La diferència entre els sistemes de moviment de granit integrat i integrat

La selecció de la plataforma de moviment lineal basada en granit més adequada per a una determinada aplicació depèn de una sèrie de factors i variables. És crucial reconèixer que totes les aplicacions tenen el seu propi conjunt de requisits únics que s’han d’entendre i prioritzar per tal de perseguir una solució efectiva 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 comprenen els eixos del moviment directament al granit. L’elecció entre una plataforma d’escenari en granit i una plataforma integrada de granit (IGM) és una de les decisions anteriors a prendre en el procés de selecció. Hi ha distincions clares entre ambdós tipus de solucions i, per descomptat, cadascun té els seus propis mèrits i advertències que cal entendre i considerar acuradament.

Per oferir una millor visió d’aquest procés de presa de decisions, avaluem les diferències entre dos dissenys fonamentals de la plataforma de moviment lineal: una solució tradicional en fase en granit i una solució IGM, tant des de perspectives tècniques com financeres en forma d’estudi de cas mecànics.

Fons

Per explorar les similituds i diferències entre els sistemes IGM i els sistemes tradicionals en fase en granit, hem generat dos dissenys de casos de prova:

• Rodament mecànic, escenari en granit
• Coixinet mecànic, Igm

En ambdós casos, cada sistema consta de tres eixos de moviment. L’eix Y ofereix 1000 mm de viatge i es troba a la base de l’estructura de granit. L’eix X, situat al pont del conjunt amb 400 mm de viatge, porta l’eix Z vertical amb 100 mm de viatge. Aquest acord es representa pictogràficament.

Per al disseny de l'escenari en granit, hem seleccionat una etapa de cos ampli 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 "y/xz Split-Bridge". Per a l’eix X, hem escollit un PRO280LM, que s’utilitza habitualment com a eix del pont en moltes aplicacions. El PRO280LM ofereix un equilibri pràctic entre la seva petjada i la seva capacitat per portar un eix Z amb una càrrega útil del client.

Per als dissenys d’IGM, vam replicar de prop els conceptes i els dissenys fonamentals de disseny dels eixos anteriors, amb la diferència principal és que els eixos IgM estan integrats directament a l’estructura de granit i, per tant, no tenen les bases components mecanitzades presents en els dissenys en escena en granit.

Comuna en ambdós casos de disseny és l’eix Z, que es va escollir com una etapa de cargol de boles pro190SL. Es tracta d’un eix molt popular a utilitzar en l’orientació vertical d’un pont a causa de la seva generosa capacitat de càrrega útil i el factor de forma relativament compacte.

La figura 2 il·lustra els sistemes específics en fase en granit i IGM estudiats.

Comparació tècnica

Els sistemes IGM estan dissenyats mitjançant una varietat de tècniques i components similars als que es troben en dissenys tradicionals en fase en granit. Com a resultat, hi ha nombroses propietats tècniques en comú entre els sistemes IgM i els sistemes en fase en granit. Per la seva banda, la integració dels eixos de moviment directament a l'estructura de granit ofereix diverses característiques distintives que diferencien els sistemes IgM dels sistemes en fase en granit.

Factor de forma

Potser la similitud més evident comença amb la fundació de la màquina: el granit. Tot i que hi ha diferències en les característiques i les toleràncies entre els dissenys en fase en granit i IgM, les dimensions generals de la base de granit, els aixecadors i el pont són equivalents. Això es deu principalment a que els viatges nominals i límit són idèntics entre l'etapa en granit i l'IGM.

Construcció

La manca de bases de l'eix de components mecanitzats en el disseny IGM proporciona certs avantatges respecte a les solucions en escenari. En particular, la reducció de components en el bucle estructural de la IGM ajuda a augmentar la rigidesa general de l’eix. També permet una distància més curta entre la base del granit i la superfície superior del carruatge. En aquest estudi de cas concret, el disseny IGM ofereix una alçada de la superfície de treball del 33% inferior (80 mm en comparació amb 120 mm). Aquesta alçada de treball menor no només permet un disseny més compacte, sinó que també redueix les compensacions de la màquina del motor i el codificador fins al punt de treball, donant lloc a errors reduïts de l’ABBE i, per tant, millora el rendiment del posicionament del punt de treball.

Components de l’eix

Aprofundint en el disseny, les solucions escèniques en granit i IGM comparteixen alguns components clau, com ara motors lineals i codificadors de posició. La selecció comuna de les pistes de forcer i de les magnètiques condueix a capacitats equivalents a la força de sortida. De la mateixa manera, utilitzar els mateixos codificadors en ambdós dissenys proporciona una resolució de manera idèntica per a la retroalimentació de posicionament. Com a resultat, la precisió lineal i el rendiment de repetibilitat no són significativament diferents entre les solucions en fase en granit i IgM. La disposició de components similar, incloent la separació i la tolerància del suport, condueix a un rendiment comparable en termes de moviments d’error geomètrics (és a dir, rectitud horitzontal i vertical, to, rotllo i yaw). Finalment, els elements de suport dels dos dissenys, inclosos la gestió del cable, els límits elèctrics i els resistents, són fonamentalment idèntics en funció, tot i que poden variar una mica en aspecte físic.

