La selecció de la plataforma de moviment lineal basada en granit més adequada per a una aplicació determinada depèn d'una sèrie de factors i variables. És crucial reconèixer que cada aplicació té el seu propi conjunt únic de requisits que s'han d'entendre i prioritzar per tal de buscar una solució eficaç pel que fa a una plataforma de moviment.
Una de les solucions més omnipresents consisteix a muntar escenaris de posicionament discrets sobre una estructura de granit. Una altra solució comuna integra els components que formen els eixos de moviment directament al granit. L'elecció entre un escenari sobre granit i una plataforma de moviment integrat de granit (IGM) és una de les primeres decisions que s'han de prendre en el procés de selecció. Hi ha distincions clares entre els dos tipus de solucions i, per descomptat, cadascun té els seus propis mèrits (i advertències) que cal entendre i considerar acuradament.
Per oferir una millor comprensió d'aquest procés de presa de decisions, avaluem les diferències entre dos dissenys fonamentals de plataformes de moviment lineal (una solució tradicional d'escenari sobre granit i una solució IGM) des de perspectives tant tècniques com financeres en forma d'un estudi de cas de suport mecànic.
Fons
Per explorar les similituds i diferències entre els sistemes IGM i els sistemes tradicionals d'escenari sobre granit, vam generar dos dissenys de casos de prova:
- Coixinet mecànic, escenari sobre granit
- Rodament mecànic, IGM
En ambdós casos, cada sistema consta de tres eixos de moviment. L'eix Y ofereix 1000 mm de recorregut i està situat a la base de l'estructura de granit. L'eix X, situat al pont del conjunt amb 400 mm de recorregut, porta l'eix Z vertical amb 100 mm de recorregut. Aquesta disposició es representa pictogràficament.
Per al disseny de la plataforma sobre granit, vam seleccionar una plataforma de cos ample PRO560LM per a l'eix Y a causa de la seva major capacitat de càrrega, habitual en moltes aplicacions de moviment que utilitzen aquesta disposició de "pont dividit Y/XZ". Per a l'eix X, vam triar una PRO280LM, que s'utilitza habitualment com a eix pont en moltes aplicacions. La PRO280LM ofereix un equilibri pràctic entre la seva petjada i la seva capacitat de transportar un eix Z amb la càrrega útil del client.
Per als dissenys IGM, vam replicar fidelment els conceptes i dissenys fonamentals dels eixos anteriors, amb la principal diferència que els eixos IGM estan integrats directament a l'estructura de granit i, per tant, no tenen les bases de components mecanitzats presents en els dissenys d'escenari sobre granit.
En ambdós casos de disseny és comú l'eix Z, que es va triar per ser una platina accionada per cargol de boles PRO190SL. Aquest és un eix molt popular per utilitzar en orientació vertical en un pont a causa de la seva generosa capacitat de càrrega útil i el seu factor de forma relativament compacte.
La figura 2 il·lustra els sistemes específics d'etapa sobre granit i IGM estudiats.
Comparació tècnica
Els sistemes IGM es dissenyen utilitzant una varietat de tècniques i components similars als que es troben en els dissenys tradicionals d'escenari sobre granit. Com a resultat, hi ha nombroses propietats tècniques en comú entre els sistemes IGM i els sistemes d'escenari sobre granit. Per contra, la integració dels eixos de moviment directament a l'estructura de granit ofereix diverses característiques distintives que diferencien els sistemes IGM dels sistemes d'escenari sobre granit.
Factor de forma
Potser la similitud més òbvia comença amb la base de la màquina: el granit. Tot i que hi ha diferències en les característiques i toleràncies entre els dissenys d'escenari sobre granit i IGM, les dimensions totals de la base de granit, els contrapesos i el pont són equivalents. Això es deu principalment al fet que els recorreguts nominals i límit són idèntics entre l'escenari sobre granit i l'IGM.
Construcció
La manca de bases d'eixos de components mecanitzats en el disseny IGM proporciona certs avantatges respecte a les solucions de platina sobre granit. En particular, la reducció de components en el bucle estructural de l'IGM ajuda a augmentar la rigidesa general de l'eix. També permet una distància més curta entre la base de granit i la superfície superior del carro. En aquest cas d'estudi concret, el disseny IGM ofereix una alçada de la superfície de treball un 33% inferior (80 mm en comparació amb 120 mm). Aquesta alçada de treball més petita no només permet un disseny més compacte, sinó que també redueix els desplaçaments de la màquina des del motor i l'encoder fins al punt de treball, la qual cosa resulta en una reducció dels errors d'Abbe i, per tant, en un millor rendiment de posicionament del punt de treball.
