A diferença entre sistemas de movimento com palco sobre granito e sistemas de movimento integrados ao granito

A seleção da plataforma de movimento linear em granito mais adequada para uma determinada aplicação depende de uma série de fatores e variáveis. É crucial reconhecer que cada aplicação possui um conjunto único de requisitos que devem ser compreendidos e priorizados para se obter uma solução eficaz em termos de plataforma de movimento.

Uma das soluções mais comuns envolve a montagem de plataformas de posicionamento discretas em uma estrutura de granito. Outra solução frequente integra os componentes que compõem os eixos de movimento diretamente no próprio granito. A escolha entre uma plataforma com plataforma sobre granito e uma plataforma de movimento integrada ao granito (IGM) é uma das primeiras decisões a serem tomadas no processo de seleção. Existem distinções claras entre os dois tipos de solução e, naturalmente, cada uma possui seus próprios méritos — e ressalvas — que precisam ser cuidadosamente compreendidos e considerados.

Para oferecer uma melhor compreensão desse processo de tomada de decisão, avaliamos as diferenças entre dois projetos fundamentais de plataformas de movimento linear — uma solução tradicional com plataforma sobre granito e uma solução IGM — tanto do ponto de vista técnico quanto financeiro, por meio de um estudo de caso com mancais mecânicos.

Fundo

Para explorar as semelhanças e diferenças entre os sistemas IGM e os sistemas tradicionais de plataforma sobre granito, geramos dois projetos de casos de teste:

• Mancal mecânico, plataforma sobre granito
• Rolamento mecânico, IGM

Em ambos os casos, cada sistema consiste em três eixos de movimento. O eixo Y oferece 1000 mm de curso e está localizado na base da estrutura de granito. O eixo X, localizado na ponte do conjunto com 400 mm de curso, suporta o eixo Z vertical com 100 mm de curso. Essa disposição é representada pictograficamente.

Para o projeto com plataforma sobre granito, selecionamos uma plataforma de corpo largo PRO560LM para o eixo Y devido à sua maior capacidade de carga, comum em muitas aplicações de movimento que utilizam essa configuração de "ponte dividida Y/XZ". Para o eixo X, escolhemos uma PRO280LM, que é comumente usada como eixo de ponte em diversas aplicações. A PRO280LM oferece um equilíbrio prático entre seu tamanho e sua capacidade de suportar um eixo Z com a carga útil do cliente.

Para os projetos IGM, replicamos fielmente os conceitos e layouts fundamentais dos eixos acima mencionados, sendo a principal diferença o fato de os eixos IGM serem construídos diretamente na estrutura de granito e, portanto, não possuírem as bases de componentes usinados presentes nos projetos de palco sobre granito.

Comum em ambos os projetos é o eixo Z, que foi escolhido como sendo um estágio acionado por fuso de esferas PRO190SL. Este é um eixo muito popular para uso na orientação vertical em pontes devido à sua generosa capacidade de carga e formato relativamente compacto.

A Figura 2 ilustra os sistemas específicos de estágios sobre granito e IGM estudados.

Comparação técnica

Os sistemas IGM são projetados utilizando uma variedade de técnicas e componentes semelhantes aos encontrados em projetos tradicionais de plataformas sobre granito. Como resultado, existem inúmeras propriedades técnicas em comum entre os sistemas IGM e os sistemas de plataformas sobre granito. Por outro lado, a integração dos eixos de movimento diretamente na estrutura do granito oferece diversas características distintivas que diferenciam os sistemas IGM dos sistemas de plataformas sobre granito.

Fator de forma

Talvez a semelhança mais óbvia comece com a base da máquina — o granito. Embora existam diferenças nas características e tolerâncias entre os projetos de plataforma sobre granito e os projetos IGM, as dimensões gerais da base de granito, dos elevadores e da ponte são equivalentes. Isso ocorre principalmente porque os cursos nominais e limites são idênticos entre os projetos de plataforma sobre granito e os projetos IGM.

