A selección da plataforma de movemento lineal baseada en granito máis axeitada para unha aplicación determinada depende dunha serie de factores e variables. É fundamental recoñecer que cada aplicación ten o seu propio conxunto único de requisitos que deben ser comprendidos e priorizados para buscar unha solución eficaz en termos de plataforma de movemento.
Unha das solucións máis omnipresentes consiste en montar plataformas de posicionamento discretas sobre unha estrutura de granito. Outra solución común integra os compoñentes que conforman os eixes de movemento directamente no propio granito. Escoller entre unha plataforma sobre granito e unha plataforma de movemento integrado en granito (IGM) é unha das primeiras decisións que se deben tomar no proceso de selección. Existen distincións claras entre ambos os tipos de solucións e, por suposto, cada unha ten os seus propios méritos (e advertencias) que deben comprenderse e considerarse coidadosamente.
Para ofrecer unha mellor comprensión deste proceso de toma de decisións, avaliamos as diferenzas entre dous deseños fundamentais de plataformas de movemento lineal (unha solución tradicional de escenario sobre granito e unha solución IGM) desde perspectivas tanto técnicas como financeiras en forma dun estudo de caso de soportes mecánicos.
Fondo
Para explorar as semellanzas e diferenzas entre os sistemas IGM e os sistemas tradicionais de granito sobre escenario, xeramos dous deseños de casos de proba:
- Soporte mecánico, escenario sobre granito
- Rodamento mecánico, IGM
En ambos os casos, cada sistema consta de tres eixes de movemento. O eixe Y ofrece 1000 mm de percorrido e está situado na base da estrutura de granito. O eixe X, situado na ponte do conxunto con 400 mm de percorrido, leva o eixe Z vertical con 100 mm de percorrido. Esta disposición represéntase pictograficamente.
Para o deseño da plataforma sobre granito, seleccionamos unha plataforma de corpo ancho PRO560LM para o eixe Y debido á súa maior capacidade de carga, común en moitas aplicacións de movemento que empregan esta disposición de "ponte dividida Y/XZ". Para o eixe X, escollemos unha PRO280LM, que se usa habitualmente como eixe ponte en moitas aplicacións. A PRO280LM ofrece un equilibrio práctico entre o seu tamaño e a súa capacidade para transportar un eixe Z cunha carga útil do cliente.
Para os deseños IGM, replicamos fielmente os conceptos de deseño e as disposicións fundamentais dos eixes anteriores, coa principal diferenza de que os eixes IGM están integrados directamente na estrutura de granito e, polo tanto, carecen das bases de compoñentes mecanizados presentes nos deseños de escenario sobre granito.
Común en ambos os casos de deseño é o eixe Z, que se escolleu para ser unha platina accionada por parafuso de bólas PRO190SL. Este é un eixe moi popular para usar na orientación vertical nunha ponte debido á súa xenerosa capacidade de carga útil e ao seu factor de forma relativamente compacto.
A figura 2 ilustra os sistemas específicos de etapa sobre granito e IGM estudados.
Comparación técnica
Os sistemas IGM deséñanse empregando unha variedade de técnicas e compoñentes similares aos que se atopan nos deseños tradicionais de plataformas sobre granito. Como resultado, existen numerosas propiedades técnicas en común entre os sistemas IGM e os sistemas de plataformas sobre granito. Pola contra, a integración dos eixes de movemento directamente na estrutura de granito ofrece varias características distintivas que diferencian os sistemas IGM dos sistemas de plataformas sobre granito.
Factor de forma
Quizais a semellanza máis obvia comece coa base da máquina: o granito. Aínda que existen diferenzas nas características e tolerancias entre os deseños de plataforma sobre granito e IGM, as dimensións xerais da base de granito, os contrahuellas e a ponte son equivalentes. Isto débese principalmente a que os percorridos nominais e límite son idénticos entre a plataforma sobre granito e a IGM.
Construción
A falta de bases de eixes con compoñentes mecanizados no deseño IGM proporciona certas vantaxes sobre as solucións de plataforma sobre granito. En particular, a redución de compoñentes no bucle estrutural do IGM axuda a aumentar a rixidez xeral do eixe. Tamén permite unha distancia máis curta entre a base de granito e a superficie superior do carro. Neste estudo de caso particular, o deseño IGM ofrece unha altura da superficie de traballo un 33 % menor (80 mm en comparación con 120 mm). Esta menor altura de traballo non só permite un deseño máis compacto, senón que tamén reduce os desprazamentos da máquina desde o motor e o codificador ata o punto de traballo, o que resulta nunha redución dos erros de Abbe e, polo tanto, nun mellor rendemento de posicionamento do punto de traballo.
