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 de requisits únics que s'han d'entendre i prioritzar per buscar una solució eficaç en termes d'una plataforma de moviment.
Una de les solucions més omnipresents consisteix en muntar etapes de posicionament discretes sobre una estructura de granit.Una altra solució comuna integra els components que formen els eixos de moviment directament en el propi granit.Escollir entre una plataforma d'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 ambdós tipus de solucions i, per descomptat, cadascuna té els seus propis mèrits i advertències que s'han d'entendre i considerar acuradament.
Per oferir una millor visió 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, tant des de les perspectives tècniques com financeres en forma d'una solució mecànica. estudi de cas de rodaments.
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, etapa sobre granit
- Coixinet mecànic, IGM
En ambdós casos, cada sistema consta de tres eixos de moviment.L'eix Y ofereix 1000 mm de recorregut i es troba 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 d'escenari sobre granit, vam seleccionar una etapa de cos ample PRO560LM per a l'eix Y a causa de la seva capacitat de càrrega més gran, comuna per a moltes aplicacions de moviment que utilitzen aquesta disposició de "pont dividit Y/XZ".Per a l'eix X, vam triar un PRO280LM, que s'utilitza habitualment com a eix pont en moltes aplicacions.El PRO280LM ofereix un equilibri pràctic entre la seva empremta i la seva capacitat per portar un eix Z amb una càrrega útil del client.
Per als dissenys IGM, vam replicar de prop els conceptes i dissenys fonamentals dels eixos anteriors, amb la diferència principal que els eixos IGM estan construïts directament a l'estructura de granit i, per tant, no tenen les bases de components mecanitzats presents a l'etapa. - Dissenys de granit.
Comú en ambdós casos de disseny és l'eix Z, que va ser escollit per ser una etapa accionada per cargol de boles PRO190SL.Aquest és un eix molt popular per utilitzar en l'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'escenari sobre granit i IGM estudiats.
Comparació tècnica
Els sistemes IGM es dissenyen utilitzant una varietat de tècniques i components que són 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, les elevacions i el pont són equivalents.Això es deu principalment perquè els viatges nominals i límit són idèntics entre l'etapa sobre granit i l'IGM.
Construcció
La manca de bases d'eix de components mecanitzats en el disseny IGM ofereix certs avantatges respecte a les solucions d'escenari 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 particular, el disseny IGM ofereix una alçada de la superfície de treball un 33% menor (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 el codificador fins al punt de treball, donant lloc a errors d'Abbe reduïts i, per tant, un millor rendiment de posicionament del punt de treball.
Components de l'eix
Aprofundint en el disseny, les solucions d'escenari sobre granit i IGM comparteixen alguns components clau, com ara motors lineals i codificadors de posició.La selecció de pista d'imants i forçador comuna condueix a capacitats de sortida de força equivalents.De la mateixa manera, utilitzar els mateixos codificadors en ambdós dissenys proporciona una resolució idèntica per a la retroalimentació de posicionament.Com a resultat, la precisió lineal i el rendiment de repetibilitat no és significativament diferent entre les solucions d'escenari sobre granit i IGM.La disposició de components similar, inclosa la separació i la tolerància dels coixinets, condueix a un rendiment comparable en termes de moviments d'error geomètric (és a dir, rectitud horitzontal i vertical, cabeceig, gir i guiñada).Finalment, els elements de suport dels dos dissenys, inclosa la gestió de cables, els límits elèctrics i els frens durs, són fonamentalment idèntics en funció, tot i que poden variar una mica en aspecte físic.
Coixinets
Per a aquest disseny en particular, una de les diferències més notables és la selecció de coixinets de guia lineal.Tot i que els coixinets de boles de recirculació s'utilitzen tant en sistemes d'escenari sobre granit com IGM, el sistema IGM permet incorporar coixinets més grans i rígids al disseny sense augmentar l'alçada de treball de l'eix.Com que el disseny de l'IGM es basa en el granit com a base, a diferència d'una base de components mecanitzat separada, és possible recuperar part de l'immoble vertical que, d'altra manera, seria consumit per una base mecanitzada i, essencialment, omplir aquest espai amb més grans. coixinets tot reduint l'alçada total del carro per sobre del granit.