Construção

A ausência de bases de eixos usinadas no projeto IGM oferece certas vantagens em relação às soluções com mesa sobre granito. Em particular, a redução de componentes no circuito estrutural do IGM contribui para aumentar a rigidez geral do eixo. Também permite uma distância menor entre a base de granito e a superfície superior do carro. Neste estudo de caso específico, o projeto IGM oferece uma altura de superfície de trabalho 33% menor (80 mm em comparação com 120 mm). Essa menor altura de trabalho não só permite um design mais compacto, como também reduz os deslocamentos da máquina entre o motor e o encoder e o ponto de trabalho, resultando em menores erros de Abbe e, consequentemente, em um melhor desempenho de posicionamento do ponto de trabalho.

Componentes do eixo

Analisando o projeto mais a fundo, as soluções de plataforma sobre granito e IGM compartilham alguns componentes-chave, como motores lineares e encoders de posição. A seleção comum de atuador e trilho magnético resulta em capacidades de força equivalentes. Da mesma forma, o uso dos mesmos encoders em ambos os projetos proporciona a mesma resolução para o feedback de posicionamento. Consequentemente, o desempenho em termos de precisão linear e repetibilidade não difere significativamente entre as soluções de plataforma sobre granito e IGM. O layout similar dos componentes, incluindo o espaçamento e as tolerâncias dos rolamentos, leva a um desempenho comparável em termos de erros geométricos de movimento (ou seja, retidão horizontal e vertical, inclinação, rotação e guinada). Por fim, os elementos de suporte de ambos os projetos, incluindo o gerenciamento de cabos, os limites elétricos e os batentes, são fundamentalmente idênticos em função, embora possam variar um pouco na aparência física.

Rolamentos

Para este projeto específico, uma das diferenças mais notáveis ​​é a seleção dos rolamentos de guia linear. Embora rolamentos de esferas recirculantes sejam usados ​​tanto em sistemas com plataforma sobre granito quanto em sistemas IGM, o sistema IGM permite incorporar rolamentos maiores e mais rígidos ao projeto sem aumentar a altura de trabalho do eixo. Como o projeto IGM utiliza o granito como base, em vez de uma base usinada separada, é possível recuperar parte do espaço vertical que seria ocupado por uma base usinada e, essencialmente, preencher esse espaço com rolamentos maiores, reduzindo ainda a altura total do carro acima do granito.

Rigidez

A utilização de rolamentos maiores no projeto IGM tem um impacto profundo na rigidez angular. No caso do eixo inferior de corpo largo (Y), a solução IGM oferece mais de 40% de rigidez de rolamento, 30% de rigidez de arfagem e 20% de rigidez de guinada em comparação com um projeto equivalente com plataforma sobre granito. Da mesma forma, a ponte do IGM oferece um aumento de quatro vezes na rigidez de rolamento, o dobro da rigidez de arfagem e mais de 30% de rigidez de guinada em relação à sua contraparte com plataforma sobre granito. Uma maior rigidez angular é vantajosa porque contribui diretamente para um melhor desempenho dinâmico, o que é fundamental para permitir uma maior produtividade da máquina.

Capacidade de carga

Os rolamentos maiores da solução IGM permitem uma capacidade de carga útil substancialmente maior do que uma solução com plataforma sobre granito. Embora o eixo de base PRO560LM da solução com plataforma sobre granito tenha uma capacidade de carga de 150 kg, a solução IGM correspondente pode acomodar uma carga útil de 300 kg. Da mesma forma, o eixo da ponte PRO280LM da plataforma sobre granito suporta 150 kg, enquanto o eixo da ponte da solução IGM pode suportar até 200 kg.

Massa em movimento

Embora os rolamentos maiores nos eixos IGM com rolamentos mecânicos ofereçam melhores atributos de desempenho angular e maior capacidade de carga, eles também vêm com carros maiores e mais pesados. Além disso, os carros IGM são projetados de forma que certos recursos usinados necessários para um eixo de mesa fixa (mas não exigidos por um eixo IGM) sejam removidos para aumentar a rigidez da peça e simplificar a fabricação. Esses fatores significam que o eixo IGM tem uma massa móvel maior do que um eixo de mesa fixa correspondente. Uma desvantagem indiscutível é que a aceleração máxima do IGM é menor, assumindo que a força de saída do motor permaneça inalterada. No entanto, em certas situações, uma massa móvel maior pode ser vantajosa, pois sua maior inércia pode proporcionar maior resistência a perturbações, o que pode se correlacionar com maior estabilidade na posição.

