Direktdriven motor kontra roterande plattform med genomgående hål: Så väljer du rätt lösning för roterande rörelser i automationsutrustning

Inom 3C-tillverkning, halvledarutrustning, precisionsinspektion, laserbearbetning, verktygsmaskiner och automatiserade monteringssystem handlar valet av roterande axel inte bara om att välja en motor.

Ett komplett roterande rörelsesystem måste ta hänsyn till vridmoment, hastighet, positioneringsnoggrannhet, lasttröghet, styvhet, svarstid, kabeldragning, installationsutrymme och långsiktig driftsstabilitet.

Det är därför utrustningskonstruktörer ofta står inför en grundläggande fråga:

Bör den roterande lasten drivas direkt av en direktdriven motor , eller bör en ihålig roterande plattform användas för att uppnå högre utgående vridmoment genom en integrerad precisionsreduceringsmekanism?

För vissa tillämpningar kan andra lösningar, såsom harmoniska roterande ställdon och precisionsplanetära reducerare, också övervägas.

Rätt tillvägagångssätt är inte att i förväg bestämma att en maskin måste använda en direktdriven motor eller en ihålig rotationsplattform. Istället bör rotationsrörelsens krav analyseras först, och sedan bör lämplig mekanisk arkitektur väljas.

Börja med att definiera vad den roterande axeln behöver uppnå

En roterande axel kan se liknande ut från utsidan, men dess faktiska funktion kan vara helt annorlunda beroende på maskinen.

Till exempel kan ett roterande steg i halvledarinspektionsutrustning kräva extremt stabil vinkelpositionering och höghastighetsskanning. Ett roterande bord med flera stationer i en 3C-monteringsmaskin kan lägga större vikt vid cykeltid, lastkapacitet och repeterbarhet. Ett laserbearbetningssystem kan kräva kontinuerlig rotation och exakt banstyrning, medan en fjärdeaxlig verktygsmaskin kan prioritera styvhet, lastkapacitet och motståndskraft mot skärkrafter.

Alla dessa system kräver roterande rörelse, men de kräver inte nödvändigtvis samma lösning.

Det första steget i valet av roterande axel bör därför vara att upprätta en komplett rörelseprofil.

Utrustningskonstruktören behöver förstå belastningen, tröghetsmomentet, den erforderliga rotationsvinkeln, den maximala hastigheten, accelerationstid, stabiliseringstid och dagliga driftstimmar.

När dessa parametrar är tydliga blir valet mellan en direktdriven motor och en ihålig roterande plattform mycket mer meningsfullt.

När hög dynamisk respons är prioriterad har direktdrivna motorer en klar fördel

Det grundläggande värdet med en direktdriven motor är att motorn är direkt ansluten till lasten.

Det finns ingen växellåda, kamrem eller mellanväxel mellan motorn och den drivna komponenten.

Denna arkitektur är särskilt lämplig för utrustning där själva rörelsebanan är kritisk.

Tänk dig ett roterande bord som behöver utföra upprepad höghastighetsskanning:

rotation, retardation, reversering och acceleration igen.

Ju kortare den mekaniska överföringsvägen är, desto mer direkt kan styrsystemet verka på lasten.

För högfrekvent fram- och återgående rörelse kan en direktdriven motor minska påverkan av mekaniskt glapp, elastisk deformation och transmissionsdynamik på rörelsestyrningen.

Detta är en av de främsta anledningarna till att direktdrivna motorer övervägs för högdynamiska precisionsrotationsaxlar.

Värdet av en direktdriven motor är dock inte bara att den ger "hög noggrannhet".

Ännu viktigare är att det gör att motorn, kodaren och lasten kan bilda ett mer direkt slutet rörelsestyrningssystem.

När en maskin kräver kontinuerlig skanning, höghastighetsindexering eller frekvent dubbelriktad rörelse kan denna arkitektur bli särskilt värdefull.

