La selección de la plataforma de movimiento lineal de granito más adecuada para una aplicación determinada depende de numerosos factores y variables. Es fundamental reconocer que cada aplicación tiene sus propios requisitos, que deben comprenderse y priorizarse para encontrar una solución eficaz en cuanto a plataforma de movimiento.
Una de las soluciones más comunes consiste en montar plataformas de posicionamiento discretas sobre una estructura de granito. Otra solución común integra los componentes que conforman los ejes de movimiento directamente en el propio granito. Elegir entre una plataforma sobre granito y una plataforma de movimiento integrado en granito (IGM) es una de las primeras decisiones que deben tomarse en el proceso de selección. Existen claras diferencias entre ambos tipos de solución y, por supuesto, cada una tiene sus propias ventajas y desventajas que deben comprenderse y considerarse cuidadosamente.
Para ofrecer una mejor visión de este proceso de toma de decisiones, evaluamos las diferencias entre dos diseños fundamentales de plataformas de movimiento lineal (una solución tradicional de escenario sobre granito y una solución IGM) desde perspectivas técnicas y financieras en forma de un estudio de caso de cojinetes mecánicos.
Fondo
Para explorar las similitudes y diferencias entre los sistemas IGM y los sistemas tradicionales de escenario sobre granito, generamos dos diseños de casos de prueba:
- Cojinete mecánico, etapa sobre granito
- Cojinete mecánico, IGM
En ambos casos, cada sistema consta de tres ejes de movimiento. El eje Y ofrece 1000 mm de recorrido y se ubica en la base de la estructura de granito. El eje X, ubicado en el puente del conjunto con 400 mm de recorrido, soporta el eje Z vertical con 100 mm de recorrido. Esta disposición se representa pictográficamente.
Para el diseño de la plataforma sobre granito, seleccionamos una plataforma PRO560LM de cuerpo ancho para el eje Y debido a su mayor capacidad de carga, común en muchas aplicaciones de movimiento que utilizan esta configuración de "puente dividido Y/XZ". Para el eje X, elegimos una PRO280LM, que se utiliza comúnmente como eje puente en muchas aplicaciones. La PRO280LM ofrece un equilibrio práctico entre su tamaño y su capacidad para transportar un eje Z con la carga útil del cliente.
Para los diseños IGM, replicamos de cerca los conceptos de diseño y diseños fundamentales de los ejes anteriores, con la principal diferencia de que los ejes IGM están construidos directamente en la estructura de granito y, por lo tanto, carecen de las bases de componentes mecanizados presentes en los diseños de escenario sobre granito.
El eje Z es común en ambos diseños, y se eligió una platina PRO190SL accionada por husillo de bolas. Este eje es muy popular para la orientación vertical en un puente debido a su generosa capacidad de carga útil y su formato relativamente compacto.
La figura 2 ilustra los sistemas específicos de etapa sobre granito e IGM estudiados.
Comparación técnica
Los sistemas IGM se diseñan utilizando diversas técnicas y componentes similares a los de los diseños tradicionales de plataforma sobre granito. Por ello, comparten numerosas propiedades técnicas. Por otro lado, la integración directa de los ejes de movimiento en la estructura de granito ofrece varias características distintivas que diferencian a los sistemas IGM de los sistemas de plataforma sobre granito.
Factor de forma
Quizás la similitud más obvia comience con la base de la máquina: el granito. Si bien existen diferencias en las características y tolerancias entre los diseños de plataforma sobre granito y los de IGM, las dimensiones generales de la base de granito, las contrahuellas y el puente son equivalentes. Esto se debe principalmente a que los recorridos nominal y límite son idénticos entre los diseños de plataforma sobre granito y los de IGM.
Construcción
La ausencia de bases de eje con componentes mecanizados en el diseño IGM ofrece ciertas ventajas sobre las soluciones de plataforma sobre granito. En particular, la reducción de componentes en el bucle estructural del IGM contribuye a aumentar la rigidez general del eje. También permite una distancia más corta entre la base de granito y la superficie superior del carro. En este caso práctico, el diseño IGM ofrece una altura de superficie de trabajo un 33 % menor (80 mm en comparación con 120 mm). Esta menor altura de trabajo no solo permite un diseño más compacto, sino que también reduce los desplazamientos de la máquina entre el motor y el encoder y el punto de trabajo, lo que resulta en una reducción de los errores de Abbe y, por consiguiente, en un mejor rendimiento de posicionamiento del punto de trabajo.