Components de l'eix
Si analitzem més a fons el disseny, les solucions d'escenari sobre granit i IGM comparteixen alguns components clau, com ara motors lineals i encoders de posició. La selecció comuna de forçadors i vies magnètiques condueix a unes capacitats de força de sortida equivalents. De la mateixa manera, l'ús dels mateixos encoders en ambdós dissenys proporciona una resolució idènticament fina per a la retroalimentació de posicionament. Com a resultat, la precisió lineal i el rendiment de repetibilitat no són significativament diferents entre les solucions d'escenari sobre granit i IGM. Una disposició similar dels components, inclosa la separació i la tolerància dels coixinets, condueix a un rendiment comparable pel que fa als moviments d'error geomètric (és a dir, rectitud horitzontal i vertical, inclinació, balanceig i guinyada). Finalment, els elements de suport d'ambdós dissenys, inclosa la gestió de cables, els límits elèctrics i els topalls durs, són fonamentalment idèntics en funció, tot i que poden variar una mica en l'aspecte físic.
Rodaments
Per a aquest disseny en particular, una de les diferències més notables és la selecció de rodaments de guia lineal. Tot i que els rodaments de boles de recirculació s'utilitzen tant en sistemes d'escenari sobre granit com en IGM, el sistema IGM permet incorporar rodaments més grans i rígids al disseny sense augmentar l'alçada de treball de l'eix. Com que el disseny IGM es basa en el granit com a base, en lloc d'una base de components mecanitzats separada, és possible recuperar part de l'espai vertical que d'altra manera consumiria una base mecanitzada i, essencialment, omplir aquest espai amb rodaments més grans alhora que es redueix l'alçada total del carro per sobre del granit.
Rigidesa
L'ús de coixinets més grans en el disseny IGM té un impacte profund en la rigidesa angular. En el cas de l'eix inferior (Y) de cos ample, la solució IGM ofereix més d'un 40% més de rigidesa al rodament, un 30% més de rigidesa al pas i un 20% més de rigidesa a la guinyada que un disseny corresponent d'etapa sobre granit. De la mateixa manera, el pont de l'IGM ofereix un augment de quatre vegades en la rigidesa al rodament, el doble de la rigidesa al pas i més d'un 30% més de rigidesa a la guinyada que la seva contrapart d'etapa sobre granit. Una major rigidesa angular és avantatjosa perquè contribueix directament a un millor rendiment dinàmic, que és clau per permetre un major rendiment de la màquina.
Capacitat de càrrega
Els rodaments més grans de la solució IGM permeten una capacitat de càrrega útil substancialment més alta que una solució d'escenari sobre granit. Tot i que l'eix base PRO560LM de la solució d'escenari sobre granit té una capacitat de càrrega de 150 kg, la solució IGM corresponent pot allotjar una càrrega útil de 300 kg. De la mateixa manera, l'eix pont PRO280LM de l'escenari sobre granit suporta 150 kg, mentre que l'eix pont de la solució IGM pot transportar fins a 200 kg.
Massa en moviment
Tot i que els coixinets més grans dels eixos IGM amb coixinets mecànics ofereixen millors atributs de rendiment angular i una major capacitat de càrrega, també vénen amb carros més grans i pesants. A més, els carros IGM estan dissenyats de manera que certes característiques mecanitzades necessàries per a un eix d'escenari sobre granit (però no requerides per un eix IGM) s'eliminen per augmentar la rigidesa de la peça i simplificar la fabricació. Aquests factors signifiquen que l'eix IGM té una massa mòbil més gran que un eix d'escenari sobre granit corresponent. Un inconvenient indiscutible és que l'acceleració màxima de l'IGM és menor, suposant que la força de sortida del motor no canvia. Tot i això, en determinades situacions, una massa mòbil més gran pot ser avantatjosa des de la perspectiva que la seva inèrcia més gran pot proporcionar una major resistència a les pertorbacions, cosa que es pot correlacionar amb una major estabilitat en posició.
Dinàmica estructural
La major rigidesa del rodament del sistema IGM i el carro més rígid proporcionen beneficis addicionals que són evidents després d'utilitzar un paquet de programari d'anàlisi d'elements finits (FEA) per realitzar una anàlisi modal. En aquest estudi, hem examinat la primera ressonància del carro en moviment a causa del seu efecte sobre l'amplada de banda del servo. El carro PRO560LM troba una ressonància a 400 Hz, mentre que el carro IGM corresponent experimenta el mateix mode a 430 Hz. La figura 3 il·lustra aquest resultat.