När stor tröghet, styvhet och modulär integration spelar roll kan en ihålig roterande plattform vara mer lämplig

Inte alla roterande axlar kräver extrem dynamisk prestanda.

Många automatiserade maskiner följer en relativt enkel rörelsesekvens:

Arbetsstycket kommer in i stationen, roterar till en specificerad vinkel, stannar, slutför montering eller inspektion och förflyttar sig sedan till nästa station.

I den här typen av utrustning kan de verkliga kraven vara:

stor lastkapacitet, hög tröghet, hög styvhet, central kabeldragning och kortare utvecklingstid för utrustning.

En ihålig roterande plattform kan vara en mer praktisk lösning i dessa situationer.

En ihålig roterande plattform integrerar vanligtvis motorgränssnittet, precisionsreduceringsmekanismen, utgångslagret och den ihåliga strukturen i en kompakt modul.

Istället för att designa hela:

• motormonteringsstruktur

• reduktionsmekanism

• utgående lager

• roterande stödsystem

Utrustningstillverkaren kan välja en lämplig plattform beroende på erforderlig belastning, hastighet, utväxlingsförhållande och installationsdimensioner.

Detta är särskilt värdefullt för automatiserad utrustning som behöver replikeras i stora mängder.

För utrustningstillverkare är den verkliga oron ofta inte bara komponentens inköpspris utan också:

• mekanisk designtid

• monteringstid

• driftsättningstid

• slutlig leveranstid för utrustning.

Ur detta perspektiv är en ihålig roterande plattform i huvudsak en modulär lösning för roterande rörelse.

Bedöm inte lösningen enbart utifrån noggrannhet

Ett vanligt misstag vid val av roterande axel är att anta:

"Ju högre noggrannhetskravet är, desto mer lämplig måste en direktdriven motor vara."

Detta är inte alltid sant.

Till exempel kan en 3C-monteringsmaskin med flera stationer behöva rotera till flera positioner och förbli stabil vid varje station.

Dess faktiska prioriteringar kan vara:

• repeterbarhet

• laststabilitet

• roterande styvhet

• cykeltid.

Om en ihålig roterande plattform redan kan uppfylla dessa krav, kan det finnas liten motivering för att öka systemets komplexitet enbart för att uppnå högre teoretisk dynamisk prestanda.

Å andra sidan, om maskinen behöver bibehålla mycket noggrann rörelse under kontinuerlig rotation, såsom skanning, visuell inspektion eller laserbearbetning, kan direktdrivningsarkitekturen hos en direktdriven motor erbjuda betydande fördelar.

Därför bör urvalsfrågan ändras från:

"Vilken produkt har högre noggrannhet?"

till:

"Utför den roterande axeln primärt positionering, eller utför den kontinuerlig rörelsekontroll?"

Det här är fundamentalt olika designkrav.

För rotationsbelastningar med hög tröghet, utvärdera hela rörelsesystemet

Anta att en automatiserad maskin behöver driva ett relativt stort roterande bord.

Bordet i sig kanske inte är extremt tungt, men eftersom en betydande del av massan är belägen bort från rotationscentrum kan dess tröghetsmoment bli betydande.

I den här situationen räcker det inte att bara titta på motorns nominella vridmoment.

Systemet bör utvärderas baserat på:

lasttröghet, acceleration, accelerationstid och målcykeltid.

En direktdriven motor måste generera det erforderliga accelerationsmomentet direkt, så motorstorleken kan öka snabbt när lastens tröghet ökar.

En ihålig roterande plattform kan använda en reduktionsmekanism för att minska den reflekterade lasttrögheten på motorsidan samtidigt som det ökar utgångsmomentet.

Därför bör motorn, reduktionsmekanismen, lagersystemet och utgångsstrukturen utvärderas som ett integrerat system för stora roterande bord, tunga fixturer och roterande mekanismer med flera stationer.

Detta är en av anledningarna till att ihåliga roterande plattformar fortfarande är mycket konkurrenskraftiga inom många automationsapplikationer.