Compoñentes do eixe
Ao analizar máis a fondo o deseño, as solucións de plataforma sobre granito e IGM comparten algúns compoñentes clave, como os motores lineais e os codificadores de posición. A selección común dun forcador e dunha pista magnética leva a unhas capacidades de saída de forza equivalentes. Do mesmo xeito, o uso dos mesmos codificadores en ambos os deseños proporciona unha resolución idéntica e fina para a retroalimentación de posicionamento. Como resultado, a precisión lineal e o rendemento de repetibilidade non son significativamente diferentes entre as solucións de plataforma sobre granito e IGM. Unha disposición similar dos compoñentes, incluída a separación e a tolerancia dos rolamentos, leva a un rendemento comparable en termos de movementos de erro xeométrico (é dicir, rectitude horizontal e vertical, inclinación, balanceo e guiñada). Finalmente, os elementos de soporte de ambos os deseños, incluída a xestión de cables, os límites eléctricos e os topes ríxidos, son fundamentalmente idénticos en función, aínda que poden variar algo na aparencia física.
Rodamentos
Para este deseño en particular, unha das diferenzas máis notables é a selección de rodamentos de guía lineal. Aínda que os rodamentos de recirculación de bólas se empregan tanto nos sistemas de granito como nos sistemas IGM, o sistema IGM permite incorporar rodamentos máis grandes e ríxidos no deseño sen aumentar a altura de traballo do eixe. Dado que o deseño IGM baséase no granito como base, en oposición a unha base separada de compoñentes mecanizados, é posible recuperar parte do espazo vertical que doutro xeito ocuparía unha base mecanizada e, esencialmente, encher este espazo con rodamentos máis grandes, á vez que se reduce a altura total do carro sobre o granito.
Rixidez
O uso de rodamentos máis grandes no deseño IGM ten un profundo impacto na rixidez angular. No caso do eixe inferior (Y) de corpo ancho, a solución IGM ofrece máis dun 40 % máis de rixidez ao rodamento, un 30 % máis de rixidez ao paso e un 20 % máis de rixidez á guiñada que un deseño correspondente de plataforma sobre granito. Do mesmo xeito, a ponte do IGM ofrece un aumento de catro veces na rixidez ao rodamento, o dobre da rixidez ao paso e máis dun 30 % máis de rixidez á guiñada que a súa contraparte de plataforma sobre granito. Unha maior rixidez angular é vantaxosa porque contribúe directamente a un mellor rendemento dinámico, o que é clave para permitir un maior rendemento da máquina.
capacidade de carga
Os rodamentos máis grandes da solución IGM permiten unha capacidade de carga útil substancialmente maior que unha solución de escenario sobre granito. Aínda que o eixe base PRO560LM da solución de escenario sobre granito ten unha capacidade de carga de 150 kg, a solución IGM correspondente pode albergar unha carga útil de 300 kg. Do mesmo xeito, o eixe ponte PRO280LM do escenario sobre granito soporta 150 kg, mentres que o eixe ponte da solución IGM pode transportar ata 200 kg.
Masa en movemento
Aínda que os rodamientos máis grandes nos eixes IGM con rodamientos mecánicos ofrecen mellores atributos de rendemento angular e unha maior capacidade de carga, tamén inclúen carros máis grandes e pesados. Ademais, os carros IGM están deseñados de tal xeito que certas características mecanizadas necesarias para un eixe de plataforma sobre granito (pero non requiridas por un eixe IGM) se eliminan para aumentar a rixidez da peza e simplificar a fabricación. Estes factores significan que o eixe IGM ten unha masa móbil maior que un eixe de plataforma sobre granito correspondente. Unha desvantaxe indiscutible é que a aceleración máxima do IGM é menor, supoñendo que a saída de forza do motor non cambia. Con todo, en certas situacións, unha masa móbil maior pode ser vantaxosa desde a perspectiva de que a súa maior inercia pode proporcionar unha maior resistencia ás perturbacións, o que pode correlacionarse cun aumento da estabilidade na posición.
