الفرق بين أنظمة الحركة على الجرانيت ونظام الحركة المتكامل للجرانيت

يعتمد اختيار منصة الحركة الخطية الجرانيتية الأنسب لتطبيق معين على مجموعة من العوامل والمتغيرات. من الضروري إدراك أن لكل تطبيق متطلباته الخاصة التي يجب فهمها وتحديد أولوياتها لإيجاد حل فعال لمنصة الحركة.

من أكثر الحلول شيوعًا تركيب منصات تثبيت منفصلة على هيكل من الجرانيت. ومن الحلول الشائعة الأخرى دمج المكونات التي تُشكل محاور الحركة مباشرةً في الجرانيت نفسه. يُعدّ الاختيار بين منصة تثبيت على الجرانيت ومنصة حركة الجرانيت المتكاملة (IGM) من القرارات الأولى التي يجب اتخاذها في عملية الاختيار. هناك اختلافات واضحة بين كلا النوعين من الحلول، ولكلٍّ منهما مزاياه ومحاذيره التي يجب فهمها بعناية.

لتقديم رؤية أفضل لهذه العملية من صنع القرار، قمنا بتقييم الاختلافات بين تصميمين أساسيين لمنصات الحركة الخطية - حل تقليدي على الجرانيت، وحل IGM - من المنظورين الفني والمالي في شكل دراسة حالة ذات محمل ميكانيكي.

خلفية

لاستكشاف أوجه التشابه والاختلاف بين أنظمة IGM وأنظمة المرحلة التقليدية على الجرانيت، قمنا بإنشاء تصميمين لحالتين اختباريتين:

• محمل ميكانيكي، مرحلة على الجرانيت
• محمل ميكانيكي، IGM

في كلتا الحالتين، يتكون كل نظام من ثلاثة محاور حركة. يوفر المحور Y مسافة حركة قدرها 1000 مم ويقع على قاعدة هيكل الجرانيت. أما المحور X، الموجود على جسر التجميع بمسافة حركة قدرها 400 مم، فيحمل المحور Z الرأسي بمسافة حركة قدرها 100 مم. يُمثل هذا الترتيب تصويريًا.

لتصميم المنصة على الجرانيت، اخترنا منصة PRO560LM عريضة الهيكل للمحور Y نظرًا لقدرتها الكبيرة على تحمل الأحمال، وهو أمر شائع في العديد من تطبيقات الحركة التي تستخدم ترتيب "الجسر المنفصل Y/XZ". أما بالنسبة للمحور X، فقد اخترنا منصة PRO280LM، التي تُستخدم عادةً كمحور جسر في العديد من التطبيقات. توفر منصة PRO280LM توازنًا عمليًا بين حجمها الكبير وقدرتها على حمل محور Z مع حمولة العميل.

بالنسبة لتصاميم IGM، قمنا بتكرار مفاهيم التصميم الأساسية وتخطيطات المحاور المذكورة أعلاه بشكل وثيق، مع كون الاختلاف الأساسي هو أن محاور IGM مدمجة مباشرة في هيكل الجرانيت، وبالتالي تفتقر إلى قواعد المكونات الآلية الموجودة في تصميمات المرحلة على الجرانيت.

المحور Z شائع في كلا التصميمين، وقد اختير ليكون منصة PRO190SL ذات محرك لولبي كروي. يُعد هذا المحور شائع الاستخدام في الاتجاه الرأسي على الجسور نظرًا لقدرته الكبيرة على حمل الحمولة وتصميمه المدمج نسبيًا.

يوضح الشكل 2 أنظمة المرحلة المحددة على الجرانيت وIGM التي تمت دراستها.

المقارنة الفنية

صُممت أنظمة IGM باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات والمكونات المشابهة لتلك المستخدمة في تصميمات الجرانيت التقليدية. ونتيجةً لذلك، تشترك أنظمة IGM وأنظمة الجرانيت في العديد من الخصائص التقنية. في المقابل، يُتيح دمج محاور الحركة مباشرةً في هيكل الجرانيت العديد من الخصائص المميزة التي تُميز أنظمة IGM عن أنظمة الجرانيت.