Orientació

Per a aquest disseny particular, una de les diferències més notables és la selecció de coixinets lineals. Tot i que els coixinets de boles recirculants s’utilitzen tant en els sistemes d’etapa en granit com en IgM, el sistema IgM permet incorporar coixinets més 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 contraposició a una base de components mecanitzats separats, és possible recuperar part dels béns immobles verticals que d’altra manera es consumirien per una base mecanitzada i, essencialment, omplir aquest espai amb coixinets més grans mentre encara redueixen l’alçada global del transport 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 de cos ampli (Y), la solució IgM ofereix més de 40% de rigidesa del rotlle, un 30% més gran rigidesa i un 20% de rigidesa més gran que un disseny en fase en fase corresponent. De la mateixa manera, el pont de l’IGM ofereix un augment de la rigidesa del rotlle, el doble de la rigidesa del pas i més del 30% de rigidesa més gran que el seu homòleg en escenari en granit. La rigidesa angular més elevada és avantatjosa perquè contribueix directament a un rendiment dinàmic millorat, que és clau per permetre un rendiment més elevat de la màquina.

Capacitat de càrrega

Els coixinets més grans de la solució IgM permeten una capacitat de càrrega útil substancialment més elevada que una solució en fase en granit. Tot i que l’eix base PRO560LM de la solució en escena en granit té una capacitat de càrrega de 150 kg, la solució IgM corresponent pot acollir una càrrega útil de 300 kg. De la mateixa manera, l'eix del pont Pro280LM de l'escenari suporta 150 kg, mentre que l'eix del pont de la solució IgM pot comportar fins a 200 kg.

Massa mòbil

Si bé els coixinets més grans dels eixos IgM de portadors mecànics ofereixen millors atributs de rendiment angular i una major capacitat de càrrega de càrrega, també inclouen camions més grans i més pesants. Addicionalment, els carruatges IgM estan dissenyats de manera que es treguin algunes característiques mecanitzades necessàries per a un eix en escena en granit (però no requerits per un eix IgM) per augmentar la rigidesa de les parts i simplificar la fabricació. Aquests factors signifiquen que l'eix IgM té una massa en moviment més gran que un eix en fase en granit corresponent. Un desavantatge indiscutible és que l’acceleració màxima de l’IGM és menor, suposant que la sortida de la força motriu no sigui modificada. 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, cosa que pot correlacionar-se amb una major estabilitat en posició.

Dinàmica estructural

La major rigidesa del suport del sistema IGM i el transport més rígid proporcionen beneficis addicionals que es mostren després d’utilitzar un paquet de programari d’anàlisi d’elements finits (FEA) per realitzar una anàlisi modal. En aquest estudi, es va examinar la primera ressonància del transport en moviment a causa del seu efecte sobre l'amplada de banda de servo. El transport PRO560LM troba una ressonància a 400 Hz, mentre que el transport IgM corresponent experimenta el mateix mode a 430 Hz. La figura 3 il·lustra aquest resultat.

La ressonància més elevada de la solució IgM, en comparació amb l’etapa tradicional en granit, es pot atribuir en part al disseny de carruatges i portadors més rígids. Una ressonància de carruatges més elevada permet tenir un major ample de banda de servo i, per tant, millorar el rendiment dinàmic.

Entorn operatiu

La segellabilitat dels eixos és gairebé sempre obligatòria quan hi ha contaminants, ja siguin generats a través del procés de l’usuari o existents d’una altra manera a l’entorn de la màquina. Les solucions en escena en granit són especialment adequades en aquestes situacions a causa de la naturalesa inherentment tancada de l’eix. Les etapes lineals pro-series, per exemple, estan equipades amb accessoris durs i segells laterals que protegeixen els components de l’etapa interna de la contaminació en una mesura raonable. Aquestes etapes també es poden configurar amb eixugaparabrises opcionals per arrasar les deixalles de la tapa dura superior a mesura que l’escenari recorre. D'altra banda, les plataformes de moviment IGM són inherentment obertes de naturalesa, amb els coixinets, els motors i els 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 forma especial a l'estil Bellows a un disseny de l'eix IGM per proporcionar protecció contra les deixalles. Però si no s’implementa correctament, la manxa pot influir negativament en el moviment de l’eix impartint forces externes al transport a mesura que es mou a través de tota la seva gamma de viatges.