La major ressonància de la solució IGM, en comparació amb l'etapa tradicional sobre granit, es pot atribuir en part al disseny més rígid del carro i els coixinets. Una major ressonància del carro permet tenir un major ample de banda del servo i, per tant, un millor rendiment dinàmic.
Entorn operatiu
La segellabilitat dels eixos és gairebé sempre obligatòria quan hi ha contaminants presents, ja siguin generats a través del procés de l'usuari o existents a l'entorn de la màquina. Les solucions de platina sobre granit són particularment adequades en aquestes situacions a causa de la naturalesa inherentment tancada de l'eix. Les platines lineals de la sèrie PRO, per exemple, vénen equipades amb cobertes dures i segells laterals que protegeixen els components interns de la platina de la contaminació en una mesura raonable. Aquestes platines també es poden configurar amb netejadors de taula opcionals per escombrar les restes de la coberta dura superior a mesura que la platina es desplaça. D'altra banda, les plataformes de moviment IGM són inherentment obertes per naturalesa, amb els rodaments, els motors i els encoders exposats. Tot i que no és un problema en entorns més nets, això pot ser problemàtic quan hi ha contaminació. És possible solucionar aquest problema incorporant una coberta de via especial tipus manxa en un disseny d'eix IGM per proporcionar protecció contra les restes. Però si no s'implementa correctament, la manxa pot influir negativament en el moviment de l'eix impartint forces externes al carro mentre es mou per tot el seu rang de recorregut.
Manteniment
La facilitat de manteniment és un diferenciador entre les plataformes de moviment sobre granit i les IGM. Els eixos de motor lineal són coneguts per la seva robustesa, però de vegades cal realitzar-ne el manteniment. Algunes operacions de manteniment són relativament senzilles i es poden dur a terme sense treure ni desmuntar l'eix en qüestió, però de vegades cal un desmuntatge més complet. Quan la plataforma de moviment consisteix en plataformes discretes muntades sobre granit, el manteniment és una tasca raonablement senzilla. Primer, desmunteu la plataforma del granit, després realitzeu els treballs de manteniment necessaris i torneu-la a muntar. O simplement substituïu-la per una plataforma nova.
Les solucions IGM de vegades poden ser més difícils a l'hora de realitzar el manteniment. Tot i que la substitució d'una sola pista magnètica del motor lineal és molt senzilla en aquest cas, el manteniment i les reparacions més complicades sovint impliquen desmuntar completament molts o tots els components que formen l'eix, cosa que requereix més temps quan els components es munten directament sobre granit. També és més difícil realinear els eixos basats en granit entre si després de realitzar el manteniment, una tasca que és considerablement més senzilla amb etapes discretes.
Taula 1. Resum de les diferències tècniques fonamentals entre les solucions de plataforma de suport mecànic sobre granit i les IGM.
| Descripció | Sistema Stage-on-Granite, Coixinet Mecànic | Sistema IGM, coixinet mecànic | |||
| Eix base (Y) | Eix del pont (X) | Eix base (Y) | Eix del pont (X) | ||
| Rigidesa normalitzada | Vertical | 1.0 | 1.0 | 1.2 | 1.1 |
| Lateral | 1.5 | ||||
| Tona | 1.3 | 2.0 | |||
| Rotlle | 1.4 | 4.1 | |||
| Guinyada | 1.2 | 1.3 | |||
| Capacitat de càrrega útil (kg) | 150 | 150 | 300 | 200 | |
| Massa en moviment (kg) | 25 | 14 | 33 | 19 | |
| Alçada del taulell (mm) | 120 | 120 | 80 | 80 | |
| Segellabilitat | La tapa dura i els segells laterals ofereixen protecció contra les deixalles que entren a l'eix. | L'IGM sol ser un disseny obert. El segellat requereix l'addició d'una tapa de manxa o similar. | |||
| Servei | Les etapes dels components es poden treure i es poden reparar o substituir fàcilment. | Els destrals estan inherentment integrats a l'estructura de granit, cosa que dificulta el manteniment. | |||
Comparació econòmica
Tot i que el cost absolut de qualsevol sistema de moviment variarà en funció de diversos factors, com ara la longitud de recorregut, la precisió de l'eix, la capacitat de càrrega i les capacitats dinàmiques, les comparacions relatives de sistemes de moviment IGM anàlegs i d'escenari sobre granit realitzades en aquest estudi suggereixen que les solucions IGM són capaces d'oferir un moviment de precisió mitjana a alta a costos moderadament inferiors a els seus homòlegs d'escenari sobre granit.
