الفرق بين أنظمة الحركة على الجرانيت وأنظمة الحركة المتكاملة على الجرانيت

يعتمد اختيار منصة الحركة الخطية الأنسب المصنوعة من الجرانيت لتطبيق معين على مجموعة من العوامل والمتغيرات. ومن الضروري إدراك أن لكل تطبيق مجموعة متطلباته الخاصة التي يجب فهمها وتحديد أولوياتها للوصول إلى حل فعال فيما يتعلق بمنصة الحركة.

من الحلول الشائعة تركيب منصات تحديد المواقع المنفصلة على هيكل من الجرانيت. وهناك حل شائع آخر يدمج مكونات محاور الحركة مباشرةً في الجرانيت نفسه. يُعدّ اختيار المنصة المناسبة، سواءً كانت مثبتة على الجرانيت أو مدمجة فيه، من القرارات الأولى في عملية الاختيار. ثمة فروق واضحة بين هذين النوعين من الحلول، ولكلٍّ منهما مزاياه وعيوبه التي يجب فهمها ودراستها بعناية.

ولتقديم رؤية أفضل لعملية صنع القرار هذه، نقوم بتقييم الاختلافات بين تصميمين أساسيين لمنصة الحركة الخطية - حل تقليدي على الجرانيت، وحل IGM - من منظورين تقني ومالي في شكل دراسة حالة للمحامل الميكانيكية.

خلفية

لاستكشاف أوجه التشابه والاختلاف بين أنظمة IGM وأنظمة المراحل التقليدية على الجرانيت، قمنا بإنشاء تصميمين لحالات الاختبار:

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

في كلتا الحالتين، يتكون كل نظام من ثلاثة محاور حركة. يوفر المحور Y مسافة حركة تبلغ 1000 مم ويقع على قاعدة الهيكل الجرانيتي. أما المحور X، الموجود على جسر التجميع بمسافة حركة تبلغ 400 مم، فيحمل المحور Z الرأسي بمسافة حركة تبلغ 100 مم. هذا الترتيب موضحٌ بصورةٍ تخطيطية.

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

بالنسبة لتصميمات IGM، قمنا بتكرار مفاهيم التصميم الأساسية وتخطيطات المحاور المذكورة أعلاه بدقة، مع الاختلاف الرئيسي في أن محاور IGM مبنية مباشرة في هيكل الجرانيت، وبالتالي تفتقر إلى قواعد المكونات المصنعة الموجودة في تصميمات المنصة على الجرانيت.

يشترك كلا التصميمين في محور Z، الذي تم اختياره ليكون منصة PRO190SL تعمل ببرغي كروي. يُعد هذا المحور شائع الاستخدام في الوضع الرأسي على الجسر نظرًا لقدرته العالية على حمل الأوزان وحجمه الصغير نسبيًا.

يوضح الشكل 2 أنظمة المرحلة المحددة على الجرانيت وأنظمة المعادن بين الجيوفيزيائية التي تمت دراستها.

مقارنة فنية

تُصمَّم أنظمة IGM باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات والمكونات المشابهة لتلك الموجودة في تصميمات المنصات الجرانيتية التقليدية. ونتيجةً لذلك، تشترك أنظمة IGM وأنظمة المنصات الجرانيتية في العديد من الخصائص التقنية. في المقابل، يُتيح دمج محاور الحركة مباشرةً في بنية الجرانيت العديد من الخصائص المميزة التي تُفرِّق أنظمة IGM عن أنظمة المنصات الجرانيتية.

عامل الشكل

لعلّ أبرز أوجه التشابه تبدأ من قاعدة الآلة - الجرانيت. فرغم وجود اختلافات في الخصائص والتفاوتات بين تصميمات المنصة على الجرانيت وتصميمات IGM، إلا أن الأبعاد الكلية لقاعدة الجرانيت والرافعات والجسر متطابقة. ويعود ذلك أساسًا إلى تطابق نطاق الحركة الاسمي والحد الأقصى للحركة بين تصميمي المنصة على الجرانيت وIGM.

بناء

يُوفر تصميم IGM، الذي يخلو من قواعد المحاور المصنّعة آليًا، مزايا عديدة مقارنةً بحلول المنصات الجرانيتية. فعلى وجه الخصوص، يُسهم تقليل عدد المكونات في الحلقة الهيكلية لـ IGM في زيادة صلابة المحور الإجمالية، كما يُتيح تقصير المسافة بين قاعدة الجرانيت والسطح العلوي للعربة. في هذه الدراسة، يُوفر تصميم IGM ارتفاعًا أقل لسطح العمل بنسبة 33% (80 مم مقارنةً بـ 120 مم). ولا يقتصر الأمر على أن هذا الارتفاع الأصغر يُتيح تصميمًا أكثر إحكامًا، بل يُقلل أيضًا من انحرافات الماكينة من المحرك والمشفّر إلى نقطة العمل، مما يُؤدي إلى تقليل أخطاء آبي، وبالتالي تحسين أداء تحديد موضع نقطة العمل.

