La selección de la plataforma de movimiento lineal basada en granito más adecuada para una aplicación dada depende de una serie de factores y variables. Es crucial reconocer que cada aplicación tiene su propio conjunto único de requisitos que deben entenderse y priorizarse para seguir una solución efectiva en términos de una plataforma de movimiento.
Una de las soluciones más ubicuas implica montar etapas de posicionamiento discretas en una estructura de granito. Otra solución común integra los componentes que comprenden los ejes de movimiento directamente en el granito mismo. Elegir entre una plataforma de movimiento de granito y granito integrado (IGM) es una de las decisiones anteriores que se tomarán en el proceso de selección. Existen distinciones claras entre ambos tipos de solución y, por supuesto, cada uno tiene sus propios méritos, y advertencias, que deben ser cuidadosamente entendidas y consideradas.
Para ofrecer una mejor visión de este proceso de toma de decisiones, evaluamos las diferencias entre dos diseños fundamentales de la plataforma de movimiento lineal, una solución tradicional de etapa en granito y una solución IGM, desde perspectivas técnicas y financieras en forma de un estudio de caso mecánico.
Fondo
Para explorar las similitudes y diferencias entre los sistemas IgM y los sistemas tradicionales de escenario en granito, generamos dos diseños de casos de prueba:
- Rodamiento mecánico, etapa en granito
- Rodamiento mecánico, igm
En ambos casos, cada sistema consta de tres ejes de movimiento. El eje Y ofrece 1000 mm de viaje y se encuentra en la base de la estructura de granito. El eje X, ubicado en el puente del ensamblaje con 400 mm de viaje, lleva el eje Z vertical con 100 mm de viaje. Este arreglo está representado picrográficamente.
Para el diseño de la etapa en granito, seleccionamos una etapa de cuerpo ancho PRO560LM para el eje Y debido a su mayor capacidad de transporte de carga, común para muchas aplicaciones de movimiento utilizando esta disposición "Y/XZ Divir-Bridge". Para el eje x, elegimos un PRO280LM, que se usa comúnmente como eje de puente en muchas aplicaciones. El PRO280LM ofrece un equilibrio práctico entre su huella y su capacidad para llevar un eje Z con una carga útil del cliente.
Para los diseños de IGM, replicamos de cerca los conceptos y diseños de diseño fundamentales de los ejes anteriores, con la principal diferencia es que los ejes IgM se construyen directamente en la estructura de granito y, por lo tanto, carecen de las bases componentes mecanizadas presentes en los diseños de granita en la etapa.
Común en ambos casos de diseño es el eje Z, que se eligió como una etapa de tornillo de pelota PRO190SL. Este es un eje muy popular para usar en la orientación vertical en un puente debido a su generosa capacidad de carga útil y un factor de forma relativamente compacto.
La Figura 2 ilustra los sistemas específicos de etapa en granito e IgM estudiados.
Comparación técnica
Los sistemas IGM están diseñados utilizando una variedad de técnicas y componentes que son similares a los que se encuentran en los diseños tradicionales de escenario en granito. Como resultado, existen numerosas propiedades técnicas en común entre los sistemas IGM y los sistemas de etapa en granito. Por el contrario, la integración de los ejes de movimiento directamente en la estructura de granito ofrece varias características distintivas que diferencian los sistemas IgM de los sistemas de etapa en granito.
Factor de forma
Quizás la similitud más obvia comienza con la base de la máquina: el granito. Aunque existen diferencias en las características y tolerancias entre los diseños de etapa en granito e IgM, las dimensiones generales de la base de granito, los elevadores y el puente son equivalentes. Esto se debe principalmente a que los viajes nominales y límite son idénticos entre el escenario en granito e IgM.
Construcción
La falta de bases del eje mecanizado-componente en el diseño de IGM proporciona ciertas ventajas sobre las soluciones de etapa en granito. En particular, la reducción de los componentes en el bucle estructural del IGM ayuda 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 estudio de caso particular, el diseño IGM ofrece una altura de superficie de trabajo 33% más baja (80 mm en comparación con 120 mm). Esta altura de trabajo más pequeña no solo permite un diseño más compacto, sino que también reduce las compensaciones de la máquina del motor y el codificador al punto de trabajo, lo que resulta en errores de ABBE reducidos y, por lo tanto, mejoró el rendimiento de posicionamiento del punto de trabajo.