Componentes del eje
Al profundizar en el diseño, las soluciones de escenario sobre granito e IGM comparten algunos componentes clave, como motores lineales y codificadores de posición. La selección común de forzadores y pistas magnéticas permite capacidades de salida de fuerza equivalentes. Asimismo, el uso de los mismos codificadores en ambos diseños proporciona una resolución idénticamente precisa para la retroalimentación de posicionamiento. Como resultado, la precisión lineal y la repetibilidad no difieren significativamente entre las soluciones de escenario sobre granito e IGM. La disposición similar de los componentes, incluyendo la separación de los rodamientos y las tolerancias, permite un rendimiento comparable en términos de movimientos de error geométrico (es decir, rectitud horizontal y vertical, cabeceo, balanceo y guiñada). Finalmente, los elementos de soporte de ambos diseños, incluyendo la gestión de cables, los límites eléctricos y los topes duros, son fundamentalmente idénticos en su función, aunque pueden variar ligeramente en su apariencia física.
Aspectos
Para este diseño en particular, una de las diferencias más notables es la selección de rodamientos de guía lineal. Si bien se utilizan rodamientos de bolas recirculantes tanto en sistemas de etapa sobre granito como en sistemas IGM, el sistema IGM permite incorporar rodamientos más grandes y rígidos sin aumentar la altura de trabajo del eje. Dado que el diseño IGM se basa en el granito, en lugar de una base independiente con componentes mecanizados, es posible recuperar parte del espacio vertical que, de otro modo, ocuparía una base mecanizada y, esencialmente, llenar este espacio con rodamientos más grandes, reduciendo al mismo tiempo la altura total del carro sobre el granito.
Rigidez
El uso de rodamientos más grandes en el diseño IGM tiene un profundo impacto en la rigidez angular. En el caso del eje inferior (Y) de fuselaje ancho, la solución IGM ofrece una rigidez al balanceo (rolling) superior en un 40 %, una rigidez de cabeceo (cabeceo) superior en un 30 % y una rigidez de guiñada (guiñada) superior en un 20 % a la de un diseño similar de plataforma sobre granito. De igual forma, el puente del IGM ofrece una rigidez al balanceo cuatro veces mayor, una rigidez de cabeceo doble y una rigidez de guiñada superior en un 30 % a la de su homólogo de plataforma sobre granito. Una mayor rigidez angular es ventajosa, ya que contribuye directamente a un mejor rendimiento dinámico, clave para un mayor rendimiento de la máquina.
Capacidad de carga
Los rodamientos más grandes de la solución IGM permiten una capacidad de carga útil considerablemente mayor que la de una solución de plataforma sobre granito. Si bien el eje base PRO560LM de la solución de plataforma sobre granito tiene una capacidad de carga de 150 kg, la solución IGM correspondiente puede soportar una carga útil de 300 kg. De igual forma, el eje puente PRO280LM de la plataforma sobre granito soporta 150 kg, mientras que el eje puente de la solución IGM puede soportar hasta 200 kg.
Masa en movimiento
Si bien los rodamientos más grandes de los ejes IGM con rodamientos mecánicos ofrecen un mejor rendimiento angular y una mayor capacidad de carga, también incorporan carros más grandes y pesados. Además, el diseño de los carros IGM elimina ciertas características mecanizadas necesarias para un eje de plataforma sobre granito (pero no requeridas por un eje IGM) para aumentar la rigidez de la pieza y simplificar la fabricación. Estos factores implican que el eje IGM tiene una mayor masa móvil que un eje de plataforma sobre granito equivalente. Una desventaja indiscutible es que la aceleración máxima del IGM es menor, suponiendo que la fuerza de salida del motor se mantiene sin cambios. Sin embargo, en ciertas situaciones, una mayor masa móvil puede ser ventajosa, ya que su mayor inercia puede proporcionar una mayor resistencia a las perturbaciones, lo que puede correlacionarse con una mayor estabilidad en posición.
Dinámica estructural
La mayor rigidez de los cojinetes y el carro más rígido del sistema IGM ofrecen ventajas adicionales, evidentes tras utilizar un programa de análisis de elementos finitos (FEA) para realizar un análisis modal. En este estudio, examinamos la primera resonancia del carro móvil debido a su efecto en el ancho de banda del servo. El carro PRO560LM experimenta una resonancia a 400 Hz, mientras que el carro IGM correspondiente experimenta el mismo modo a 430 Hz. La Figura 3 ilustra este resultado.