مكونات المحور

بالتدقيق في التصميم، نجد أن حلول المنصة على الجرانيت وحلول IGM تشترك في بعض المكونات الرئيسية، مثل المحركات الخطية وأجهزة التشفير الموضعي. ويؤدي اختيار مسار القوة والمغناطيس المشترك إلى قدرات إخراج قوة متكافئة. وبالمثل، يوفر استخدام نفس أجهزة التشفير في كلا التصميمين دقة عالية متطابقة لتغذية الراجعة الموضعية. ونتيجة لذلك، لا يختلف أداء الدقة الخطية وقابلية التكرار اختلافًا كبيرًا بين حلول المنصة على الجرانيت وحلول IGM. ويؤدي تصميم المكونات المتشابه، بما في ذلك فصل المحامل والتفاوتات المسموح بها، إلى أداء مماثل من حيث حركات الخطأ الهندسي (أي الاستقامة الأفقية والرأسية، والميل، والدوران، والانعراج). وأخيرًا، فإن العناصر الداعمة لكلا التصميمين، بما في ذلك إدارة الكابلات، والحدود الكهربائية، والمصدات الصلبة، متطابقة في وظيفتها بشكل أساسي، على الرغم من أنها قد تختلف قليلاً في المظهر الخارجي.

المحامل

في هذا التصميم تحديدًا، يتمثل أحد أبرز الاختلافات في اختيار محامل التوجيه الخطي. فمع أن محامل الكرات الدوارة تُستخدم في كلٍ من أنظمة المنصة على الجرانيت وأنظمة IGM، إلا أن نظام IGM يُتيح دمج محامل أكبر وأكثر صلابة في التصميم دون زيادة ارتفاع محور العمل. ولأن تصميم IGM يعتمد على الجرانيت كقاعدة له، بدلًا من قاعدة منفصلة مُصنّعة آليًا، فإنه يُمكن استغلال جزء من المساحة الرأسية التي كانت ستُشغلها القاعدة المُصنّعة آليًا، وملء هذه المساحة بمحامل أكبر مع تقليل الارتفاع الكلي للعربة فوق الجرانيت.

صلابة

يُحدث استخدام محامل أكبر في تصميم IGM تأثيرًا كبيرًا على الصلابة الزاوية. ففي حالة المحور السفلي (Y) ذي الجسم العريض، يوفر حل IGM صلابة دوران أكبر بنسبة تزيد عن 40%، وصلابة ميل أكبر بنسبة 30%، وصلابة انحراف أكبر بنسبة 20% مقارنةً بتصميم المنصة على الجرانيت. وبالمثل، يوفر جسر IGM زيادة أربعة أضعاف في صلابة الدوران، وضعف صلابة الميل، وصلابة انحراف أكبر بنسبة تزيد عن 30% مقارنةً بنظيره في المنصة على الجرانيت. وتُعد الصلابة الزاوية الأعلى ميزةً لأنها تُسهم بشكل مباشر في تحسين الأداء الديناميكي، وهو أمر أساسي لزيادة إنتاجية الآلة.

سعة التحميل

تتيح المحامل الأكبر حجماً في حل IGM قدرة حمولة أعلى بكثير من حل المنصة على الجرانيت. فعلى الرغم من أن المحور الأساسي PRO560LM في حل المنصة على الجرانيت يتحمل حمولة 150 كجم، إلا أن حل IGM المقابل يمكنه استيعاب حمولة تصل إلى 300 كجم. وبالمثل، يدعم محور الجسر PRO280LM في المنصة على الجرانيت حمولة 150 كجم، بينما يمكن لمحور الجسر في حل IGM حمل ما يصل إلى 200 كجم.

كتلة متحركة

بينما توفر المحامل الأكبر حجمًا في محاور IGM ذات المحامل الميكانيكية أداءً زاويًا أفضل وقدرة تحمل أكبر، إلا أنها تأتي أيضًا بعربات أكبر وأثقل. بالإضافة إلى ذلك، صُممت عربات IGM بحيث تُزال بعض الميزات المصنعة آليًا والضرورية لمحور المنصة على الجرانيت (ولكنها غير مطلوبة لمحور IGM) لزيادة صلابة القطعة وتبسيط عملية التصنيع. تعني هذه العوامل أن محور IGM يتمتع بكتلة متحركة أكبر من محور المنصة على الجرانيت المقابل. من عيوب IGM التي لا جدال فيها انخفاض التسارع الأقصى، بافتراض ثبات قوة خرج المحرك. مع ذلك، في بعض الحالات، قد تكون الكتلة المتحركة الأكبر مفيدة من منظور أن قصورها الذاتي الأكبر يوفر مقاومة أكبر للاضطرابات، مما قد يرتبط بزيادة استقرار الموضع.