El nostre estudi econòmic consta de tres components fonamentals del cost: les peces de la màquina (incloses tant les peces fabricades com els components comprats), el muntatge del granit i la mà d'obra i les despeses generals.
peces de màquina
Una solució IGM ofereix un estalvi notable respecte a una solució d'escenari sobre granit pel que fa a les peces de la màquina. Això es deu principalment a la manca de bases d'escenari mecanitzades de manera complexa a l'IGM als eixos Y i X, cosa que afegeix complexitat i cost a les solucions d'escenari sobre granit. A més, l'estalvi de costos es pot atribuir a la simplificació relativa d'altres peces mecanitzades de la solució IGM, com ara els carros mòbils, que poden tenir característiques més senzilles i toleràncies una mica més relaxades quan es dissenyen per al seu ús en un sistema IGM.
Conjunts de granit
Tot i que els conjunts de base-contraxas-pont de granit, tant en el sistema IGM com en el sistema d'escenari sobre granit, semblen tenir un factor de forma i un aspecte similars, el conjunt de granit IGM és lleugerament més car. Això es deu al fet que el granit de la solució IGM substitueix les bases d'escenari mecanitzades en la solució d'escenari sobre granit, cosa que requereix que el granit tingui toleràncies generalment més estrictes a les regions crítiques, i fins i tot característiques addicionals, com ara talls extrudits i/o insercions d'acer roscades, per exemple. Tanmateix, en el nostre estudi de cas, la complexitat afegida de l'estructura de granit es veu més que compensada per la simplificació de les parts de la màquina.
Treball i despeses generals
A causa de les moltes similituds en el muntatge i les proves tant dels sistemes IGM com dels sistemes stage-on-granite, no hi ha una diferència significativa en els costos laborals i generals.
Un cop combinen tots aquests factors de cost, la solució específica d'IGM amb suport mecànic examinada en aquest estudi és aproximadament un 15% menys costosa que la solució amb suport mecànic i plataforma sobre granit.
Per descomptat, els resultats de l'anàlisi econòmica no només depenen d'atributs com la longitud del recorregut, la precisió i la capacitat de càrrega, sinó també de factors com la selecció del proveïdor de granit. A més, és prudent tenir en compte els costos d'enviament i logística associats a l'adquisició d'una estructura de granit. Especialment útil per a sistemes de granit molt grans, tot i que és cert per a totes les mides, triar un proveïdor de granit qualificat més a prop de la ubicació del muntatge final del sistema també pot ajudar a minimitzar els costos.
També cal tenir en compte que aquesta anàlisi no considera els costos posteriors a la implementació. Per exemple, suposem que cal donar servei al sistema de moviment reparant o substituint un eix de moviment. Un sistema d'escenari sobre granit es pot donar servei simplement eliminant i reparant/substituint l'eix afectat. A causa del disseny d'estil d'escenari més modular, això es pot fer amb relativa facilitat i rapidesa, malgrat el cost inicial del sistema més elevat. Tot i que els sistemes IGM generalment es poden obtenir a un cost inferior que els seus homòlegs d'escenari sobre granit, poden ser més difícils de desmuntar i mantenir a causa de la naturalesa integrada de la construcció.
Conclusió
Clarament, cada tipus de disseny de plataforma de moviment (escenari sobre granit i IGM) pot oferir beneficis diferents. Tanmateix, no sempre és obvi quina és l'opció més ideal per a una aplicació de moviment en particular. Per tant, és molt beneficiós associar-se amb un proveïdor experimentat de sistemes de moviment i automatització, com ara Aerotech, que ofereix un enfocament consultiu clarament centrat en l'aplicació per explorar i proporcionar informació valuosa sobre alternatives de solució per a aplicacions desafiadores de control de moviment i automatització. Comprendre no només la diferència entre aquestes dues varietats de solucions d'automatització, sinó també els aspectes fonamentals dels problemes que han de resoldre, és la clau subjacent per a l'èxit a l'hora d'escollir un sistema de moviment que abordi tant els objectius tècnics com els financers del projecte.
D'AEROTECH.
Data de publicació: 31 de desembre de 2021