عامل الشكل

ربما يبدأ التشابه الأوضح من قاعدة الآلة - الجرانيت. على الرغم من وجود اختلافات في الميزات والتفاوتات بين تصميمي "المنصة على الجرانيت" و"IGM"، إلا أن الأبعاد الكلية لقاعدة الجرانيت والرافعات والجسر متكافئة. ويعود ذلك أساسًا إلى تطابق المسافات الاسمية والحدية بين "المنصة على الجرانيت" و"IGM".

بناء

يُوفر عدم وجود قواعد محاور مُشكَّلة ميكانيكيًا في تصميم IGM مزايا مُعينة مُقارنةً بحلول المرحلة على الجرانيت. وبشكلٍ خاص، يُساعد تقليل عدد المكونات في الحلقة الهيكلية لـ IGM على زيادة صلابة المحور الكلية. كما يُتيح ذلك مسافةً أقصر بين قاعدة الجرانيت والسطح العلوي للعربة. في دراسة الحالة هذه، يُوفر تصميم IGM ارتفاعًا أقل لسطح العمل بنسبة 33% (80 مم مقارنةً بـ 120 مم). لا يُتيح هذا الارتفاع الأصغر للعمل تصميمًا أكثر إحكامًا فحسب، بل يُقلل أيضًا من إزاحات الماكينة من المحرك والمُشفِّر إلى نقطة العمل، مما يُقلل من أخطاء آبي، وبالتالي يُحسّن أداء تحديد موضع نقطة العمل.

مكونات المحور

عند النظر بعمق في التصميم، نجد أن حلول المرحلة على الجرانيت وحلول IGM تشترك في بعض المكونات الرئيسية، مثل المحركات الخطية ومشفرات الموضع. يؤدي اختيار القوة المشتركة ومسار المغناطيس إلى قدرات مكافئة لإخراج القوة. وبالمثل، فإن استخدام نفس المشفرات في كلا التصميمين يوفر دقة متطابقة لتغذية راجعة للموضع. ونتيجة لذلك، لا يختلف أداء الدقة الخطية وقابلية التكرار بشكل كبير بين حلول المرحلة على الجرانيت وحلول IGM. يؤدي تصميم المكونات المتشابه، بما في ذلك فصل المحامل والتسامح، إلى أداء مماثل من حيث حركات الخطأ الهندسي (أي الاستقامة الأفقية والرأسية، والميل، والتدحرج، والانحراف). وأخيرًا، تتطابق عناصر الدعم في كلا التصميمين، بما في ذلك إدارة الكابلات، والحدود الكهربائية، والحواجز الصلبة، بشكل أساسي في الوظيفة، على الرغم من أنها قد تختلف بعض الشيء في المظهر المادي.

المحامل

في هذا التصميم تحديدًا، يُعد اختيار محامل التوجيه الخطية أحد أبرز الفروقات. على الرغم من استخدام محامل كروية معادة التدوير في كلٍّ من نظامي "الجرانيت على المنصة" و"IGM"، إلا أن نظام IGM يُتيح دمج محامل أكبر وأكثر صلابة في التصميم دون زيادة ارتفاع عمل المحور. ونظرًا لاعتماد تصميم IGM على الجرانيت كقاعدة له، بدلًا من قاعدة منفصلة مُصنّعة من مكونات آلية، يُمكن استعادة بعض المساحة الرأسية التي كانت ستشغلها القاعدة الآلية، وملء هذه المساحة بمحامل أكبر مع تقليل الارتفاع الإجمالي للعربة فوق الجرانيت.

