A diferença entre sistemas de movimento de palco em granito e sistemas de movimento de granito integrados

A seleção da plataforma de movimentação linear à base de granito mais adequada para uma determinada aplicação depende de uma série de fatores e variáveis. É crucial reconhecer que cada aplicação possui seu próprio conjunto de requisitos que devem ser compreendidos e priorizados para que se busque uma solução eficaz em termos de plataforma de movimentação.

Uma das soluções mais comuns envolve a montagem de plataformas de posicionamento discretas em uma estrutura de granito. Outra solução comum integra os componentes que compõem os eixos de movimento diretamente no próprio granito. Escolher entre uma plataforma de plataforma sobre granito e uma plataforma de movimento integrado ao granito (IGM) é uma das primeiras decisões a serem tomadas no processo de seleção. Há distinções claras entre os dois tipos de solução e, claro, cada uma tem 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 plataforma de movimento linear — uma solução tradicional de palco em granito e uma solução IGM — tanto de perspectivas técnicas quanto financeiras na forma de um estudo de caso de rolamento mecânico.

Fundo

Para explorar as semelhanças e diferenças entre os sistemas IGM e os sistemas tradicionais de estágio em granito, geramos dois projetos de caso de teste:

• Mancal mecânico, estágio 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. Este arranjo é representado pictograficamente.

Para o projeto de 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 este arranjo de "ponte dividida Y/XZ". Para o eixo X, escolhemos uma PRO280LM, comumente usada como eixo de ponte em muitas 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 do IGM, replicamos fielmente os conceitos e layouts fundamentais do projeto dos eixos acima, com a principal diferença de que os eixos do IGM são construídos diretamente na estrutura de granito e, portanto, não possuem as bases de componentes usinados presentes nos projetos de palco sobre granito.

Comum em ambos os casos de projeto é o eixo Z, que foi escolhido para ser um estágio acionado por fuso de esferas PRO190SL. Este é um eixo muito popular para uso na orientação vertical de uma ponte devido à sua generosa capacidade de carga útil e formato relativamente compacto.

A Figura 2 ilustra os sistemas específicos de estágio 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 estágios sobre granito. Como resultado, existem inúmeras propriedades técnicas em comum entre os sistemas IGM e os sistemas de estágios 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 estágios sobre granito.

Fator de forma

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

Construção

A ausência de bases de eixo com componentes usinados no projeto do IGM oferece certas vantagens em relação às soluções com plataforma sobre granito. Em particular, a redução de componentes no circuito estrutural do IGM ajuda a 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 do IGM oferece uma altura de superfície de trabalho 33% menor (80 mm em comparação com 120 mm). Essa menor altura de trabalho não apenas permite um projeto mais compacto, como também reduz os deslocamentos da máquina do motor e do encoder até o ponto de trabalho, resultando em erros de Abbe reduzidos e, portanto, em melhor desempenho de posicionamento do ponto de trabalho.

Componentes do eixo

Analisando mais profundamente o projeto, as soluções de plataforma sobre granito e IGM compartilham alguns componentes-chave, como motores lineares e encoders de posição. A seleção de trilhas magnéticas e de força comuns resulta em capacidades de saída de força equivalentes. Da mesma forma, o uso dos mesmos encoders em ambos os projetos proporciona resolução identicamente precisa para feedback de posicionamento. Como resultado, a precisão linear e o desempenho de repetibilidade não são significativamente diferentes entre as soluções de plataforma sobre granito e IGM. O layout semelhante dos componentes, incluindo separação e tolerância dos rolamentos, resulta em desempenho comparável em termos de movimentos de erro geométrico (ou seja, retidão horizontal e vertical, inclinação, rotação e guinada). Por fim, os elementos de suporte de ambos os projetos, incluindo gerenciamento de cabos, limites elétricos e batentes rígidos, são fundamentalmente idênticos em função, embora possam variar um pouco na aparência física.

Rolamentos

Neste projeto específico, uma das diferenças mais notáveis ​​é a seleção de rolamentos de guia linear. Embora rolamentos de esferas recirculantes sejam utilizados tanto em sistemas de 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 se baseia no granito como base, em oposição a uma base separada de componentes usinados, é possível recuperar parte do espaço vertical que, de outra forma, seria ocupado por uma base usinada e, essencialmente, preencher esse espaço com rolamentos maiores, reduzindo ainda mais a altura total do carro acima do granito.

Rigidez

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

Capacidade de carga

Os rolamentos maiores da solução IGM permitem uma capacidade de carga útil substancialmente maior do que a de uma solução sobre granito. Embora o eixo base PRO560LM da solução 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 solução 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 são fornecidos com caminhões maiores e mais pesados. Além disso, os carros IGM são projetados de forma que certas características usinadas necessárias para um eixo de estágio sobre granito (mas não exigidas por um eixo IGM) sejam removidas 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 estágio sobre granito correspondente. Uma desvantagem indiscutível é que a aceleração máxima do IGM é menor, assumindo que a saída de força do motor permaneça inalterada. No entanto, em certas situações, uma massa móvel maior pode ser vantajosa, visto que sua maior inércia pode fornecer maior resistência a perturbações, o que pode se correlacionar com maior estabilidade em posição.