Dinâmica Estrutural

A maior rigidez dos rolamentos e a estrutura mais rígida do sistema IGM proporcionam benefícios adicionais que se tornam evidentes após a utilização de um software de análise de elementos finitos (FEA) para realizar uma análise modal. Neste estudo, examinamos a primeira ressonância da estrutura móvel devido ao seu efeito na largura de banda do servo. A estrutura do PRO560LM apresenta uma ressonância em 400 Hz, enquanto a estrutura correspondente do IGM apresenta o mesmo modo em 430 Hz. A Figura 3 ilustra esse resultado.

A maior ressonância da solução IGM, em comparação com a plataforma tradicional sobre granito, pode ser atribuída em parte ao projeto mais rígido do carro e dos rolamentos. Uma maior ressonância do carro possibilita uma maior largura de banda do servo e, portanto, um melhor desempenho dinâmico.

Ambiente operacional

A vedação do eixo é quase sempre obrigatória quando há contaminantes presentes, sejam eles gerados pelo processo do usuário ou existentes no ambiente da máquina. As soluções de mesa sobre granito são particularmente adequadas nessas situações devido à natureza inerentemente fechada do eixo. As mesas lineares da série PRO, por exemplo, vêm equipadas com tampas rígidas e vedações laterais que protegem os componentes internos da mesa contra contaminação em um nível razoável. Essas mesas também podem ser configuradas com limpadores de mesa opcionais para remover detritos da tampa rígida superior à medida que a mesa se desloca. Por outro lado, as plataformas de movimento IGM são inerentemente abertas, com os rolamentos, motores e encoders expostos. Embora não seja um problema em ambientes mais limpos, isso pode ser problemático quando há contaminação. É possível resolver esse problema incorporando uma cobertura especial tipo fole em um projeto de eixo IGM para fornecer proteção contra detritos. Mas, se não for implementado corretamente, o fole pode influenciar negativamente o movimento do eixo, aplicando forças externas no carro à medida que ele se move em toda a sua amplitude de curso.

Manutenção

A facilidade de manutenção é um diferencial entre plataformas de movimento com estágios sobre granito e plataformas IGM. Os eixos com motores lineares são conhecidos por sua robustez, mas, às vezes, torna-se necessário realizar manutenção. Certas operações de manutenção são relativamente simples e podem ser realizadas sem remover ou desmontar o eixo em questão, mas, em outros casos, é necessária uma desmontagem mais completa. Quando a plataforma de movimento consiste em estágios discretos montados sobre granito, a manutenção é uma tarefa razoavelmente simples. Primeiro, desmonte o estágio do granito, realize a manutenção necessária e remonte-o. Ou, simplesmente, substitua-o por um novo estágio.

As soluções IGM podem, por vezes, apresentar maiores desafios na manutenção. Embora a substituição de uma única trilha magnética do motor linear seja bastante simples neste caso, manutenções e reparos mais complexos frequentemente envolvem a desmontagem completa de muitos ou de todos os componentes que compõem o eixo, o que demanda mais tempo quando os componentes estão montados diretamente no granito. Além disso, o realinhamento dos eixos fixados em granito após a manutenção é mais complexo — uma tarefa consideravelmente mais simples com estágios discretos.

Tabela 1. Um resumo das diferenças técnicas fundamentais entre as soluções de fundação em granito com apoio mecânico e as soluções IGM.

Comparação Econômica

Embora o custo absoluto de qualquer sistema de movimento varie com base em diversos fatores, incluindo comprimento do percurso, precisão do eixo, capacidade de carga e capacidades dinâmicas, as comparações relativas de sistemas de movimento IGM análogos e de plataforma sobre granito realizadas neste estudo sugerem que as soluções IGM são capazes de oferecer movimento de precisão média a alta a custos moderadamente menores do que suas contrapartes de plataforma sobre granito.