الديناميكا الهيكلية

يُوفر نظام IGM، بفضل صلابة محامله العالية وهيكله الأكثر صلابة، مزايا إضافية تتضح بعد استخدام برنامج تحليل العناصر المحدودة (FEA) لإجراء تحليل نمطي. في هذه الدراسة، فحصنا الرنين الأول للعربة المتحركة نظرًا لتأثيره على نطاق تردد المؤازرة. تواجه عربة PRO560LM رنينًا عند 400 هرتز، بينما تواجه عربة IGM المقابلة النمط نفسه عند 430 هرتز. يوضح الشكل 3 هذه النتيجة.

يمكن عزو ارتفاع تردد الرنين في حل IGM، مقارنةً بالمنصة التقليدية على الجرانيت، جزئيًا إلى تصميم العربة والمحامل الأكثر صلابة. يتيح ارتفاع تردد الرنين في العربة نطاقًا تردديًا أوسع للمؤازر، وبالتالي أداءً ديناميكيًا أفضل.

بيئة التشغيل

يُعدّ إحكام إغلاق المحور شرطًا أساسيًا في أغلب الأحيان عند وجود ملوثات، سواءً كانت ناتجة عن عملية المستخدم أو موجودة في بيئة الآلة. وتُعتبر حلول المنصات على الجرانيت مناسبةً بشكل خاص في هذه الحالات نظرًا لطبيعة المحور المغلقة. فعلى سبيل المثال، تأتي المنصات الخطية من سلسلة PRO مزودة بأغطية صلبة وأختام جانبية تحمي مكونات المنصة الداخلية من التلوث إلى حد معقول. كما يمكن تجهيز هذه المنصات بماسحات سطحية اختيارية لإزالة الحطام من الغطاء الصلب العلوي أثناء حركة المنصة. من ناحية أخرى، تتميز منصات الحركة IGM بطبيعتها المفتوحة، حيث تكون المحامل والمحركات وأجهزة التشفير مكشوفة. ورغم أن هذا لا يُمثل مشكلة في البيئات النظيفة، إلا أنه قد يُصبح إشكاليًا عند وجود تلوث. ويمكن معالجة هذه المشكلة من خلال دمج غطاء خاص على شكل منفاخ في تصميم محور IGM لتوفير الحماية من الحطام. لكن إذا لم يتم تنفيذها بشكل صحيح، يمكن أن تؤثر المنفاخات سلبًا على حركة المحور من خلال إحداث قوى خارجية على العربة أثناء تحركها عبر نطاق حركتها الكامل.

صيانة

تُعدّ سهولة الصيانة عاملاً مُهمّاً للتمييز بين منصات الحركة المُثبّتة على الجرانيت ومنصات الحركة المُدمجة في الجرانيت. تُعرف محاور المحركات الخطية بمتانتها، ولكن قد تستدعي الحاجة أحياناً إجراء صيانة. بعض عمليات الصيانة بسيطة نسبياً ويمكن إنجازها دون إزالة أو تفكيك المحور المعني، بينما يتطلب الأمر أحياناً تفكيكاً أكثر شمولاً. عندما تتكون منصة الحركة من مراحل منفصلة مُثبّتة على الجرانيت، تُصبح الصيانة مهمة سهلة نسبياً. أولاً، يتم فك المرحلة من الجرانيت، ثم إجراء أعمال الصيانة اللازمة وإعادة تركيبها. أو ببساطة، استبدالها بمرحلة جديدة.

قد تكون حلول IGM أكثر صعوبة أحيانًا عند إجراء الصيانة. فعلى الرغم من أن استبدال مسار مغناطيسي واحد للمحرك الخطي أمر بسيط للغاية في هذه الحالة، إلا أن أعمال الصيانة والإصلاح الأكثر تعقيدًا غالبًا ما تتطلب تفكيكًا كاملًا للعديد من مكونات المحور أو جميعها، وهو ما يستغرق وقتًا أطول عندما تكون المكونات مثبتة مباشرة على الجرانيت. كما يصعب إعادة محاذاة المحاور المثبتة على الجرانيت مع بعضها البعض بعد إجراء الصيانة، وهي مهمة أسهل بكثير مع المراحل المنفصلة.

الجدول 1. ملخص للاختلافات التقنية الأساسية بين حلول المرحلة ذات المحمل الميكانيكي على الجرانيت وحلول IGM.