La mayor resonancia de la solución IGM, en comparación con la plataforma tradicional sobre granito, se debe en parte al diseño más rígido del carro y los rodamientos. Una mayor resonancia del carro permite un mayor ancho de banda del servomotor y, por lo tanto, un mejor rendimiento dinámico.
Entorno operativo
La estanqueidad del eje es casi siempre obligatoria cuando hay contaminantes, ya sean generados por el proceso del usuario o presentes en el entorno de la máquina. Las soluciones de plataforma sobre granito son especialmente adecuadas en estas situaciones debido a la naturaleza inherentemente cerrada del eje. Las plataformas lineales de la serie PRO, por ejemplo, vienen equipadas con tapas duras y sellos laterales que protegen los componentes internos de la contaminación en un grado razonable. Estas plataformas también pueden configurarse con limpiadores de sobremesa opcionales para barrer los residuos de la tapa dura superior a medida que la plataforma se desplaza. Por otro lado, las plataformas de movimiento IGM son inherentemente abiertas, con los rodamientos, motores y codificadores expuestos. Si bien no es un problema en entornos más limpios, esto puede ser problemático cuando hay contaminación. Es posible solucionar este problema incorporando una cubierta especial de fuelle en el diseño del eje IGM para protegerlo de los residuos. Sin embargo, si no se implementa correctamente, el fuelle puede influir negativamente en el movimiento del eje al aplicar fuerzas externas al carro durante su recorrido completo.
Mantenimiento
La facilidad de mantenimiento es un factor diferenciador entre las plataformas de movimiento de plataforma sobre granito y las plataformas IGM. Los ejes con motor lineal son conocidos por su robustez, pero a veces es necesario realizar mantenimiento. Algunas operaciones de mantenimiento son relativamente sencillas y pueden realizarse sin desmontar el eje en cuestión, pero a veces se requiere un desmontaje más exhaustivo. Cuando la plataforma de movimiento consta de plataformas discretas montadas sobre granito, el mantenimiento es bastante sencillo. Primero, se desmonta la plataforma del granito, se realizan las tareas de mantenimiento necesarias y se vuelve a montar. O bien, simplemente se reemplaza por una nueva.
Las soluciones IGM pueden presentar a veces mayores dificultades a la hora de realizar el mantenimiento. Si bien reemplazar una sola pista magnética del motor lineal es muy sencillo en este caso, las reparaciones y el mantenimiento más complejos suelen implicar el desmontaje completo de muchos o todos los componentes del eje, lo que requiere más tiempo cuando los componentes se montan directamente sobre granito. También es más difícil realinear los ejes de granito entre sí después del mantenimiento, una tarea mucho más sencilla con etapas discretas.
Tabla 1. Resumen de las diferencias técnicas fundamentales entre las soluciones de soporte mecánico sobre granito y las soluciones IGM.
| Descripción | Sistema Stage-on-Granite, Cojinete Mecánico | Sistema IGM, Cojinete Mecánico | |||
| Eje base (Y) | Eje del puente (X) | Eje base (Y) | Eje del puente (X) | ||
| Rigidez normalizada | Vertical | 1.0 | 1.0 | 1.2 | 1.1 |
| Lateral | 1.5 | ||||
| Paso | 1.3 | 2.0 | |||
| Rollo | 1.4 | 4.1 | |||
| Guiñada | 1.2 | 1.3 | |||
| Capacidad de carga útil (kg) | 150 | 150 | 300 | 200 | |
| Masa en movimiento (kg) | 25 | 14 | 33 | 19 | |
| Altura de la mesa (mm) | 120 | 120 | 80 | 80 | |
| Sellabilidad | La tapa dura y los sellos laterales ofrecen protección contra la entrada de residuos al eje. | El IGM suele tener un diseño abierto. El sellado requiere la adición de una tapa de fuelle o similar. | |||
| Utilidad | Las etapas de los componentes se pueden quitar y reparar o reemplazar fácilmente. | Las hachas están incorporadas inherentemente a la estructura de granito, lo que dificulta su mantenimiento. | |||
Comparación económica
Si bien el costo absoluto de cualquier sistema de movimiento variará en función de varios factores, incluidos la longitud del recorrido, la precisión del eje, la capacidad de carga y las capacidades dinámicas, las comparaciones relativas de sistemas de movimiento análogos IGM y de etapa sobre granito realizadas en este estudio sugieren que las soluciones IGM son capaces de ofrecer un movimiento de precisión media a alta a costos moderadamente más bajos que sus contrapartes de etapa sobre granito.