Manteniment

El servei és un diferenciador entre les plataformes de moviment en fase en granit i IgM. Els eixos lineals-motors són molt coneguts per la seva robustesa, però de vegades és necessari realitzar un manteniment. Algunes operacions de manteniment són relativament senzilles i es poden realitzar sense eliminar ni desmuntar l’eix en qüestió, però de vegades es requereix una desgràcia més completa. Quan la plataforma de moviment consisteix en etapes discretes muntades en granit, el servei és una tasca raonablement senzilla. Primer, desmunta l’escenari del granit i, a continuació, realitzeu els treballs de manteniment necessaris i torneu -lo. O simplement substituïu -lo per una nova etapa.

De vegades, les solucions IGM poden ser més difícils a l’hora de realitzar un manteniment. Tot i que en aquest cas, la substitució d’una sola pista d’imant del motor lineal és molt senzill, el manteniment i les reparacions més complicades sovint impliquen desmuntar completament molts o tots els components que comprenen l’eix, cosa que requereix més temps quan els components es munten directament a granit. També és més difícil reordenar els eixos basats en el granit els uns als altres després de realitzar un manteniment: una tasca considerablement més senzilla amb les etapes discretes.

Taula 1. Un resum de les diferències tècniques fonamentals entre les solucions en fase de subratllament mecàniques i IgM.

Comparació econòmica

Si bé el cost absolut de qualsevol sistema de moviment variarà basant-se en 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 anàlogues i sistemes de moviment en fase en granit realitzats en aquest estudi suggereixen que les solucions d’IGM són capaços d’oferir un moviment de mitjana a alta precisió a costos modernament inferiors que les seves contrapartides en fase.

El nostre estudi econòmic consta de tres components de costos fonamentals: peces de màquines (incloses les parts fabricades i els components comprats), el muntatge de granit i la mà d’obra i les despeses generals.

Parts de la màquina

Una solució IGM ofereix un estalvi destacable sobre una solució en escena en el subgramador en termes de peces de màquina. Això es deu principalment a la manca de bases d’escenari complexament mecanitzades de l’IGM als eixos Y i X, que aporten complexitat i cost a les solucions escèniques en granit. A més, es pot atribuir un estalvi de costos a la simplificació relativa d’altres parts mecanitzades de la solució IGM, com ara els carruatges en moviment, que poden tenir funcions més senzilles i toleràncies una mica més relaxades quan estan dissenyades per utilitzar -les en un sistema IGM.

Assemblees de granit

Tot i que els conjunts de pont de granit-riser-riser-pont tant en els sistemes IgM com en escenari en granit semblen tenir un factor de forma similar i aparença, el conjunt de granit IgM és marginalment més car. Això es deu al fet que el granit de la solució IGM té el lloc de les bases d’etapa mecanitzada en la solució en fase en granit, que requereix que el granit tingui toleràncies generalment més estretes a les regions crítiques, i fins i tot característiques addicionals, com ara talls extrusos i/o insercions d’acer roscades, per exemple. No obstant això, en el nostre estudi de cas, la complexitat afegida de l'estructura de granit és més que compensada per la simplificació de les parts de la màquina.

Treball i sobrecàrrega

A causa de les moltes similituds en el muntatge i la prova tant dels sistemes IgM com en escenari en granit, no hi ha una diferència significativa en els costos laborals i en despeses generals.

Un cop combinats tots aquests factors de costos, la solució IgM específica que portava mecànica examinada en aquest estudi és aproximadament un 15% menys costosa que la solució mecànica que portava en fase en 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’obtenció d’una estructura de granit. Especialment útil per a sistemes de granit molt grans, tot i que és cert per a totes les mides, l’elecció d’un proveïdor de granit qualificat a prop de la ubicació del conjunt del sistema final pot ajudar a minimitzar els costos.

També cal destacar que aquesta anàlisi no té en compte els costos de post-implementació. Per exemple, suposem que és necessari donar servei al sistema de moviment reparant o substituint un eix de moviment. Es pot donar servei a un sistema en fase en granit simplement eliminant i reparant/substituint l'eix afectat. A causa del disseny d'estil en fase més modular, es pot fer amb relativa facilitat i velocitat, malgrat el major cost inicial del sistema. Tot i que els sistemes IGM generalment es poden obtenir a un cost inferior als seus homòlegs en escena en granit, poden ser més difícils de desmuntar i de servei a causa de la naturalesa integrada de la construcció.

Conclusió

És evident que cada tipus de disseny de plataformes de moviment (etapa-en-granit i IGM) pot oferir avantatges diferents. Tot i això, no sempre és obvi quina és l’opció més ideal per a una aplicació de moviment determinada. Per tant, és molt beneficiós associar-se amb un proveïdor de sistemes de moviment i automatització experimentat, com Aerotech, que ofereix un enfocament consultiu centrat en l’aplicació per explorar i proporcionar una visió valuosa de les alternatives de solució a les aplicacions de control i automatització desafiants. Comprendre no només la diferència entre aquestes dues varietats de solucions d’automatització, sinó també els aspectes fonamentals dels problemes que es requereixen resoldre, és la clau subjacent per a l’èxit en l’elecció d’un sistema de moviment que aborda tant els objectius tècnics com financers del projecte.

De Aerotech.