Dinâmica Estrutural

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

A maior ressonância da solução IGM, em comparação com o estágio tradicional em granito, pode ser atribuída, em parte, ao design mais rígido do carro e do mancal. Uma ressonância maior do carro possibilita uma maior largura de banda do servo e, portanto, um melhor desempenho dinâmico.

Ambiente operacional

A selagem do eixo é quase sempre obrigatória na presença de contaminantes, sejam eles gerados pelo processo do usuário ou presentes no ambiente da máquina. Soluções de estágios sobre granito são particularmente adequadas nessas situações devido à natureza inerentemente fechada do eixo. Os estágios lineares da série PRO, por exemplo, vêm equipados com tampas rígidas e vedações laterais que protegem os componentes internos do estágio contra contaminação em um grau razoável. Esses estágios também podem ser configurados com limpadores de mesa opcionais para varrer os detritos da tampa rígida superior à medida que o estágio se move. Por outro lado, as plataformas de movimento IGM são inerentemente abertas por natureza, com os rolamentos, motores e codificadores expostos. Embora não seja um problema em ambientes mais limpos, isso pode ser problemático quando há contaminação. É possível resolver esse problema incorporando uma tampa de passagem especial do tipo fole no projeto do eixo IGM para fornecer proteção contra detritos. No entanto, se não forem implementados corretamente, os foles podem influenciar negativamente o movimento do eixo, impondo forças externas ao carro à medida que ele se move em toda a sua amplitude de deslocamento.

Manutenção

A facilidade de manutenção é um diferencial entre plataformas de movimento sobre granito e plataformas de movimento IGM. Os eixos de motor linear são bem conhecidos por sua robustez, mas às vezes é necessário realizar manutenção. Certas operações de manutenção são relativamente simples e podem ser realizadas sem remover ou desmontar o eixo em questão, mas às vezes 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, depois realize os trabalhos de manutenção necessários e remonte-o. Ou simplesmente substitua-o por um novo estágio.

Soluções IGM podem, às vezes, ser mais desafiadoras durante a manutenção. Embora a substituição de uma única trilha magnética do motor linear seja muito simples neste caso, manutenções e reparos mais complexos geralmente envolvem a desmontagem completa de muitos ou de todos os componentes que compõem o eixo, o que consome mais tempo quando os componentes são montados diretamente no granito. Também é mais difícil realinhar os eixos baseados em granito entre si após a manutenção — uma tarefa consideravelmente mais simples com etapas distintas.

Tabela 1. Um resumo das diferenças técnicas fundamentais entre as soluções de estágio de sustentação mecânica em granito e IGM.

Comparação econômica

Embora o custo absoluto de qualquer sistema de movimento varie com base em vários fatores, incluindo comprimento de deslocamento, precisão do eixo, capacidade de carga e capacidades dinâmicas, as comparações relativas de sistemas de movimento IGM análogos e de estágio em granito conduzidas neste estudo sugerem que as soluções IGM são capazes de oferecer movimento de média a alta precisão a custos moderadamente mais baixos do que suas contrapartes de estágio em granito.

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

Peças de máquinas

Uma solução IGM oferece economias significativas em relação a uma solução de mesa sobre granito em termos de peças usinadas. Isso se deve principalmente à ausência de bases de mesa usinadas de forma complexa nos eixos Y e X, o que adiciona complexidade e custo às soluções de mesa sobre granito. Além disso, a economia de custos pode ser atribuída à relativa simplificação 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 nos sistemas IGM e de estágio sobre granito pareçam ter formato e aparência semelhantes, o conjunto de granito IGM é ligeiramente mais caro. Isso ocorre porque o granito na solução IGM substitui as bases de estágio usinadas na solução de estágio sobre granito, o que exige que o granito tenha tolerâncias geralmente mais rigorosas em regiões críticas e até mesmo características 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 despesas gerais

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

Quando todos esses fatores de custo são combinados, a solução IGM específica de suporte mecânico examinada neste estudo é aproximadamente 15% menos custosa do que a solução de suporte mecânico em estágio de granito.

É claro que os resultados da análise econômica dependem não apenas de atributos como distância percorrida, 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 muito grandes, embora seja válido para todos os tamanhos, escolher um fornecedor de granito qualificado 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 plataforma sobre granito pode ser reparado simplesmente removendo e reparando/substituindo o eixo afetado. Devido ao design mais modular do tipo plataforma, isso pode ser feito com relativa facilidade e rapidez, apesar do custo inicial mais elevado do sistema. Embora os sistemas IGM geralmente possam ser obtidos a um custo menor do que seus equivalentes de plataforma sobre granito, eles podem ser mais desafiadores de desmontar e realizar a manutenção devido à natureza integrada da construção.

Conclusão

É claro que cada tipo de projeto de plataforma de movimento — palco sobre granito e IGM — pode oferecer benefícios distintos. No entanto, nem sempre é óbvio qual é a escolha mais ideal para uma aplicação específica de movimento. Portanto, é extremamente benéfico fazer parceria com um fornecedor experiente de sistemas de movimento e automação, como a Aerotech, que oferece uma abordagem consultiva e focada na aplicação para explorar e fornecer insights valiosos sobre alternativas de soluções para aplicações desafiadoras de controle de movimento e automação. Entender não apenas a diferença entre essas duas variedades de soluções de automação, mas também os aspectos fundamentais dos problemas que elas precisam 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.