La selección de la plataforma de movimiento lineal de granito más adecuada para una aplicación específica depende de numerosos factores y variables. Es fundamental tener en cuenta que cada aplicación presenta requisitos únicos que deben comprenderse y priorizarse para lograr una solución eficaz en cuanto a la plataforma de movimiento.
Una de las soluciones más comunes consiste en montar plataformas de posicionamiento independientes sobre una estructura de granito. Otra solución habitual integra los componentes que conforman los ejes de movimiento directamente en el granito. Elegir entre una plataforma sobre granito y una plataforma de movimiento integrada en granito (IGM) es una de las primeras decisiones que se deben tomar en el proceso de selección. Existen claras diferencias entre ambos tipos de soluciones y, por supuesto, cada una tiene sus propias ventajas e inconvenientes, que deben comprenderse y considerarse cuidadosamente.
Para ofrecer una mejor comprensión 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 tanto técnicas como 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 etapas sobre granito, generamos dos diseños de casos de prueba:
- Cojinete mecánico, escenario sobre granito
- Cojinete mecánico, IGM
En ambos casos, cada sistema consta de tres ejes de movimiento. El eje Y ofrece un recorrido de 1000 mm y se ubica en la base de la estructura de granito. El eje X, situado en el puente del conjunto con un recorrido de 400 mm, soporta el eje Z vertical con un recorrido de 100 mm. Esta disposición se representa pictográficamente.
Para el diseño de la plataforma sobre granito, seleccionamos una plataforma de cuerpo ancho PRO560LM 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 usa habitualmente como eje puente en diversas aplicaciones. La PRO280LM ofrece un equilibrio práctico entre su tamaño y su capacidad para soportar un eje Z con la carga útil del cliente.
Para los diseños IGM, replicamos fielmente los conceptos de diseño fundamentales y las disposiciones 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.
En ambos diseños, el eje Z es común; se optó por una plataforma PRO190SL accionada por husillo de bolas. Este eje es muy popular para su uso en orientación vertical en puentes debido a su gran capacidad de carga y su formato relativamente compacto.
La figura 2 ilustra los sistemas específicos de etapa sobre granito y IGM estudiados.
Comparación técnica
Los sistemas IGM se diseñan empleando diversas técnicas y componentes similares a los de los sistemas tradicionales de plataformas sobre granito. Por consiguiente, comparten numerosas propiedades técnicas. Sin embargo, la integración de los ejes de movimiento directamente en la estructura del granito ofrece varias características distintivas que diferencian los sistemas IGM de los sistemas de plataformas sobre granito.
Factor de forma
Quizás la similitud más evidente comienza 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, los elevadores y el puente de granito son equivalentes. Esto se debe principalmente a que los recorridos nominales y límite son idénticos en ambos tipos de plataformas.
Construcción
La ausencia de bases de ejes 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 menor distancia entre la base de granito y la superficie superior del carro. En este caso práctico concreto, el diseño IGM ofrece una altura de superficie de trabajo un 33 % menor (80 mm frente a 120 mm). Esta menor altura de trabajo no solo permite un diseño más compacto, sino que también reduce las desviaciones de la máquina entre el motor y el codificador y el punto de trabajo, lo que se traduce en una reducción de los errores de Abbe y, por lo tanto, en una mejora del posicionamiento del punto de trabajo.
Componentes del eje
Analizando en detalle el diseño, las soluciones de plataforma sobre granito e IGM comparten componentes clave, como motores lineales y codificadores de posición. La selección común de actuadores y pistas magnéticas resulta en capacidades de salida de fuerza equivalentes. Asimismo, el uso de los mismos codificadores en ambos diseños proporciona una resolución idéntica para la retroalimentación de posicionamiento. En consecuencia, la precisión lineal y la repetibilidad no difieren significativamente entre las soluciones de plataforma sobre granito e IGM. La disposición similar de los componentes, incluyendo la separación y tolerancia de los rodamientos, resulta en un rendimiento comparable en términos de errores geométricos (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 mecánicos, son fundamentalmente idénticos en su función, aunque pueden variar ligeramente en su apariencia física.
Aspectos
En este diseño en particular, una de las diferencias más notables reside en la selección de los cojinetes de guía lineal. Si bien los rodamientos de bolas recirculantes se utilizan tanto en los sistemas de plataforma sobre granito como en los sistemas IGM, estos últimos permiten incorporar cojinetes 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 mecanizada independiente, es posible recuperar parte del espacio vertical que ocuparía dicha base y, en esencia, llenarlo con cojinetes de mayor tamaño, reduciendo al mismo tiempo la altura total del carro sobre el granito.