Nosso estudo econômico consiste em três componentes de custo fundamentais: peças de máquinas (incluindo peças fabricadas e componentes comprados), a montagem do granito e mão de obra e custos indiretos.

Peças de Máquina

Uma solução IGM oferece economias consideráveis ​​em comparação com uma solução de mesa sobre granito em termos de peças de máquinas. Isso se deve principalmente à ausência de bases de mesa usinadas de forma complexa nos eixos Y e X, que aumentam a complexidade e o custo das soluções de mesa sobre granito. Além disso, a economia de custos pode ser atribuída à simplificação relativa de outras peças usinadas na solução IGM, como os carros móveis, que podem ter características mais simples e tolerâncias um pouco mais flexíveis quando projetados para uso em um sistema IGM.

Conjuntos de granito

Embora os conjuntos de base-elevador-ponte de granito, tanto no sistema IGM quanto no sistema de plataforma sobre granito, apresentem formato e aparência semelhantes, o conjunto de granito do sistema IGM é ligeiramente mais caro. Isso ocorre porque o granito na solução IGM substitui as bases usinadas da plataforma na solução de plataforma sobre granito, o que exige que o granito tenha tolerâncias geralmente mais rigorosas em regiões críticas, além de recursos adicionais, como cortes extrudados e/ou insertos de aço roscados, por exemplo. No entanto, em nosso estudo de caso, a complexidade adicional da estrutura de granito é mais do que compensada pela simplificação das peças usinadas.

Mão de obra e custos indiretos

Devido às muitas semelhanças na montagem e nos testes dos sistemas IGM e de palco sobre granito, não há diferença significativa nos custos de mão de obra e despesas gerais.

Considerando todos esses fatores de custo, a solução IGM com apoio mecânico específica examinada neste estudo é aproximadamente 15% menos dispendiosa do que a solução com apoio mecânico e plataforma sobre granito.

Naturalmente, os resultados da análise econômica dependem não apenas de atributos como comprimento do percurso, precisão e capacidade de carga, mas também de fatores como a seleção do fornecedor de granito. Além disso, é prudente considerar os custos de transporte e logística associados à aquisição de uma estrutura de granito. Especialmente útil para sistemas de granito de grandes dimensões, embora válido para todos os tamanhos, escolher um fornecedor de granito qualificado e mais próximo do local de montagem final do sistema também pode ajudar a minimizar custos.

Deve-se notar também que esta análise não considera os custos pós-implementação. Por exemplo, suponha que seja necessário realizar a manutenção do sistema de movimento, reparando ou substituindo um eixo de movimento. Um sistema de palco sobre granito pode ser reparado simplesmente removendo e reparando/substituindo o eixo afetado. Devido ao design mais modular do palco, isso pode ser feito com relativa facilidade e rapidez, apesar do custo inicial mais elevado do sistema. Embora os sistemas IGM (Integrated Motion Grounds - Plataformas de Movimento Integradas) geralmente possam ser obtidos a um custo menor do que seus equivalentes de palco sobre granito, eles podem ser mais difíceis de desmontar e realizar manutenção devido à natureza integrada da construção.

Conclusão

É evidente que cada tipo de plataforma de movimento — palco sobre granito e IGM — oferece benefícios distintos. No entanto, nem sempre é óbvio qual é a escolha mais ideal para uma determinada aplicação de movimento. Portanto, é extremamente vantajoso contar com a parceria de um fornecedor experiente em sistemas de movimento e automação, como a Aerotech, que oferece uma abordagem consultiva e focada na aplicação específica, para explorar e fornecer informações valiosas sobre alternativas de soluções para aplicações complexas de controle de movimento e automação. Compreender não apenas a diferença entre essas duas variedades de soluções de automação, mas também os aspectos fundamentais dos problemas que elas devem resolver, é a chave para o sucesso na escolha de um sistema de movimento que atenda aos objetivos técnicos e financeiros do projeto.

Da AEROTECH.