La selección de la plataforma de movimiento lineal sobre granito más adecuada para una aplicación determinada depende de una multitud de factores y variables. Es fundamental reconocer que cada aplicación tiene sus propios requisitos específicos, los cuales deben comprenderse y priorizarse para lograr una solución eficaz en lo que respecta 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 con 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 soluciones y, por supuesto, cada una tiene sus propias ventajas e inconvenientes que deben comprenderse y considerarse cuidadosamente.
Para comprender mejor este proceso de toma de decisiones, evaluamos las diferencias entre dos diseños fundamentales de plataformas de movimiento lineal —una solución tradicional sobre plataforma de granito y una solución IGM— desde perspectivas tanto técnicas como financieras, mediante un estudio de caso sobre cojinetes mecánicos.
Fondo
Para explorar las similitudes y diferencias entre los sistemas IGM y los sistemas tradicionales de plataformas sobre granito, generamos dos diseños de casos de prueba:
- Cojinete mecánico, plataforma 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 vertical Z con un recorrido de 100 mm. Esta disposición se representa pictográficamente.
Para el diseño de 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 comúnmente como eje puente en muchas 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 y la disposición fundamentales de los ejes mencionados anteriormente, con la principal diferencia de que los ejes IGM están integrados directamente en la estructura de granito y, por lo tanto, carecen de las bases de componentes mecanizados presentes en los diseños de plataformas sobre granito.
En ambos casos de diseño, el eje Z es común y se optó por una plataforma PRO190SL accionada por husillo de bolas. Este eje es muy popular para su uso en orientación vertical en un puente debido a su generosa capacidad de carga y su tamaño relativamente compacto.
La figura 2 ilustra los sistemas específicos de estratificación sobre granito y de IGM estudiados.
Comparación técnica
Los sistemas IGM se diseñan utilizando diversas técnicas y componentes similares a los de los diseños tradicionales de plataformas sobre granito. Por consiguiente, comparten numerosas propiedades técnicas. Sin embargo, la integración directa de los ejes de movimiento en la estructura de 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 radica en 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 diseño.
Construcción
La ausencia de bases de eje mecanizadas en el diseño IGM ofrece ciertas ventajas sobre las soluciones con plataforma sobre granito. En particular, la reducción de componentes en el bucle estructural del IGM contribuye a aumentar la rigidez general del eje. Además, permite una menor distancia 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 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 consiguiente, en una mejora del posicionamiento del punto de trabajo.
Componentes del eje
Analizando el diseño con mayor detalle, las soluciones de plataforma sobre granito e IGM comparten algunos componentes clave, como los motores lineales y los codificadores de posición. La selección común del actuador y la pista del imán da como resultado capacidades de fuerza de salida equivalentes. Asimismo, el uso de los mismos codificadores en ambos diseños proporciona una resolución igualmente precisa para la retroalimentación de posicionamiento. Como resultado, la precisión lineal y el rendimiento de 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, da como resultado 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, 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 radica en la selección de los rodamientos de guía lineal. Si bien los rodamientos de bolas recirculantes se utilizan tanto en sistemas de plataforma 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 mecanizada independiente, 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 de mayor tamaño en el diseño IGM tiene un profundo impacto 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 manera similar, el puente del IGM ofrece una rigidez de balanceo cuatro veces mayor, el doble de rigidez de cabeceo y una rigidez de guiñada más de un 30 % mayor que su contraparte sobre plataforma de granito. Una mayor rigidez angular es ventajosa porque contribuye directamente a un mejor rendimiento dinámico, lo cual es clave para lograr una mayor productividad de la máquina.
Capacidad de carga
Los rodamientos de mayor tamaño de la solución IGM permiten una capacidad de carga útil considerablemente mayor que la de una plataforma sobre granito. Si bien 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. Del mismo 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 más grandes de los ejes IGM con cojinetes mecánicos ofrecen mejores características de rendimiento angular y 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 requeridas para 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 no varíe. Sin embargo, en ciertas situaciones, una mayor masa móvil puede ser ventajosa, ya que su mayor inercia puede proporcionar 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 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 servomotor. 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 sistema tradicional de plataforma 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 servomotor y, por lo tanto, un mejor rendimiento dinámico.
