La selección de la plataforma de movimiento lineal a base de granito más adecuada para una aplicación determinada depende de una serie de factores y variables.Es fundamental reconocer que todas y cada una de las aplicaciones tienen su propio conjunto único de requisitos que deben entenderse y priorizarse para buscar una solución eficaz 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 componen los ejes de movimiento directamente en el propio granito.Elegir entre una plataforma de escenario sobre granito y una plataforma de movimiento integrado de granito (IGM) es una de las primeras decisiones que se deben tomar en el proceso de selección.Existen distinciones claras entre ambos tipos de soluciones y, por supuesto, cada una tiene sus propios méritos (y advertencias) que deben entenderse y considerarse cuidadosamente.
Para ofrecer una mejor visión de este proceso de toma de decisiones, evaluamos las diferencias entre dos diseños fundamentales de plataforma de movimiento lineal (una solución tradicional de escenario sobre granito y una solución IGM) desde perspectivas tanto técnicas como financieras en forma de una solución mecánica. Estudio de caso de rodamiento.
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 está ubicado en la base de la estructura de granito.El eje X, situado en el puente del conjunto con 400 mm de recorrido, lleva al eje Z vertical con 100 mm de recorrido.Esta disposición se representa pictográficamente.
Para el diseño de escenario sobre granito, seleccionamos un escenario de cuerpo ancho PRO560LM para el eje Y debido a su mayor capacidad de carga, común para muchas aplicaciones de movimiento que utilizan esta disposición de “puente dividido Y/XZ”.Para el eje X, elegimos un PRO280LM, que se utiliza habitualmente como eje puente en muchas aplicaciones.El PRO280LM ofrece un equilibrio práctico entre su tamaño y su capacidad para transportar un eje Z con una carga útil del cliente.
Para los diseños de IGM, replicamos fielmente los conceptos de diseño fundamentales y los diseños 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 el escenario. -diseños de granito.
En ambos casos de diseño es común el eje Z, que se eligió para ser una platina accionada por husillo de bolas PRO190SL.Este es un eje muy popular para usar en orientación vertical en un puente debido a su generosa capacidad de carga útil y su factor de forma relativamente compacto.
La Figura 2 ilustra los sistemas IGM y de etapa sobre granito específicos estudiados.
Comparación técnica
Los sistemas IGM están diseñados utilizando una variedad de técnicas y componentes similares a los que se encuentran en los diseños tradicionales de escenario sobre granito.Como resultado, existen numerosas propiedades técnicas en común entre los sistemas IGM y los sistemas de etapa sobre granito.Por el contrario, integrar los ejes de movimiento directamente en la estructura de granito ofrece varias características distintivas que diferencian los sistemas IGM de los sistemas de escenario sobre 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 escenario sobre granito e 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 la etapa sobre granito y el IGM.
Construcción
La falta de bases de ejes con componentes mecanizados en el diseño IGM proporciona ciertas ventajas sobre las soluciones de etapa sobre granito.En particular, la reducción de 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 caso de estudio particular, el diseño IGM ofrece una altura de la superficie de trabajo un 33% menor (80 mm en comparación con 120 mm).Esta altura de trabajo más pequeña no solo permite un diseño más compacto, sino que también reduce los desplazamientos de la máquina desde el motor y el codificador hasta el punto de trabajo, lo que resulta en una reducción de los errores de Abbe y, por lo tanto, un mejor rendimiento de posicionamiento del punto de trabajo.
Componentes del eje
Al profundizar en el diseño, las soluciones de etapa sobre granito e IGM comparten algunos componentes clave, como motores lineales y codificadores de posición.La selección común de fuerza y pista de imán conduce a capacidades de salida de fuerza equivalentes.Del mismo modo, el uso de los mismos codificadores en ambos diseños proporciona una resolución igualmente fina para la retroalimentación de posicionamiento.Como resultado, el rendimiento de precisión lineal y repetibilidad no es significativamente diferente entre las soluciones de etapa sobre granito e IGM.Una disposición similar de los componentes, incluida la separación y tolerancia de los cojinetes, conduce a 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, incluida la gestión de cables, los límites eléctricos y los topes rígidos, tienen una función fundamentalmente idéntica, aunque pueden variar algo en su apariencia física.