Rigidesa
L'ús de coixinets més grans en el disseny IGM té un profund impacte en la rigidesa angular.En el cas de l'eix inferior de cos ample (Y), la solució IGM ofereix més d'un 40% més de rigidesa de rodatge, un 30% més de rigidesa de pas i un 20% més de rigidesa de guiñada que un disseny d'etapa sobre granit corresponent.De la mateixa manera, el pont de l'IGM ofereix un augment de quatre vegades en la rigidesa del rodet, el doble de la rigidesa del pas i més d'un 30% més de rigidesa de guiñada que el seu homòleg d'etapa sobre granit.Una major rigidesa angular és avantatjosa perquè contribueix directament a millorar el rendiment dinàmic, que és clau per permetre un major rendiment de la màquina.
Capacitat de càrrega
Els coixinets més grans de la solució IGM permeten una capacitat de càrrega útil substancialment més gran que una solució de 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 acomodar una càrrega útil de 300 kg.De la mateixa manera, l'eix del pont PRO280LM de l'escenari sobre granit suporta 150 kg, mentre que l'eix del pont de la solució IGM pot transportar fins a 200 kg.
Missa en moviment
Tot i que els coixinets més grans dels eixos IGM de coixinets mecànics ofereixen millors atributs de rendiment angular i una major capacitat de càrrega, també vénen amb camions més grans i pesats.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 les peces i simplificar la fabricació.Aquests factors fan que l'eix IGM tingui 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 sortida de la força del motor no canvia.No obstant això, en determinades situacions, una massa en moviment més gran pot ser avantatjosa des de la perspectiva que la seva inèrcia més gran pot proporcionar una major resistència a les pertorbacions, que es pot correlacionar amb una major estabilitat en posició.
Dinàmica estructural
La major rigidesa del coixinet i el carro més rígid del sistema IGM ofereixen avantatges addicionals que es veuen després d'utilitzar un paquet de programari d'anàlisi d'elements finits (FEA) per realitzar una anàlisi modal.En aquest estudi, vam examinar la primera ressonància del carro mòbil 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 ressonància més alta de la solució IGM, en comparació amb l'escenari tradicional sobre granit, es pot atribuir en part al disseny més rígid del carro i del coixinet.Una ressonància del carro més gran permet tenir un ample de banda més gran del servo i, per tant, un rendiment dinàmic millorat.
Entorn de funcionament
La segellabilitat dels eixos és gairebé sempre obligatòria quan hi ha contaminants, ja siguin generats pel procés de l'usuari o existents d'una altra manera a l'entorn de la màquina.Les solucions d'escenari sobre granit són especialment adequades en aquestes situacions a causa de la naturalesa inherentment tancada de l'eix.Les etapes lineals de la sèrie PRO, per exemple, estan equipades amb cobertes dures i segells laterals que protegeixen els components interns de l'escenari de la contaminació en una mesura raonable.Aquestes etapes també es poden configurar amb netejadors de sobretaula opcionals per escombrar els residus de la coberta dura superior a mesura que l'escenari travessa.D'altra banda, les plataformes de moviment IGM són de naturalesa inherentment oberta, amb els coixinets, motors i codificadors exposats.Tot i que no és un problema en entorns més nets, això pot ser problemàtic quan hi ha contaminació.És possible abordar aquest problema incorporant una coberta especial d'estil de manxa en un disseny d'eix IGM per proporcionar protecció contra els residus.Però si no s'implementa correctament, la manxa pot influir negativament en el moviment de l'eix, impartint forces externes al carro a mesura que es mou a través del seu rang de recorregut complet.
Manteniment
La facilitat de servei és un diferenciador entre les plataformes de moviment d'escenari sobre granit i IGM.Els eixos de motor lineal són coneguts per la seva robustesa, però de vegades es fa necessari realitzar un manteniment.Algunes operacions de manteniment són relativament senzilles i es poden realitzar sense treure o desmuntar l'eix en qüestió, però de vegades es requereix un desmuntatge més exhaustiu.Quan la plataforma de moviment consta d'etapes discretes muntades sobre granit, el manteniment és una tasca raonablement senzilla.Primer, desmunteu l'escenari del granit, després feu els treballs de manteniment necessaris i torneu-lo a muntar.O simplement substituïu-lo per una nova etapa.
Les solucions IGM poden ser de vegades més difícils a l'hora de realitzar el manteniment.Tot i que substituir una pista imant única del motor lineal és molt senzill en aquest cas, el manteniment i les reparacions més complicats solen implicar el desmuntatge total de molts o tots els components que formen l'eix, cosa que consumeix més temps quan els components es munten directament al granit.També és més difícil alinear els eixos basats en granit entre si després de realitzar el manteniment, una tasca que és considerablement més senzilla amb etapes discretes.
