dễ dàng nhận biết được lựa chọn nào là 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, sẽ rất có lợi khi cung cấp phương pháp tiếp cận tư vấn, tập trung vào ứng dụng riêng biệt để khám phá và cung cấp 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. Việc hiểu rõ không chỉ sự khác biệt giữa hai loại giải pháp tự động hóa này, mà còn cả những khía cạnh cơ bản của các vấn đề mà chúng cần giải quyết, chính 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.