Aspectos
Para este diseño en particular, una de las diferencias más notables es la selección de rodamientos de guía lineal.Aunque los rodamientos de bolas de recirculación se utilizan tanto en los sistemas de etapa sobre granito como en los sistemas IGM, el sistema IGM permite incorporar rodamientos más grandes y rígidos al diseño sin aumentar la altura de trabajo del eje.Debido a que el diseño IGM se basa en el granito como base, a diferencia de una base de componentes mecanizados separados, es posible recuperar parte del espacio vertical que de otro modo sería consumido por una base maquinada y, esencialmente, llenar este espacio con materiales más grandes. rodamientos y al mismo tiempo reducir 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 carrocería ancha, la solución IGM ofrece más de un 40 % más de rigidez de balanceo, un 30 % más de rigidez de cabeceo y un 20 % más de rigidez de guiñada que un diseño correspondiente de etapa sobre granito.De manera similar, el puente del IGM ofrece un aumento cuatro veces mayor en la rigidez de balanceo, el doble de rigidez de cabeceo y más de un 30% más de rigidez de guiñada que su contraparte de escenario sobre granito.Una mayor rigidez angular es ventajosa porque contribuye directamente a mejorar el 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 mayor que una solución de etapa sobre granito.Aunque el eje base PRO560LM de la solución de escenario sobre granito tiene una capacidad de carga de 150 kg, la solución IGM correspondiente puede acomodar una carga útil de 300 kg.De manera similar, el eje del puente PRO280LM del escenario sobre granito soporta 150 kg, mientras que el eje del puente de la solución IGM puede soportar hasta 200 kg.
masa en movimiento
Si bien los rodamientos más grandes en los ejes IGM con rodamientos mecánicos ofrecen mejores atributos de rendimiento angular y una mayor capacidad de carga, también vienen con ejes más grandes y pesados.Además, los carros IGM están diseñados de manera que ciertas características mecanizadas necesarias para un eje de etapa sobre granito (pero no requeridas por un eje IGM) se eliminan para aumentar la rigidez de la pieza y simplificar la fabricación.Estos factores significan que el eje IGM tiene una mayor masa en movimiento que un eje de etapa sobre granito correspondiente.Una desventaja indiscutible es que la aceleración máxima del IGM es menor, suponiendo que la fuerza del motor no cambie.Sin embargo, en ciertas situaciones, una masa en movimiento más grande puede ser ventajosa desde la perspectiva de 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 rodamientos y el carro más rígido del sistema IGM brindan 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 carro en movimiento debido a su efecto en el ancho de banda del servo.El carro PRO560LM encuentra 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 puede atribuir en parte al diseño más rígido del carro y del cojinete.Una mayor resonancia del carro permite tener un mayor ancho de banda del servo y, por lo tanto, un rendimiento dinámico mejorado.
Entorno operativo
La sellabilidad del eje casi siempre es obligatoria cuando hay contaminantes presentes, ya sea generados a través del proceso del usuario o existentes en el entorno de la máquina.Las soluciones de etapa sobre granito son particularmente adecuadas en estas situaciones debido a la naturaleza inherentemente cerrada del eje.Las etapas lineales de la serie PRO, por ejemplo, vienen equipadas con tapas duras y sellos laterales que protegen los componentes internos de la etapa de la contaminación en un grado razonable.Estos escenarios también se pueden configurar con limpiadores de mesa opcionales para barrer los residuos de la tapa dura superior a medida que avanza el escenario.Por otro lado, las plataformas de movimiento IGM son inherentemente de naturaleza abierta, con los rodamientos, motores y codificadores expuestos.Aunque no es un problema en ambientes más limpios, esto puede ser problemático cuando hay contaminación presente.Es posible abordar este problema incorporando una cubierta de paso estilo fuelle especial en el diseño de un eje IGM para brindar protección contra los desechos.Pero si no se implementa correctamente, los fuelles pueden influir negativamente en el movimiento del eje al impartir fuerzas externas sobre el carro a medida que recorre todo su rango de recorrido.
Mantenimiento
La facilidad de servicio es un diferenciador entre las plataformas de movimiento IGM y de escenario sobre granito.Los ejes de motores lineales son bien conocidos por su robustez, pero en ocasiones resulta necesario realizar un mantenimiento.Ciertas operaciones de mantenimiento son relativamente sencillas y pueden realizarse sin quitar ni desmontar el eje en cuestión, pero a veces es necesario un desmontaje más exhaustivo.Cuando la plataforma de movimiento consta de etapas discretas montadas sobre granito, el mantenimiento es una tarea razonablemente sencilla.Primero, desmonte el escenario del granito, luego realice los trabajos de mantenimiento necesarios y vuelva a montarlo.O simplemente reemplácelo con una nueva etapa.