Rigidez
El uso de cojinetes de mayor tamaño en el diseño IGM tiene un impacto significativo en la rigidez angular. En el caso del eje inferior (Y) de cuerpo ancho, la solución IGM ofrece una rigidez de balanceo un 40 % mayor, una rigidez de cabeceo un 30 % mayor y una rigidez de guiñada un 20 % mayor que un diseño equivalente sobre plataforma de granito. De igual manera, el puente del IGM ofrece una rigidez de balanceo cuatro veces superior, una rigidez de cabeceo dos veces mayor y una rigidez de guiñada un 30 % mayor que su contraparte sobre plataforma de granito. Una mayor rigidez angular resulta ventajosa, ya que contribuye directamente a un mejor rendimiento dinámico, lo cual es fundamental para lograr una mayor productividad de la máquina.
Capacidad de carga
Los cojinetes de mayor tamaño de la solución IGM permiten una capacidad de carga útil considerablemente superior a la de una plataforma sobre granito. Mientras que el eje base PRO560LM de la 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 modo, 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 cojinetes de mayor tamaño en los ejes IGM con cojinetes mecánicos ofrecen un mejor rendimiento angular y una mayor capacidad de carga, también implican carros más grandes y pesados. Además, los carros IGM están diseñados de tal manera que se eliminan ciertas características mecanizadas necesarias para un eje de plataforma sobre granito (pero no para un eje IGM) con el fin de 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 mantenga constante. 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 traducirse en una mayor estabilidad de posición.
Dinámica estructural
La mayor rigidez de los cojinetes y del carro más rígido del sistema IGM proporcionan ventajas adicionales que se hacen evidentes tras realizar un análisis modal mediante un software de análisis de elementos finitos (FEA). En este estudio, examinamos la primera resonancia del carro móvil debido a su efecto en el ancho de banda del servo. El carro PRO560LM presenta 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 el escenario tradicional sobre granito, se debe en parte al diseño más rígido del carro y los cojinetes. Una mayor resonancia del carro permite un mayor ancho de banda del servocontrol y, por lo tanto, un mejor rendimiento dinámico.
Entorno operativo
La estanqueidad del eje es prácticamente obligatoria cuando hay contaminantes presentes, ya sean generados por el proceso del usuario o presentes en el entorno de la máquina. Las plataformas 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 cubiertas rígidas y juntas laterales que protegen los componentes internos de la contaminación de forma razonable. Estas plataformas también pueden configurarse con limpiadores de mesa opcionales para eliminar los residuos de la cubierta rígida superior durante el desplazamiento de la plataforma. Por otro lado, las plataformas de movimiento IGM son inherentemente abiertas, con los rodamientos, motores y codificadores expuestos. Si bien esto no supone un problema en entornos limpios, puede ser problemático cuando hay contaminación. Es posible abordar este problema incorporando una cubierta protectora tipo 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 ejercer fuerzas externas sobre el carro durante su recorrido completo.
Mantenimiento
La facilidad de mantenimiento es un factor diferenciador entre las plataformas de movimiento 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 en ocasiones se requiere un desmontaje más exhaustivo. Cuando la plataforma de movimiento consta de etapas independientes montadas sobre granito, el mantenimiento es una tarea bastante simple. Primero, se desmonta la etapa del granito, luego se realiza el mantenimiento necesario y se vuelve a montar. O bien, simplemente se reemplaza por una etapa nueva.
Las soluciones IGM pueden presentar mayores dificultades a la hora de realizar el mantenimiento. Si bien la sustitución de una sola pista magnética del motor lineal es muy sencilla 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 resulta más laborioso cuando los componentes están montados directamente sobre granito. Asimismo, resulta más difícil realinear los ejes sobre granito entre sí tras el mantenimiento, una tarea mucho más sencilla con etapas discretas.