صلابة

إن استخدام محامل أكبر في تصميم IGM له تأثير كبير على الصلابة الزاوية. في حالة المحور السفلي (Y) ذي الهيكل العريض، يوفر حل IGM صلابة دوران أكبر بنسبة تزيد عن 40%، وصلابة ميل أكبر بنسبة 30%، وصلابة انحراف أكبر بنسبة 20% مقارنةً بتصميم مماثل قائم على الجرانيت. وبالمثل، يوفر جسر IGM زيادة في صلابة الدوران بأربعة أضعاف، وصلابة ميل مضاعفة، وصلابة انحراف أكبر بنسبة تزيد عن 30% مقارنةً بتصميم مماثل قائم على الجرانيت. تُعد الصلابة الزاوية الأعلى ميزةً لأنها تُسهم بشكل مباشر في تحسين الأداء الديناميكي، وهو أمر أساسي لزيادة إنتاجية الآلة.

سعة التحميل

تتيح محامل حل IGM الأكبر حجمًا سعة حمولة أعلى بكثير من حل منصة الجرانيت. على الرغم من أن المحور الأساسي PRO560LM لحل منصة الجرانيت يتحمل حمولة قدرها 150 كجم، فإن حل IGM المقابل يمكنه استيعاب حمولة قدرها 300 كجم. وبالمثل، يدعم محور الجسر PRO280LM لحل منصة الجرانيت حمولة قدرها 150 كجم، بينما يتحمل محور الجسر لحل IGM ما يصل إلى 200 كجم.

كتلة متحركة

في حين أن المحامل الأكبر في محاور IGM ذات المحامل الميكانيكية توفر خصائص أداء زاوية أفضل وقدرة أكبر على حمل الحمولة، فإنها تأتي أيضًا مع شاحنات أكبر وأثقل. بالإضافة إلى ذلك، تم تصميم عربات IGM بحيث تتم إزالة بعض الميزات الآلية اللازمة لمحور المرحلة على الجرانيت (ولكنها غير مطلوبة من قبل محور IGM) لزيادة صلابة الجزء وتبسيط التصنيع. تعني هذه العوامل أن محور IGM لديه كتلة متحركة أكبر من محور المرحلة على الجرانيت المقابل. الجانب السلبي الذي لا جدال فيه هو أن الحد الأقصى لتسارع IGM أقل، بافتراض أن خرج قوة المحرك لم يتغير. ومع ذلك، في بعض الحالات، قد تكون الكتلة المتحركة الأكبر مفيدة من منظور أن قصورها الذاتي الأكبر يمكن أن يوفر مقاومة أكبر للاضطرابات، والتي يمكن أن ترتبط بزيادة الاستقرار في الموضع.

الديناميكيات الهيكلية

توفر صلابة المحمل العالية وهيكل نظام IGM الأكثر صلابة مزايا إضافية تتضح بعد استخدام برنامج تحليل العناصر المحدودة (FEA) لإجراء تحليل نمطي. في هذه الدراسة، درسنا الرنين الأول للهيكل المتحرك نظرًا لتأثيره على عرض نطاق المؤازرة. يواجه هيكل PRO560LM رنينًا عند تردد 400 هرتز، بينما يواجه هيكل IGM المقابل نفس الوضع عند تردد 430 هرتز. يوضح الشكل 3 هذه النتيجة.

يُعزى ارتفاع رنين حل IGM، مقارنةً بالحل التقليدي المُثبت على الجرانيت، جزئيًا إلى تصميم العربة والمحمل الأكثر صلابة. يُتيح رنين العربة الأعلى نطاق ترددي أكبر للمحرك المؤازر، وبالتالي تحسين الأداء الديناميكي.

بيئة التشغيل

يُعدّ إحكام إغلاق المحور إلزاميًا في أغلب الأحيان عند وجود ملوثات، سواءً كانت ناتجة عن عملية المستخدم أو موجودة بطريقة أخرى في بيئة الآلة. تُعد حلول المرحلة على الجرانيت مناسبة بشكل خاص في هذه الحالات نظرًا لطبيعة المحور المغلقة بطبيعتها. على سبيل المثال، تأتي المراحل الخطية من سلسلة PRO مزودة بأغطية صلبة وأختام جانبية تحمي مكونات المرحلة الداخلية من التلوث بدرجة معقولة. يمكن أيضًا تكوين هذه المراحل بمساحات سطحية اختيارية لكنس الحطام من الغطاء الصلب العلوي أثناء مرور المرحلة. من ناحية أخرى، تتميز منصات الحركة IGM بأنها مفتوحة بطبيعتها، مع تعرض المحامل والمحركات وأجهزة التشفير. على الرغم من أن هذا لا يمثل مشكلة في البيئات الأكثر نظافة، إلا أنه قد يمثل مشكلة عند وجود تلوث. من الممكن معالجة هذه المشكلة من خلال دمج غطاء مسار خاص على شكل منفاخ في تصميم محور IGM لتوفير الحماية من الحطام. ولكن إذا لم يتم تنفيذه بشكل صحيح، يمكن للمنفاخ أن يؤثر سلبًا على حركة المحور من خلال نقل قوى خارجية إلى العربة أثناء تحركها عبر نطاقها الكامل من السفر.