En ihålig struktur är mer än bekväm kabeldragning

Den ihåliga strukturen hos en roterande plattform behandlas ibland som en sekundär egenskap.

I automationsutrustning kan det dock direkt påverka den övergripande mekaniska arkitekturen.

Föreställ dig ett roterande steg som behöver dirigera:

• strömkablar

• kodarkablar

• pneumatiska slangar

• vakuumledningar

• sensorkabeldragning

Med en solid roterande axel kan dessa ledningar behöva dras runt utsidan.

Eftersom plattformen roterar kontinuerligt kan ytterligare komponenter som kabelhållare, roterande kopplingar eller kabelskyddsmekanismer krävas.

En ihålig struktur gör att dessa linjer kan passera genom rotationsaxelns centrum.

Detta kan minska kabelstörningar samtidigt som utrustningen blir mer kompakt.

Därför är en ihålig struktur inte bara ytterligare en specifikation för roterande bord med flera stationer, automatiserad monteringsutrustning, inspektionsplattformar och roterande fixturer. Det kan vara en viktig mekanisk designfördel.

Rätt lösning bör utvärderas under hela utrustningens livscykel

Om bara det ursprungliga inköpspriset beaktas kan en lösning verka billigare.

För utrustningstillverkare är dock den mer meningsfulla beräkningen den totala livscykelkostnaden.

Till exempel kan en ramlös direktdriven motor kräva ytterligare ingenjörsarbete för att designa:

• lagersystemet

• rotorstöd

• kodare monteringsstruktur

• mekanisk uppriktning.

Den initiala maskintekniska investeringen kan därför bli högre.

För utrustning med hög volym kan dock denna arkitektur ge tillräcklig rörelseprestanda för att motivera den extra tekniska insatsen.

En ihålig roterande plattform kan å andra sidan avsevärt minska det mekaniska utvecklingsarbetet.

En standardiserad modul kan förkorta design-, monterings- och driftsättningstiden.

För en utrustningstillverkare kanske detta värde inte visas direkt i komponentens inköpspris. Det kan istället visas som:

• kortare utvecklingscykler

• snabbare leverans

• lägre ingenjörskostnader.

Av denna anledning bör en verklig lösningsjämförelse beakta:

Komponentkostnad + Ingenjörskostnad + Monteringskostnad + Idrifttagningskostnad + Underhållskostnad

snarare än att bara jämföra inköpspriserna för två komponenter.

Olika rotationsaxlar kan använda olika lösningar

En komplex maskin behöver inte nödvändigtvis använda samma rotationsteknik för varje axel.

Till exempel kan en 3C-automationsmaskin innehålla:

en höghastighets-visionsskanningsaxel, en roterande axel för flera stationer, en precisionspositioneringsaxel och flera hjälproterande axlar.

Dessa axlar har helt olika rörelsekrav.

En höghastighetsskanningsaxel kan dra nytta av en direktdriven motor.

En roterande axel som ansvarar för att driva ett bord med stor tröghet eller en indexeringsmekanism med flera stationer kan vara bättre lämpad för en ihålig roterande plattform.

En robotstyrd roterande koppling som arbetar i ett begränsat installationsutrymme kan kräva ett harmoniskt drivställdon eller en harmonisk kopplingsmodul för att uppnå högt reduktionsförhållande och hög momenttäthet.

För transmissionsaxlar där effektivitet, hastighet och kostnad behöver balanseras kan en precisionsplanetarisk reducerare i kombination med en servomotor vara ett annat praktiskt alternativ.

Denna metod ligger närmare verklig maskindesign.

Målet är inte att använda en produkt för varje rotationsaxel, utan att välja den lämpligaste rörelselösningen för varje axel beroende på dess driftsförhållanden.

Välj den roterande lösningen genom att arbeta bakåt från maskinkraven

Urvalsprocessen kan förenklas genom att börja med några grundläggande frågor.