Entorno operativo
El sellado de los ejes es casi siempre obligatorio cuando hay contaminantes presentes, 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 rígidas y sellos laterales que protegen los componentes internos de la plataforma de la contaminación en un grado razonable. Estas plataformas también pueden configurarse con limpiadores de mesa opcionales para eliminar los residuos de la tapa rígida 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 esto no representa un problema en entornos limpios, puede ser problemático cuando hay contaminación. Es posible solucionar este problema incorporando una cubierta de guía especial tipo fuelle en el diseño del eje IGM para proporcionar protección contra 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 a medida que se desplaza a lo largo de todo su recorrido.
Mantenimiento
La facilidad de mantenimiento es un factor diferenciador entre las plataformas de movimiento con etapas sobre granito y las plataformas de movimiento con motores lineales integrados (IGM). Los ejes con motores lineales 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 sencilla. 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 nueva etapa.
Las soluciones IGM pueden presentar, en ocasiones, mayores dificultades a la hora de realizar el mantenimiento. Si bien sustituir una sola pista magnética del motor lineal es muy sencillo en este caso, las tareas de mantenimiento y reparación más complejas 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. Además, es más difícil realinear los ejes montados sobre granito tras el mantenimiento, una tarea que resulta considerablemente más sencilla con etapas diferenciadas.
Tabla 1. Resumen de las diferencias técnicas fundamentales entre las soluciones de plataforma sobre granito con apoyos mecánicos y las soluciones IGM.
| Descripción | Sistema de plataforma 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 superficie de la mesa (mm) | 120 | 120 | 80 | 80 | |
| Sellabilidad | La tapa dura y los sellos laterales ofrecen protección contra la entrada de suciedad en el eje. | El IGM suele tener un diseño abierto. Para sellarlo, se requiere la adición de una tapa de fuelle o similar. | |||
| Utilidad | Las etapas de los componentes se pueden desmontar y reparar o reemplazar fácilmente. | Los ejes están integrados en la estructura de granito, lo que dificulta el 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 de los ejes, la capacidad de carga y las capacidades dinámicas, las comparaciones relativas de sistemas de movimiento análogos IGM 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: las piezas de la máquina (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 un ahorro considerable en comparación con una solución de plataforma sobre granito en lo que respecta a piezas de maquinaria. Esto se debe principalmente a que la solución IGM no requiere bases de plataforma mecanizadas con precisión en los ejes Y y X, las cuales añaden complejidad y coste a las soluciones de plataforma sobre granito. Además, el ahorro de costes se atribuye a la relativa simplificación de otras piezas mecanizadas en la solución IGM, como los carros móviles, que pueden tener características más sencillas y tolerancias menos estrictas al diseñarse 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 del sistema IGM es ligeramente más caro. Esto se debe a que el granito en la solución IGM sustituye a las bases de plataforma mecanizadas de la solución de plataforma sobre granito, lo que exige que el granito tenga tolerancias generalmente más estrictas en las zonas críticas, e incluso características adicionales, como cortes extruidos o insertos de acero roscados. Sin embargo, en nuestro caso de estudio, la mayor complejidad de la estructura de granito se compensa con creces con 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 plataforma sobre granito, no existe una diferencia significativa en los costes laborales ni en los gastos generales.
Una vez combinados todos estos factores de coste, la solución específica de IGM con apoyos mecánicos examinada en este estudio resulta aproximadamente un 15 % menos costosa que la solución de plataforma sobre granito con apoyos mecánicos.
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 con la adquisición de una estructura de granito. Si bien esto aplica a todos los tamaños, elegir un proveedor de granito calificado y cercano al lugar de ensamblaje final del sistema puede ayudar a minimizar los costos.
Cabe señalar que este análisis no considera los costos posteriores a la implementación. Por ejemplo, supongamos que es necesario reparar o reemplazar un eje del sistema de movimiento. Un sistema de plataforma sobre granito se puede reparar simplemente retirando y reparando/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 costo menor 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 mediante IGM— ofrece ventajas distintas. Sin embargo, no siempre resulta obvio cuál es la opción más idónea para una aplicación de movimiento específica. Por ello, es muy beneficioso colaborar con un proveedor experimentado de sistemas de movimiento y automatización, como Aerotech, que ofrece un enfoque consultivo centrado en la aplicación para explorar y brindar información valiosa sobre alternativas de solución para aplicaciones complejas 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 del éxito al elegir un sistema de movimiento que cumpla con los objetivos técnicos y financieros del proyecto.
De AEROTECH.
Fecha de publicación: 31 de diciembre de 2021