Dinámica estrutural
A maior rixidez do rodamento e o carro máis ríxido do sistema IGM ofrecen vantaxes adicionais que se fan evidentes despois de usar un paquete de software de análise de elementos finitos (FEA) para realizar unha análise modal. Neste estudo, examinamos a primeira resonancia do carro en movemento debido ao seu efecto no ancho de banda do servo. O carro PRO560LM atopa unha resonancia a 400 Hz, mentres que o carro IGM correspondente experimenta o mesmo modo a 430 Hz. A figura 3 ilustra este resultado.
A maior resonancia da solución IGM, en comparación coa plataforma tradicional sobre granito, pódese atribuír en parte ao deseño máis ríxido do carro e dos rolamentos. Unha maior resonancia do carro permite ter un maior ancho de banda do servo e, polo tanto, un mellor rendemento dinámico.
Ambiente operativo
A selabilidade dos eixes é case sempre obrigatoria cando hai contaminantes presentes, xa sexan xerados a través do proceso do usuario ou existentes doutro xeito no ambiente da máquina. As solucións de plataforma sobre granito son especialmente axeitadas nestas situacións debido á natureza inherentemente pechada do eixe. As plataformas lineais da serie PRO, por exemplo, veñen equipadas con tapas duras e selos laterais que protexen os compoñentes internos da plataforma da contaminación nun grao razoable. Estas plataformas tamén se poden configurar con limpadores de mesa opcionais para varrer os residuos da tapa dura superior mentres a plataforma se move. Por outra banda, as plataformas de movemento IGM son inherentemente abertas por natureza, cos rodamentos, motores e codificadores expostos. Aínda que non é un problema en ambientes máis limpos, isto pode ser problemático cando hai contaminación presente. É posible solucionar este problema incorporando unha cuberta de vía especial de tipo fuelle nun deseño de eixe IGM para proporcionar protección contra os residuos. Pero se non se implementa correctamente, o fuelle pode influír negativamente no movemento do eixe ao impartir forzas externas ao carro mentres se move por todo o seu rango de percorrido.
Mantemento
A capacidade de mantemento é un diferenciador entre as plataformas de movemento sobre granito e as plataformas de movemento IGM. Os eixes de motor lineal son coñecidos pola súa robustez, pero ás veces faise necesario realizar mantemento. Certas operacións de mantemento son relativamente sinxelas e pódense realizar sen retirar nin desmontar o eixe en cuestión, pero ás veces requírese un desmontaxe máis completo. Cando a plataforma de movemento consta de plataformas discretas montadas sobre granito, o mantemento é unha tarefa razoablemente sinxela. Primeiro, desmonta a plataforma do granito, despois realiza o traballo de mantemento necesario e vólvea montar. Ou simplemente substitúea por unha plataforma nova.
As solucións IGM ás veces poden ser máis complexas á hora de realizar mantemento. Aínda que substituír unha única pista magnética do motor lineal é moi sinxelo neste caso, o mantemento e as reparacións máis complicadas adoitan implicar o desmontaxe completo de moitos ou de todos os compoñentes que compoñen o eixe, o que leva máis tempo cando os compoñentes se montan directamente sobre granito. Tamén é máis difícil realinear os eixes baseados en granito entre si despois de realizar o mantemento, unha tarefa que é considerablemente máis sinxela coas etapas discretas.
Táboa 1. Resumo das diferenzas técnicas fundamentais entre as solucións de plataforma de apoio mecánico sobre granito e as de IGM.
| Descrición | Sistema Stage-on-Granite, soporte mecánico | Sistema IGM, rodamientos mecánicos | |||
| Eixo base (Y) | Eixo da ponte (X) | Eixo base (Y) | Eixo da ponte (X) | ||
| Rixidez normalizada | Vertical | 1.0 | 1.0 | 1.2 | 1.1 |
| Lateral | 1.5 | ||||
| Tono | 1.3 | 2.0 | |||
| Rolo | 1.4 | 4.1 | |||
| Guiñar | 1.2 | 1.3 | |||
| Capacidade de carga útil (kg) | 150 | 150 | 300 | 200 | |
| Masa en movemento (kg) | 25 | 14 | 33 | 19 | |
| Altura da mesa (mm) | 120 | 120 | 80 | 80 | |
| Selabilidade | A tapa dura e os selos laterais ofrecen protección contra a entrada de residuos no eixe. | O IGM adoita ser un deseño aberto. O selado require a adición dunha tapa de fuelle ou similar. | |||
| Mantenibilidade | As etapas dos compoñentes pódense retirar e reparar ou substituír facilmente. | Os machados están inherentemente integrados na estrutura de granito, o que dificulta o seu mantemento. | |||
Comparación económica
Aínda que o custo absoluto de calquera sistema de movemento variará en función de varios factores, incluíndo a lonxitude do percorrido, a precisión do eixe, a capacidade de carga e as capacidades dinámicas, as comparacións relativas entre sistemas de movemento IGM análogos e de plataforma sobre granito realizadas neste estudo suxiren que as solucións IGM son capaces de ofrecer movemento de precisión media a alta a custos moderadamente máis baixos que os seus homólogos de plataforma sobre granito.