Componentes del eje
Mirando más profundamente en el diseño, las soluciones de Etapa contra Granite e IGM comparten algunos componentes clave, como motores lineales y codificadores de posición. La selección común de Forcer y Magnet Track conduce a capacidades de fuerza-salida equivalentes. Del mismo modo, el uso de los mismos codificadores en ambos diseños proporciona una resolución idénticamente fina para posicionar la retroalimentación. Como resultado, la precisión lineal y el rendimiento de la repetibilidad no son significativamente diferentes entre las soluciones de etapa contra granito e IgM. El diseño de componentes similar, incluida la separación de rodamientos y el tolerancia, conduce a un rendimiento comparable en términos de movimientos de error geométrico (es decir, rectitud horizontal y vertical, tono, rollo y guiñada). Finalmente, los elementos de soporte de ambos diseños, incluidos la gestión de cables, los límites eléctricos y las hardstops, tienen una función fundamentalmente idéntica, aunque pueden variar algo en apariencia física.
Aspectos
Para este diseño en particular, una de las diferencias más notables es la selección de rodamientos de guía lineales. Aunque los rodamientos de bolas recirculantes se utilizan tanto en los sistemas de etapa en granito como de IgM, el sistema IGM permite incorporar cojinetes más grandes y más rígidos en el diseño sin aumentar la altura de trabajo del eje. Debido a que el diseño de IgM se basa en el granito como su base, en oposición a una base de componentes mecanizados separados, es posible reclamar algunos de los bienes raíces verticales que de otro modo serían consumidos por una base mecanizada, y esencialmente llenar este espacio con rodamientos más grandes y aún reduciendo la altura general del carro por encima del granito.
Rigidez
El uso de rodamientos más grandes en el diseño de IgM tiene un profundo impacto en la rigidez angular. En el caso del eje inferior de cuerpo ancho (Y), la solución IGM ofrece más de 40% mayor rigidez en el balanceo, 30% mayor de rigidez de tono y un 20% de rigidez de guiñada 20% mayor que un diseño correspondiente de etapa en granito. Del mismo modo, el Puente del IGM ofrece un aumento de cuatro veces en la rigidez del balanceo, el doble de la rigidez del tono y más del 30% mayor de rigidez de guiñada que su contraparte de la etapa en granito. Una mayor rigidez angular es ventajosa porque contribuye directamente a un mejor rendimiento dinámico, lo cual es clave para permitir un mayor rendimiento de la máquina.
Capacidad de carga
Los rodamientos más grandes de la solución IGM permiten una capacidad de carga útil sustancialmente más alta que una solución de etapa en granito. Aunque el eje base PRO560LM de la solución de etapa en granito tiene una capacidad de carga de 150 kg, la solución IGM correspondiente puede acomodar una carga útil de 300 kg. Del mismo modo, el eje de puente PRO280LM de la etapa en Granite admite 150 kg, mientras que el eje del puente de la solución IGM puede transportar hasta 200 kg.
Masa móvil
Mientras que los cojinetes más grandes en los ejes IgM de soporte mecánico ofrecen mejores atributos de rendimiento angular y una mayor capacidad de carga, también vienen con camiones más grandes y pesados. Además, los carruajes IgM están diseñados de tal manera que ciertas características mecanizadas necesarias para un eje de etapa en granito (pero no requerido por un eje de IgM) se eliminan para aumentar la rigidez de las piezas y simplificar la fabricación. Estos factores significan que el eje IgM tiene una masa móvil mayor que un eje de etapa en granito correspondiente. Un inconveniente indiscutible es que la aceleración máxima del IGM es menor, suponiendo que la salida de fuerza del motor no haya cambiado. Sin embargo, en ciertas situaciones, una masa móvil más grande puede ser ventajosa desde la perspectiva de que su inercia mayor puede proporcionar una mayor resistencia a las perturbaciones, lo que puede correlacionarse con una mayor estabilidad en posición.