صيانة

تُعدّ سهولة الصيانة عاملاً رئيسياً يُميّز منصات الحركة المُركّبة على الجرانيت ومنصات الحركة IGM. تشتهر محاور المحركات الخطية بمتانتها، ولكن قد يلزم إجراء صيانة في بعض الأحيان. بعض عمليات الصيانة بسيطة نسبياً، ويمكن إجراؤها دون الحاجة إلى إزالة أو تفكيك المحور المعني، ولكن قد يتطلب الأمر أحياناً تفكيكاً أكثر دقة. عندما تتكون منصة الحركة من منصات مُنفصلة مُركّبة على الجرانيت، تكون الصيانة مهمة سهلة نسبياً. أولاً، فكّ المنصة عن الجرانيت، ثم إجراء أعمال الصيانة اللازمة وإعادة تركيبها، أو ببساطة استبدالها بمنصة جديدة.

قد تكون حلول IGM أكثر صعوبةً أحيانًا عند إجراء الصيانة. فرغم بساطة استبدال مسار مغناطيسي واحد للمحرك الخطي في هذه الحالة، إلا أن الصيانة والإصلاحات الأكثر تعقيدًا غالبًا ما تتضمن تفكيكًا كاملًا للعديد من مكونات المحور أو جميعها، وهو ما يستغرق وقتًا أطول عند تركيب المكونات مباشرةً على الجرانيت. كما يصعب إعادة محاذاة المحاور الجرانيتية مع بعضها البعض بعد إجراء الصيانة، وهي مهمة أسهل بكثير مع المراحل المنفصلة.

الجدول 1. ملخص للاختلافات التقنية الأساسية بين حلول المرحلة الميكانيكية على الجرانيت وحلول IGM.

المقارنة الاقتصادية

في حين أن التكلفة المطلقة لأي نظام حركة تختلف بناءً على عدة عوامل بما في ذلك طول السفر ودقة المحور وسعة التحميل والقدرات الديناميكية، فإن المقارنات النسبية لأنظمة الحركة IGM التناظرية وأنظمة الحركة على الجرانيت التي أجريت في هذه الدراسة تشير إلى أن حلول IGM قادرة على تقديم حركة متوسطة إلى عالية الدقة بتكاليف أقل بشكل معتدل من نظيراتها على الجرانيت.

تتكون دراستنا الاقتصادية من ثلاثة مكونات أساسية للتكلفة: أجزاء الآلات (بما في ذلك الأجزاء المصنعة والمكونات المشتراة)، وتجميع الجرانيت، والعمالة والنفقات العامة.

أجزاء الآلة

يوفر حل IGM وفورات ملحوظة مقارنةً بحل المرحلة على الجرانيت من حيث قطع الآلة. ويعود ذلك أساسًا إلى افتقار IGM لقواعد المرحلة المُشَكَّلة بدقة على المحورين Y وX، مما يزيد من تعقيد وتكلفة حلول المرحلة على الجرانيت. علاوة على ذلك، يمكن أن تُعزى وفورات التكلفة إلى التبسيط النسبي للأجزاء المُشَكَّلة الأخرى في حل IGM، مثل العربات المتحركة، التي تتميز بميزات أبسط وتفاوتات أقل عند تصميمها للاستخدام في نظام IGM.