O noso estudo económico consta de tres compoñentes fundamentais de custo: as pezas da máquina (incluíndo tanto as pezas fabricadas como os compoñentes comprados), o ensamblaxe do granito e a man de obra e os gastos xerais.
Pezas de máquinas
Unha solución IGM ofrece un aforro notable en comparación cunha solución de plataforma sobre granito en termos de pezas da máquina. Isto débese principalmente á falta de bases de plataforma mecanizadas con complexidade nos eixes Y e X da IGM, o que engade complexidade e custo ás solucións de plataforma sobre granito. Ademais, o aforro de custos pódese atribuír á relativa simplificación doutras pezas mecanizadas na solución IGM, como os carros móbiles, que poden ter características máis sinxelas e tolerancias algo máis relaxadas cando se deseñan para o seu uso nun sistema IGM.
Conxuntos de granito
Aínda que os conxuntos de base-contrapiso-ponte de granito, tanto no sistema IGM como no de escenario sobre granito, parecen ter un factor de forma e unha aparencia similares, o conxunto de granito IGM é lixeiramente máis caro. Isto débese a que o granito na solución IGM substitúe as bases de escenario mecanizadas na solución de escenario sobre granito, o que require que o granito teña tolerancias xeralmente máis axustadas en rexións críticas e mesmo características adicionais, como cortes extruídos e/ou insercións de aceiro roscadas, por exemplo. Non obstante, no noso estudo de caso, a complexidade engadida da estrutura de granito compensa con creces a simplificación das pezas da máquina.
Man de obra e gastos xerais
Debido ás moitas semellanzas na montaxe e proba dos sistemas IGM e stage-on-granite, non hai unha diferenza significativa nos custos laborais e xerais.
Unha vez combinados todos estes factores de custo, a solución IGM específica de soporte mecánico examinada neste estudo é aproximadamente un 15 % menos custosa que a solución de soporte mecánico sobre granito.
Por suposto, os resultados da análise económica non só dependen de atributos como a lonxitude do percorrido, a precisión e a capacidade de carga, senón tamén de factores como a selección do provedor de granito. Ademais, é prudente ter en conta os custos de envío e loxística asociados á adquisición dunha estrutura de granito. Especialmente útil para sistemas de granito moi grandes, aínda que é certo para todos os tamaños, elixir un provedor de granito cualificado máis preto do lugar da montaxe final do sistema tamén pode axudar a minimizar os custos.
Tamén cómpre sinalar que esta análise non ten en conta os custos posteriores á implementación. Por exemplo, supoñamos que é necesario dar servizo ao sistema de movemento reparando ou substituíndo un eixe de movemento. Un sistema de escenario sobre granito pódese dar servizo simplemente retirando e reparando/substituíndo o eixe afectado. Debido ao deseño máis modular do estilo do escenario, isto pódese facer con relativa facilidade e rapidez, a pesar do maior custo inicial do sistema. Aínda que os sistemas IGM xeralmente pódense obter a un custo menor que os seus homólogos de escenario sobre granito, poden ser máis difíciles de desmontar e manter debido á natureza integrada da construción.
Conclusión
Claramente, cada tipo de deseño de plataforma de movemento (escenario sobre granito e IGM) pode ofrecer vantaxes distintas. Non obstante, non sempre é obvio cal é a opción ideal para unha aplicación de movemento en particular. Polo tanto, é moi beneficioso asociarse cun provedor experimentado de sistemas de movemento e automatización, como Aerotech, que ofrece unha abordaxe consultiva claramente centrada na aplicación para explorar e proporcionar información valiosa sobre alternativas de solucións para aplicacións complexas de control de movemento e automatización. Comprender non só a diferenza entre estas dúas variedades de solucións de automatización, senón tamén os aspectos fundamentais dos problemas que deben resolver, é a clave subxacente para o éxito á hora de elixir un sistema de movemento que aborde tanto os obxectivos técnicos como os financeiros do proxecto.
De AEROTECH.
Data de publicación: 31 de decembro de 2021