Dinámica estructural
La mayor rigidez del sistema IGM y el carro más rígido proporcionan beneficios adicionales que son evidentes después de usar un paquete de software de análisis de elementos finitos (FEA) para realizar un análisis modal. En este estudio, examinamos la primera resonancia del transporte móvil debido a su efecto sobre el ancho de banda del servo. El carro PRO560LM encuentra una resonancia a 400 Hz, mientras que el carro de 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 etapa tradicional de la etapa en granito, puede atribuirse en parte al diseño de carro y rodamiento más rígido. Una mayor resonancia de carro hace posible tener un mayor ancho de banda de servo y, por lo tanto, un rendimiento dinámico mejorado.
Entorno operativo
La capacidad de sellado del eje es casi siempre obligatoria cuando hay contaminantes presentes, ya sea generados a través del proceso del usuario o de otra manera existente en el entorno de la máquina. Las soluciones de etapa en granito son particularmente adecuadas en estas situaciones debido a la naturaleza inherentemente cerrada del eje. Las etapas lineales de la serie pro vienen equipadas con cubiertas duras y sellos laterales que protegen los componentes de la etapa interna de la contaminación en un grado razonable. Estas etapas también se pueden configurar con limpiaparabrisas opcionales para barrer los restos de la tapa dura superior a medida que atraviesa el escenario. Por otro lado, las plataformas de movimiento IGM son inherentemente abiertas en la naturaleza, con los rodamientos, motores y codificadores expuestos. Aunque no es un problema en entornos más limpios, esto puede ser problemático cuando la contaminación está presente. Es posible abordar este problema incorporando una capa de vía de estilo de fuelle especial en un diseño de eje IgM para proporcionar protección contra los escombros. Pero si no se implementa correctamente, los fuelles pueden influir negativamente en el movimiento del eje al impartir fuerzas externas en el carro a medida que se mueve a través de su rango completo de viajes.
Mantenimiento
La capacidad de servicio es un diferenciador entre las plataformas de movimiento de etapa en granito e IGM. Los ejes motores lineales son bien conocidos por su robustez, pero a veces es necesario realizar el mantenimiento. Ciertas operaciones de mantenimiento son relativamente simples y se pueden lograr sin eliminar o desmontar el eje en cuestión, pero a veces se requiere un desmontaje más completo. Cuando la plataforma de movimiento consiste en etapas discretas montadas en granito, el servicio es una tarea razonablemente directa. Primero, desmonte el escenario del granito, luego realice el trabajo de mantenimiento necesario y vuelva a montarlo. O simplemente reemplácelo con una nueva etapa.
Las soluciones de IGM a veces pueden ser más desafiantes al realizar el mantenimiento. Aunque reemplazar una pista de un solo imán del motor lineal es muy simple en este caso, el mantenimiento y las reparaciones más complicados a menudo implican desmontar completamente muchos o todos los componentes que comprenden el eje, lo que lleva más tiempo cuando los componentes están montados directamente a granito. También es más difícil realinear los ejes a base de granito entre sí después de realizar el mantenimiento, una tarea que es considerablemente más directa con las etapas discretas.
Tabla 1. Un resumen de las diferencias técnicas fundamentales entre las soluciones de IgM de etapa de origen mecánica y IgM.