Las soluciones IGM a veces pueden resultar más desafiantes al realizar el mantenimiento.Aunque reemplazar una sola pista magnética del motor lineal es muy simple en este caso, el mantenimiento y las reparaciones más complicadas a menudo implican el desmontaje completo de muchos o todos los componentes que componen el 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 de realizar el mantenimiento, una tarea que es considerablemente más sencilla con etapas discretas.
Tabla 1. Un resumen de las diferencias técnicas fundamentales entre las soluciones de etapa sobre granito con soporte mecánico y las soluciones IGM.
| Descripción | Sistema de etapa sobre granito, cojinete mecánico | Sistema IGM, rodamiento 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 | Los sellos laterales y de tapa dura ofrecen protección contra la entrada de residuos en el eje. | IGM suele ser 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 integradas inherentemente en la estructura de granito, lo que dificulta el mantenimiento. | |||
Comparación económica
Si bien el costo absoluto de cualquier sistema de movimiento variará según varios factores, incluida la longitud del recorrido, la precisión del eje, la capacidad de carga y las capacidades dinámicas, las comparaciones relativas de sistemas de movimiento IGM análogos y de escenario sobre granito realizadas en este estudio sugieren que las soluciones IGM son capaces de ofrecer movimientos de precisión media a alta a costos moderadamente más bajos que sus contrapartes de escenario sobre granito.
Nuestro estudio económico consta de tres componentes de costos fundamentales: las piezas de la máquina (incluidas tanto las piezas fabricadas como los componentes comprados), el ensamblaje de granito y la mano de obra y los gastos generales.
Partes de máquina
Una solución IGM ofrece ahorros notables respecto a una solución de plataforma sobre granito en términos de piezas de la máquina.Esto se debe principalmente a la falta de bases de escenario mecanizadas intrincadamente en los ejes Y y X del IGM, lo que agrega complejidad y costo a las soluciones de escenario sobre granito.Además, los ahorros de costos pueden atribuirse a la relativa simplificación de otras piezas mecanizadas en la solución IGM, como los carros móviles, que pueden tener características más simples y tolerancias algo más relajadas cuando se diseñan para su uso en un sistema IGM.
Ensambles de Granito
Aunque los conjuntos de base, contrahuella y puente de granito tanto en el sistema IGM como en el de plataforma sobre granito parecen tener un factor de forma y apariencia similares, el conjunto de granito IGM es marginalmente más caro.Esto se debe a que el granito en la solución IGM reemplaza las bases de etapa mecanizadas en la solución de etapa sobre granito, lo que requiere que el granito tenga tolerancias generalmente más estrictas en regiones críticas, e incluso características adicionales, como cortes extruidos y/o o insertos roscados de acero, por ejemplo.Sin embargo, en nuestro caso de estudio, la complejidad añadida de la estructura de granito queda más que compensada por la simplificación de las piezas de la máquina.
Mano de obra y gastos generales
Debido a las muchas similitudes en el ensamblaje y prueba de los sistemas IGM y de etapa sobre granito, no existe una diferencia significativa en los costos de mano de obra y 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 de plataforma sobre granito con soporte mecánico.
Por supuesto, los resultados del análisis económico dependen no sólo 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.Especialmente útil para sistemas de granito muy grandes, aunque cierto para todos los tamaños, elegir un proveedor de granito calificado más cerca de la ubicación del ensamblaje final del sistema también puede ayudar a minimizar los costos.
Cabe señalar también que este análisis no considera los costos posteriores a la implementación.Por ejemplo, supongamos que es necesario dar servicio al sistema de movimiento reparando o reemplazando un eje de movimiento.Se puede reparar un sistema de etapa sobre granito simplemente quitando y reparando/reemplazando el eje afectado.Debido al diseño de estilo escenario más modular, esto se puede hacer con relativa facilidad y rapidez, a pesar del mayor costo inicial del sistema.Aunque los sistemas IGM generalmente se pueden obtener a un costo menor que sus contrapartes de granito, su desmontaje y mantenimiento pueden ser más difíciles debido a la naturaleza integrada de la construcción.
Conclusión
Claramente, cada tipo de diseño de plataforma de movimiento (escenario sobre 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 automatización y movimiento, como Aerotech, que ofrece un enfoque consultivo claramente centrado en las aplicaciones para explorar y proporcionar información valiosa sobre alternativas de solución para aplicaciones desafiantes de automatización y control 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 subyacente para el éxito en la elección de un sistema de movimiento que aborde los objetivos técnicos y financieros del proyecto.
De AEROTECNO.
Hora de publicación: 31-dic-2021