تجميعات الجرانيت

على الرغم من أن تركيبات القاعدة والرافعة والجسر المصنوعة من الجرانيت في كلٍّ من نظامي IGM وStand-on-Granite تبدو متشابهة في عامل الشكل والمظهر، إلا أن تركيب جرانيت IGM أغلى قليلاً. ويرجع ذلك إلى أن الجرانيت في حل IGM يحل محل قواعد المرحلة الآلية في حل Stage-on-Granite، مما يتطلب أن يكون للجرانيت تحمّلات أضيق عمومًا في المناطق الحرجة، بالإضافة إلى ميزات إضافية، مثل القطع المبثوقة و/أو الحشوات الفولاذية الملولبة. ومع ذلك، في دراسة الحالة التي أجريناها، فإن التعقيد الإضافي لهيكل الجرانيت يقابله تبسيط أجزاء الآلة.

العمالة والنفقات العامة

نظرًا للعديد من أوجه التشابه في تجميع واختبار كل من نظام IGM ونظام Stage-on-Granite، فلا يوجد فرق كبير في تكاليف العمالة والنفقات العامة.

بمجرد الجمع بين كل عوامل التكلفة هذه، فإن حل IGM ذو المحمل الميكانيكي المحدد الذي تم فحصه في هذه الدراسة أقل تكلفة بنحو 15% من حل المرحلة الجرانيتية ذو المحمل الميكانيكي.

بالطبع، لا تعتمد نتائج التحليل الاقتصادي فقط على سمات مثل طول الحركة والدقة وسعة التحميل، بل تعتمد أيضًا على عوامل مثل اختيار مورد الجرانيت. بالإضافة إلى ذلك، من الحكمة مراعاة تكاليف الشحن والخدمات اللوجستية المرتبطة بشراء هيكل الجرانيت. يُعد اختيار مورد جرانيت مؤهل وقريب من موقع التجميع النهائي للنظام مفيدًا بشكل خاص لأنظمة الجرانيت الكبيرة جدًا، وإن كان ينطبق على جميع الأحجام، كما أن اختيار مورد جرانيت مؤهل وقريب من موقع التجميع النهائي للنظام يمكن أن يساعد في تقليل التكاليف أيضًا.

تجدر الإشارة أيضًا إلى أن هذا التحليل لا يأخذ في الاعتبار تكاليف ما بعد التنفيذ. على سبيل المثال، لنفترض أنه أصبح من الضروري صيانة نظام الحركة عن طريق إصلاح أو استبدال محور حركة. يمكن صيانة نظام المنصة على الجرانيت ببساطة عن طريق إزالة المحور المتضرر وإصلاحه/استبداله. ونظرًا لتصميم المنصة الأكثر قابلية للتركيب، يمكن القيام بذلك بسهولة وسرعة نسبيتين، على الرغم من ارتفاع التكلفة الأولية للنظام. على الرغم من إمكانية الحصول على أنظمة IGM عمومًا بتكلفة أقل من نظيراتها ذات المنصة على الجرانيت، إلا أنها قد تكون أكثر صعوبة في التفكيك والصيانة نظرًا لطبيعة بنائها المتكاملة.

خاتمة

من الواضح أن كل نوع من تصميمات منصات الحركة - منصة على الجرانيت ومنصة IGM - يُقدم مزايا مميزة. ومع ذلك، ليس من الواضح دائمًا أيهما الخيار الأمثل لتطبيق حركة مُحدد. لذلك، من المفيد جدًا التعاون مع مُورّد أنظمة حركة وأتمتة مُتمرس، مثل Aerotech، الذي يُقدم نهجًا استشاريًا مُركزًا على التطبيقات لاستكشاف وتقديم رؤى قيّمة حول بدائل الحلول لتطبيقات التحكم في الحركة والأتمتة الصعبة. إن فهم الفرق بين هذين النوعين من حلول الأتمتة، بالإضافة إلى الجوانب الأساسية للمشاكل المطلوبة لحلها، هو مفتاح النجاح في اختيار نظام حركة يُلبي الأهداف الفنية والمالية للمشروع.

من شركة AEROTECH.