| Descripción | Sistema de etapa sobre granito, rodamiento mecánico | Sistema IgM, rodamiento mecánico | |||
| Eje base (y) | Eje de puente (x) | Eje base (y) | Eje de 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 | |
| Misa en movimiento (kg) | 25 | 14 | 33 | 19 | |
| Altura de mesa (mm) | 120 | 120 | 80 | 80 | |
| Capacidad sellada | La tapa dura y los sellos laterales ofrecen protección contra los escombros que ingresan al eje. | IGM suele ser un diseño abierto. El sellado requiere la adición de una cubierta de fuelle o similar. | |||
| Utilidad | Las etapas de los componentes se pueden eliminar y reemplazar fácilmente. | Los ejes están inherentemente integrados en la estructura de granito, lo que dificulta el servicio. | |||
Comparación económica
Si bien el costo absoluto de cualquier sistema de movimiento variará en función de varios factores, incluida la longitud del viaje, la precisión del eje, la capacidad de carga y las capacidades dinámicas, las comparaciones relativas de IgM análogos y sistemas de movimiento de estadio en granito realizados en este estudio sugieren que las soluciones de IGM son capaces de ofrecer un movimiento mediano a alta precisión a costos moderadamente más bajos que en sus contramanadas de enrutados.
Nuestro estudio económico consta de tres componentes de costos fundamentales: piezas de máquina (incluidas las piezas fabricadas y los componentes comprados), el ensamblaje de granito y la mano de obra y la sobrecarga.
Piezas de la máquina
Una solución IGM ofrece ahorros notables en una solución de etapa en granito en términos de piezas de la máquina. Esto se debe principalmente a la falta de bases de etapa intrincadamente mecanizadas en los ejes Y y X, que agregan complejidad y costo a las soluciones de etapa en granito. Además, los ahorros de costos pueden atribuirse a la simplificación relativa de otras piezas mecanizadas en la solución IGM, como los carruajes móviles, que pueden tener características más simples y tolerancias algo más relajadas cuando se diseñan para su uso en un sistema IGM.
Ensamblajes de granito
Aunque los ensamblajes de puente-subdirector de granito en el IgM y los sistemas de etapa en granito parecen tener un factor y apariencia de forma similares, el ensamblaje de granito IgM es marginalmente más costoso. Esto se debe a que el granito en la solución IGM toma el lugar de las bases de la etapa mecanizada en la solución de etapa en granito, lo que requiere que el granito tenga tolerancias generalmente más estrictas en regiones críticas e incluso características adicionales, como cortes extruidos y/o insertos de acero roscado, por ejemplo. Sin embargo, en nuestro estudio de caso, la complejidad adicional de la estructura de granito es más que compensada por la simplificación en las piezas de la máquina.
Trabajo de parto y por encima
Debido a las muchas similitudes en el ensamblaje y la prueba de los sistemas IgM y de etapa en 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 de IgM de contenido mecánico específico examinada en este estudio es aproximadamente un 15% menos costosa que la solución de etapa en granito mecánica.
Por supuesto, los resultados del análisis económico dependen no solo de atributos como la longitud del viaje, 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 con la adquisición de una estructura de granito. Especialmente útil para sistemas de granito muy grandes, aunque es cierto para todos los tamaños, elegir un proveedor de granito calificado en una proximidad más cercana a la ubicación del ensamblaje del sistema final también puede ayudar a minimizar los costos.
También se debe tener en cuenta que este análisis no considera los costos posteriores a la implementación. Por ejemplo, suponga que es necesario atender el sistema de movimiento reparando o reemplazando un eje de movimiento. Se puede dar servicio a un sistema de etapa sobre granito simplemente eliminando y reparando/reemplazando el eje afectado. Debido al diseño de estilo escénico más modular, esto se puede hacer con relativa facilidad y velocidad, a pesar del costo inicial más alto del sistema. Aunque los sistemas IGM generalmente se pueden obtener a un costo más bajo que sus homólogos de etapa en granito, pueden ser más difíciles de desmontar y servicio debido a la naturaleza integrada de la construcción.
Conclusión
Claramente, cada tipo de diseño de plataforma de movimiento, etapa en granito e IgM, puede ofrecer distintos beneficios. Sin embargo, no siempre es obvio cuál es la opción más ideal para una aplicación de movimiento particular. Por lo tanto, es 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 una visión valiosa de las alternativas de soluciones para desafiar las aplicaciones de control de movimiento y automatización. 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 subyacente para el éxito en la elección de un sistema de movimiento que aborde los objetivos técnicos y financieros del proyecto.
De Aerotech.
Tiempo de publicación: diciembre 31-2021