Taula 1. Un resum de les diferències tècniques fonamentals entre les solucions de suport mecànic sobre granit i les solucions IGM.
| Descripció | Sistema d'etapa sobre granit, coixinet mecànic | Sistema IGM, rodament 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 | ||||
| Brea | 1.3 | 2.0 | |||
| Rotlla | 1.4 | 4.1 | |||
| Guia | 1.2 | 1.3 | |||
| Capacitat de càrrega útil (kg) | 150 | 150 | 300 | 200 | |
| Massa en moviment (kg) | 25 | 14 | 33 | 19 | |
| Alçada de la taula (mm) | 120 | 120 | 80 | 80 | |
| Segellabilitat | La tapa dura i els segells laterals ofereixen protecció contra l'entrada de deixalles a l'eix. | IGM sol ser un disseny obert.El segellat requereix l'addició d'una coberta de manxa o similar. | |||
| Facilitat de servei | Les etapes de components es poden treure i es poden fer servir o substituir fàcilment. | Els eixos s'incorporen de manera inherent 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 del viatge, la precisió de l'eix, la capacitat de càrrega i les capacitats dinàmiques, les comparacions relatives d'IGM anàlegs i sistemes de moviment d'escenari sobre granit realitzades en aquest estudi suggereixen que les solucions IGM són capaços d'oferir moviment de precisió mitjana a alta a costos moderadament més baixos que els seus homòlegs d'escenari sobre granit.
El nostre estudi econòmic consta de tres components fonamentals de costos: peces de màquines (incloent tant peces fabricades com components comprats), el conjunt de granit i mà d'obra i despeses generals.
Peces de la màquina
Una solució IGM ofereix estalvis notables respecte a una solució de granit en termes de peces de màquina.Això es deu principalment a la manca de l'IGM de bases d'etapa complexament mecanitzades als eixos Y i X, que afegeixen 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 a la solució IGM, com ara els carros mòbils, que poden tenir característiques més senzilles i toleràncies una mica més relaxades quan es dissenyen per utilitzar-los en un sistema IGM.
Assemblees de granit
Tot i que els conjunts de pont de base de granit de l'IGM i dels sistemes d'escenari sobre granit semblen tenir un factor de forma i aspecte similars, el conjunt de granit IGM és marginalment més car.Això es deu al fet que el granit de la solució IGM ocupa el lloc de les bases de l'etapa mecanitzades a la solució de granit sobre granit, la qual cosa requereix que el granit tingui toleràncies generalment més ajustades a les regions crítiques, i fins i tot característiques addicionals, com ara talls extruïts i/ o insercions d'acer roscades, per exemple.Tanmateix, en el nostre cas d'estudi, la complexitat afegida de l'estructura de granit es veu més que compensada per la simplificació de les peces de la màquina.
Treball i despeses generals
A causa de les moltes similituds en el muntatge i les proves tant dels sistemes IGM com de l'escenari sobre granit, no hi ha una diferència significativa en els costos de mà d'obra i de despeses generals.
Un cop es combinen tots aquests factors de cost, la solució específica d'IGM de coixinets mecànics examinada en aquest estudi és aproximadament un 15% menys costosa que la solució de coixinets mecànics de granit.
Per descomptat, els resultats de l'anàlisi econòmica depenen no només d'atributs com la longitud del viatge, 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, escollir 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 té en compte els costos posteriors a la implementació.Per exemple, suposem que es fa necessari donar servei al sistema de moviment reparant o substituint un eix de moviment.Es pot reparar un sistema d'escenari sobre granit simplement eliminant i reparant/substituint l'eix afectat.A causa del disseny més modular d'estil escènic, això es pot fer amb relativa facilitat i velocitat, malgrat el cost inicial del sistema més elevat.Tot i que els sistemes IGM generalment es poden obtenir a un cost més baix que els seus homòlegs d'escenari sobre granit, poden ser més difícils de desmuntar i de reparar a causa de la naturalesa integrada de la construcció.
Conclusió
És evident que cada tipus de disseny de plataforma de moviment (escenari sobre granit i IGM) pot oferir avantatges diferents.Tanmateix, no sempre és obvi quina és l'opció més ideal per a una aplicació de moviment particular.Per tant, és molt beneficiós associar-se amb un proveïdor de sistemes d'automatització i moviment experimentat, com Aerotech, que ofereix un enfocament consultiu clarament centrat en l'aplicació per explorar i proporcionar una visió valuosa de les alternatives de solució a les aplicacions d'automatització i control de moviment desafiants.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 de l'èxit en l'elecció d'un sistema de moviment que abordi tant els objectius tècnics com financers del projecte.
De AEROTECH.
Hora de publicació: 31-12-2021