Tabla 1. Resumen de las diferencias técnicas fundamentales entre las soluciones de etapas sobre granito con apoyo mecánico y las soluciones IGM.
| Descripción | Sistema de escenario sobre granito, 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 móvil (kg) | 25 | 14 | 33 | 19 | |
| Altura de la mesa (mm) | 120 | 120 | 80 | 80 | |
| Sellabilidad | La cubierta rígida y los sellos laterales ofrecen protección contra la entrada de residuos en el eje. | El IGM suele ser de diseño abierto. Para sellarlo, se requiere la adición de una cubierta de fuelle o similar. | |||
| Utilidad | Las etapas de los componentes se pueden desmontar y reparar o reemplazar fácilmente. | Los ejes están intrínsecamente integrados en la estructura del granito, lo que dificulta su mantenimiento. | |||
Comparación económica
Si bien el costo absoluto de cualquier sistema de movimiento variará en función de varios factores, como la longitud de recorrido, la precisión del eje, la capacidad de carga y las capacidades dinámicas, las comparaciones relativas de sistemas de movimiento IGM análogos y de plataforma 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 plataforma sobre granito.
Nuestro estudio económico consta de tres componentes de coste fundamentales: piezas de maquinaria (incluidas tanto las piezas fabricadas como los componentes comprados), el montaje del granito y la mano de obra y los gastos generales.
Piezas de máquinas
Una solución IGM ofrece ahorros considerables en comparación con una solución de platina sobre granito en lo que respecta a piezas de maquinaria. Esto se debe principalmente a que la solución IGM no requiere bases de platina mecanizadas con gran complejidad en los ejes X e Y, lo que aumenta la complejidad y el costo de las soluciones de platina sobre granito. Además, el ahorro de costos se debe a la relativa simplificación de otras piezas mecanizadas en la solución IGM, como los carros móviles, que pueden tener características más simples y tolerancias menos estrictas cuando se diseñan para su uso en un sistema IGM.
Conjuntos de granito
Aunque los conjuntos de base, elevador y puente de granito en los sistemas IGM y de plataforma sobre granito presentan una forma y apariencia similares, el conjunto de granito IGM es ligeramente más caro. Esto se debe a que, en la solución IGM, el granito sustituye a las bases de plataforma mecanizadas de la solución de plataforma sobre granito, lo que exige tolerancias generalmente más estrictas en las zonas críticas, e incluso características adicionales, como cortes por extrusión o insertos de acero roscados. Sin embargo, en nuestro caso de estudio, la mayor complejidad de la estructura de granito se ve ampliamente compensada por la simplificación de las piezas mecanizadas.
Mano de obra y gastos generales
Debido a las numerosas similitudes en el montaje y las pruebas de los sistemas IGM y de platina sobre granito, no existe una diferencia significativa en los costes laborales y generales.
Una vez combinados todos estos factores de coste, la solución IGM específica con cojinetes mecánicos examinada en este estudio es aproximadamente un 15% menos costosa que la solución con cojinetes mecánicos sobre plataforma de granito.
Por supuesto, los resultados del análisis económico dependen no solo de atributos como la longitud del recorrido, la precisión y la capacidad de carga, sino también de factores como la selección del proveedor de granito. Además, es prudente considerar los costos de envío y logística asociados a la adquisición de una estructura de granito. Si bien es cierto para todos los tamaños, elegir un proveedor de granito calificado que se encuentre cerca del lugar de ensamblaje final del sistema también puede ayudar a minimizar los costos, especialmente para sistemas de granito de gran tamaño.
Cabe destacar que este análisis no considera los costos posteriores a la implementación. Por ejemplo, supongamos que es necesario dar mantenimiento al sistema de movimiento, reparando o reemplazando un eje. Un sistema de plataforma sobre granito puede recibir mantenimiento simplemente retirando y reparando o reemplazando el eje afectado. Gracias a su diseño modular, esto se puede realizar con relativa facilidad y rapidez, a pesar del mayor costo inicial del sistema. Si bien los sistemas IGM generalmente se pueden obtener a un menor costo que sus contrapartes de plataforma sobre granito, su desmontaje y mantenimiento pueden ser más complejos debido a la naturaleza integrada de su construcción.
Conclusión
Es evidente que cada tipo de plataforma de movimiento —ya sea sobre granito o IGM— ofrece ventajas distintas. Sin embargo, no siempre resulta obvio cuál es la opción más idónea para una aplicación específica. Por ello, es sumamente beneficioso colaborar con un proveedor experimentado de sistemas de movimiento y automatización, como Aerotech, que ofrece un enfoque consultivo y centrado en la aplicación para explorar y brindar 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 para elegir con éxito un sistema de movimiento que cumpla con los objetivos técnicos y financieros del proyecto.
De AEROTECH.
Fecha de publicación: 31 de diciembre de 2021