مقارنة اقتصادية

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

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

قطع غيار الآلات

يُوفر حل IGM وفورات ملحوظة مقارنةً بحلول المنصات على الجرانيت من حيث قطع غيار الماكينة. ويعود ذلك أساسًا إلى عدم احتواء IGM على قواعد منصات مُصنّعة بدقة على المحورين Y وX، والتي تُضيف تعقيدًا وتكلفةً إلى حلول المنصات على الجرانيت. علاوةً على ذلك، يُمكن عزو وفورات التكلفة إلى التبسيط النسبي للأجزاء المُصنّعة الأخرى في حل IGM، مثل العربات المتحركة، التي يُمكن أن تتميز بخصائص أبسط وتفاوتات أقل عند تصميمها للاستخدام في نظام IGM.

تجميعات الجرانيت

على الرغم من تشابه تصميم وشكل قاعدة ومنصة الجرانيت في كلٍ من نظام IGM ونظام المنصة على الجرانيت، إلا أن نظام IGM أغلى قليلاً. ويعود ذلك إلى أن الجرانيت في نظام IGM يحل محل قواعد المنصة المصنعة آلياً في نظام المنصة على الجرانيت، مما يتطلب دقة تصنيع أعلى في المناطق الحساسة، بالإضافة إلى ميزات إضافية كالقطع المبثوقة أو الحشوات الفولاذية الملولبة. مع ذلك، في دراستنا، تم تعويض التعقيد الإضافي لهيكل الجرانيت بفضل تبسيط أجزاء التصنيع.

العمالة والتكاليف العامة

نظراً للتشابه الكبير في تجميع واختبار كل من نظام IGM ونظام المرحلة على الجرانيت، فلا يوجد فرق كبير في تكاليف العمالة والتكاليف العامة.

بمجرد دمج كل عوامل التكلفة هذه، فإن حل IGM ذو المحمل الميكانيكي المحدد الذي تم فحصه في هذه الدراسة أقل تكلفة بنسبة 15٪ تقريبًا من حل المحمل الميكانيكي، والمرحلة على الجرانيت.

بطبيعة الحال، لا تعتمد نتائج التحليل الاقتصادي على خصائص مثل طول المسار والدقة وقدرة التحميل فحسب، بل تعتمد أيضاً على عوامل أخرى كاختيار مورد الجرانيت. إضافةً إلى ذلك، من الحكمة مراعاة تكاليف الشحن والخدمات اللوجستية المرتبطة بتوريد هيكل من الجرانيت. ويُعدّ اختيار مورد جرانيت مؤهل وقريب من موقع تركيب النظام النهائي مفيداً للغاية، خاصةً لأنظمة الجرانيت الضخمة، وإن كان ينطبق على جميع الأحجام، إذ يُسهم في تقليل التكاليف.

تجدر الإشارة أيضًا إلى أن هذا التحليل لا يأخذ في الحسبان تكاليف ما بعد التنفيذ. على سبيل المثال، لنفترض أنه أصبح من الضروري صيانة نظام الحركة عن طريق إصلاح أو استبدال أحد محاور الحركة. يمكن صيانة نظام المسرح على الجرانيت ببساطة عن طريق إزالة المحور المتضرر وإصلاحه/استبداله. وبفضل تصميم المسرح المعياري، يمكن إنجاز ذلك بسهولة وسرعة نسبيتين، على الرغم من ارتفاع التكلفة الأولية للنظام. مع أن أنظمة IGM يمكن الحصول عليها عمومًا بتكلفة أقل من نظيراتها من المسارح على الجرانيت، إلا أنها قد تكون أكثر صعوبة في الفك والصيانة نظرًا لطبيعة بنائها المتكاملة.

خاتمة

من الواضح أن كل نوع من أنواع تصميم منصات الحركة - سواءً كانت منصات على الجرانيت أو منصات IGM - يقدم مزايا فريدة. مع ذلك، ليس من السهل دائمًا تحديد الخيار الأمثل لتطبيق حركة معين. لذا، من المفيد جدًا التعاون مع مورد أنظمة حركة وأتمتة ذي خبرة، مثل شركة Aerotech، التي تقدم نهجًا استشاريًا يركز على التطبيق لاستكشاف وتقديم رؤى قيّمة حول بدائل الحلول لتطبيقات التحكم في الحركة والأتمتة المعقدة. إن فهم الفرق بين هذين النوعين من حلول الأتمتة، بالإضافة إلى الجوانب الأساسية للمشاكل التي يُطلب منها حلها، هو المفتاح الأساسي لاختيار نظام حركة يلبي الأهداف التقنية والمالية للمشروع.

من شركة AEROTECH.