För det första, kräver utrustningen direkt rörelsekontroll eller momentmultiplikation genom reduktion?

Om hög dynamisk respons, kontinuerlig skanning och snabb respons är avgörande bör en direktdriven motor utvärderas.

Om högt utgående vridmoment och stor lastkapacitet är viktigare kan en ihålig roterande plattform vara mer lämplig.

För det andra, kräver maskinen central kabeldragning?

Om pneumatiska slangar, kablar, vakuumledningar eller sensorer behöver passera genom rotationsaxeln blir värdet av en ihålig struktur mycket större.

För det tredje, har den roterande axeln en stor lasttröghet eller extern belastning?

Om systemet utsätts för betydande radiella belastningar, axiella belastningar eller tippmoment måste utgångslagret och den mekaniska styvheten utvärderas noggrant snarare än att bara titta på motormomentet.

Slutligen bör även utrustningstillverkarens egen tekniska kapacitet och leveranskrav beaktas.

Om ingenjörsteamet behöver en mycket anpassad rotationsaxel ger en ramlös direktdriven motor större frihet för mekanisk integration.

Om målet är att snabbt utveckla standardiserad utrustning kan en ihålig roterande plattform minska en avsevärd mängd mekanisk design och driftsättningsarbete.

Direktdriven motor, ihålig rotationsplattform och andra tekniker kan skapa en komplett rörelselösning

Ur ett maskinlösningsperspektiv bör direktdrivna motorer och ihåliga roterande plattformar inte behandlas som isolerade produkter.

De kan komplettera andra rörelsetekniker.

För högdynamiska precisionsrotationsaxlar kan en direktdriven motor ge direkt laststyrning.

För automatiserade roterande mekanismer som kräver hög styvhet, stor tröghetskapacitet och central kabeldragning kan en ihålig roterande plattform erbjuda en mycket integrerad lösning.

För robotfogar som kräver ett högt reduktionsförhållande, hög momenttäthet och kompakta dimensioner kan ett harmoniskt drivställdon eller en harmonisk fogmodul vara mer lämpligt.

För transmissionssystem som kräver en balans mellan effektivitet, ingångshastighet, utgångsmoment och kostnad kan en precisionsplanetarisk reducerare erbjuda en annan praktisk lösning.

Tillsammans bildar dessa teknologier en bredare:

Lösning för roterande rörelse

snarare än bara en samling av enskilda komponenter.

Slutsats: Det finns ingen enskild bästa lösning för roterande axel

Direktdrivna motorer och ihåliga roterande plattformar bör inte enbart ses som konkurrerande produkter.

De löser olika tekniska problem.

En direktdriven motor är särskilt lämplig för roterande axlar som prioriterar direktdrivning, hög dynamisk respons, kontinuerlig rörelse och exakt rörelsekontroll.

En ihålig roterande plattform är särskilt lämplig för automatiserad utrustning som kräver momentmultiplikation, hög styvhet, lasthantering med stor tröghet, central kabeldragning och snabb modulär integration.

I mer komplexa maskiner kan direktdrivna motorer, ihåliga rotationsplattformar, harmoniska rotationsställdon och precisionsplanetära reducerare användas inom samma system.

Därför är den mer användbara frågan för en utrustningsingenjör inte:

"Vilket är bättre, en direktdriven motor eller en ihålig roterande plattform?"

Den bättre frågan är:

"Vilket problem behöver egentligen denna roterande axel lösa?"

När kraven för belastning, tröghet, hastighet, noggrannhet, styvhet, cykeltid, installationsutrymme och kabeldragning är tydligt definierade blir den lämpliga roterande lösningen mycket lättare att identifiera.

Detta är också den inriktning som HONPINE kan betona i sin portfölj av rörelseprodukter: att inte bara leverera en enda transmissionskomponent, utan att hjälpa kunder att välja lämplig rotationslösning beroende på deras utrustnings faktiska driftsförhållanden.