Nuestro estudio económico consta de tres componentes de costos fundamentales: las piezas de la máquina (incluyendo tanto las piezas fabricadas como los componentes comprados), el ensamblaje del granito y la mano de obra y los gastos generales.
Piezas de máquinas
Una solución IGM ofrece un ahorro considerable en piezas de maquinaria en comparación con una solución de plataforma sobre granito. Esto se debe principalmente a la ausencia de bases de plataforma mecanizadas intrincadas en los ejes Y y X, lo que añade complejidad y coste a las soluciones de plataforma sobre granito. Además, el ahorro se puede atribuir a la relativa simplificación de otras piezas mecanizadas en la solución IGM, como los carros móviles, que pueden presentar características más sencillas y tolerancias algo más flexibles al diseñarse para su uso en un sistema IGM.
Ensamblajes de granito
Aunque los conjuntos de base, contrahuella y puente de granito, tanto en los sistemas IGM como en los de plataforma sobre granito, parecen tener una forma y una apariencia similares, el conjunto de granito IGM es ligeramente más caro. Esto se debe a que el granito de la solución IGM sustituye las bases mecanizadas de la plataforma en la solución de plataforma sobre granito, lo que requiere que el granito tenga tolerancias generalmente más estrictas en zonas críticas, e incluso características adicionales, como cortes extruidos o insertos de acero roscados, por ejemplo. Sin embargo, en nuestro caso práctico, la mayor complejidad de la estructura de granito se ve compensada con creces por la simplificación de las piezas mecanizadas.
Mano de obra y gastos generales
Debido a las muchas similitudes en el ensamblaje y prueba de los sistemas IGM y de plataforma sobre granito, no hay una diferencia significativa en los costos de mano de obra y gastos generales.
Una vez que se combinan todos estos factores de costo, la solución IGM con soporte mecánico específica examinada en este estudio es aproximadamente un 15 % menos costosa que la solución con soporte mecánico sobre granito.
Por supuesto, los resultados del análisis económico dependen no solo de atributos como la longitud de recorrido, la precisión y la capacidad de carga, sino también de factores como la selección del proveedor de granito. Además, conviene considerar los costos de envío y logística asociados con la adquisición de una estructura de granito. Resulta especialmente útil para sistemas de granito de gran tamaño; aunque es aplicable a todos los tamaños, elegir un proveedor de granito calificado más cercano al lugar de montaje final del sistema también puede ayudar a minimizar los costos.
Cabe destacar que este análisis no considera los costos posteriores a la implementación. Por ejemplo, supongamos que es necesario realizar el mantenimiento del sistema de movimiento mediante la reparación o el reemplazo de un eje. Un sistema de plataforma sobre granito puede realizarse simplemente retirando y reparando/reemplazando el eje afectado. Gracias al diseño modular de la plataforma, esto se puede realizar con relativa facilidad y rapidez, a pesar del mayor costo inicial del sistema. Si bien los sistemas IGM generalmente son más económicos que sus contrapartes de plataforma sobre granito, su desmontaje y mantenimiento pueden ser más difíciles debido a la naturaleza integrada de su construcción.
Conclusión
Es evidente que cada tipo de diseño de plataforma de movimiento (plataforma sobre granito e IGM) ofrece distintas ventajas. Sin embargo, no siempre es evidente cuál es la opción más ideal para una aplicación de movimiento específica. Por lo tanto, resulta muy beneficioso asociarse con un proveedor experimentado de sistemas de movimiento y automatización, como Aerotech, que ofrece un enfoque consultivo claramente centrado en la aplicación para explorar y proporcionar información valiosa sobre alternativas de solución para aplicaciones complejas de control y automatización de movimiento. Comprender no solo la diferencia entre estas dos variedades de soluciones de automatización, sino también los aspectos fundamentales de los problemas que deben resolver, es la clave del éxito al elegir un sistema de movimiento que aborde los objetivos técnicos y financieros del proyecto.
De AEROTECH.
Hora de publicación: 31 de diciembre de 2021