A diferença entre sistemas de movimento de granito de estágio a granito e integrados

A seleção da plataforma de movimento linear baseada em granito mais adequada para um determinado aplicativo depende de uma série de fatores e variáveis. É crucial reconhecer que cada aplicativo possui seu próprio conjunto de requisitos exclusivos que deve ser compreendido e priorizado para buscar uma solução eficaz em termos de uma plataforma de movimento.

Uma das soluções mais onipresentes envolve a montagem de estágios de posicionamento discreto em uma estrutura de granito. Outra solução comum integra os componentes que compreendem os eixos de movimento diretamente no próprio granito. A escolha entre uma plataforma de movimento de granito e granito integrado (IGM) é uma das decisões anteriores a serem tomadas no processo de seleção. Existem distinções claras entre os dois tipos de solução e, é claro, cada um tem seus próprios méritos - e advertências - que precisam ser cuidadosamente entendidas e consideradas.

Para oferecer uma melhor visão sobre esse processo de tomada de decisão, avaliamos as diferenças entre dois projetos fundamentais de plataformas de movimento linear-uma solução tradicional de estágio em granito e uma solução de IgM-a partir de perspectivas técnicas e financeiras na forma de um estudo de caso de sustentação mecânica.

Fundo

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

• Rolamento mecânico, palco em granito
• Rolamento mecânico, Igm

Nos dois casos, cada sistema consiste em três eixos de movimento. O eixo y oferece 1000 mm de viagem e está localizado na base da estrutura de granito. O eixo X, localizado na ponte da montagem com 400 mm de viagem, carrega o eixo z vertical com 100 mm de viagem. Este arranjo é representado pictonicamente.

Para o design de palco em granito, selecionamos um estágio de corpo largo Pro560lm para o eixo Y devido à sua maior capacidade de transporte de carga, comum para muitas aplicações de movimento usando esse arranjo "S/XZ Bridge". Para o eixo X, escolhemos um Pro280lm, que é comumente usado como um eixo de ponte em muitas aplicações. O Pro280lm oferece um equilíbrio prático entre sua pegada e sua capacidade de transportar um eixo Z com uma carga útil do cliente.

Para os projetos de IgM, replicamos de perto os conceitos e layouts de design fundamental dos eixos acima, com a diferença primária sendo que os eixos IgM são construídos diretamente na estrutura de granito e, portanto, não possuem as bases de componentes usinados presentes nos projetos de estágio em granito.

Comum em ambos os casos de projeto é o eixo Z, que foi escolhido como um estágio Pro190SL de parafuso de bola. Este é um eixo muito popular para usar na orientação vertical em uma ponte devido à sua generosa capacidade de carga útil e ao fator de forma relativamente compacto.

A Figura 2 ilustra os sistemas específicos de estágio em granito e IgM estudados.

Comparação técnica

Os sistemas IgM são projetados usando uma variedade de técnicas e componentes semelhantes aos encontrados nos designs tradicionais de granito de estágio em. Como resultado, existem inúmeras propriedades técnicas em comum entre os sistemas IgM e os sistemas de estágio em granito. Por outro lado, a integração dos eixos de movimento diretamente na estrutura de granito oferece várias características distintivas que diferenciam os sistemas IgM dos sistemas de palco em granito.

Fator de forma

Talvez a similaridade mais óbvia comece com a base da máquina - o granito. Embora existam diferenças nas características e tolerâncias entre os projetos de estágio em granito e IgM, as dimensões gerais da base de granito, risers e ponte são equivalentes. Isso ocorre principalmente porque as viagens nominais e limitadas são idênticas entre o granito de estágio e o IGM.

Construção

A falta de bases de eixo de componentes usinados no design do IGM fornece certas vantagens sobre soluções de estágio em granito. Em particular, a redução dos componentes no loop estrutural do IGM ajuda a aumentar a rigidez geral do eixo. Ele também permite uma distância menor entre a base de granito e a superfície superior do carro. Neste estudo de caso em particular, o design do IgM oferece uma altura da superfície de trabalho 33% menor (80 mm em comparação com 120 mm). Essa altura de trabalho menor não apenas permite um design mais compacto, mas também reduz as compensações da máquina do motor e do codificador para o ponto de trabalho, resultando em erros reduzidos do abbe e, portanto, aprimorou o desempenho do posicionamento do ponto de trabalho.

Componentes do eixo

Olhando mais profundamente para o design, as soluções de palco em granito e IgM compartilham alguns componentes-chave, como motores lineares e codificadores de posição. A seleção comum de pista forcer e ímã leva a recursos equivalentes de força-saída. Da mesma forma, o uso dos mesmos codificadores em ambos os designs fornece resolução identicamente fina para posicionar o feedback. Como resultado, o desempenho da precisão e repetibilidade linear não é significativamente diferente entre as soluções de estágio em granito e IgM. Layout de componentes semelhantes, incluindo a separação e o toleramento de rolamentos, leva a um desempenho comparável em termos de movimentos de erro geométrico (isto é, reta horizontal e vertical, pitch, roll e guinada). Finalmente, os elementos de suporte de ambos os projetos, incluindo gerenciamento de cabos, limites elétricos e tops duros, são fundamentalmente idênticos em função, embora possam variar um pouco na aparência física.

Rolamentos

Para esse design específico, uma das diferenças mais notáveis ​​é a seleção de rolamentos de guia lineares. Embora os rolamentos de esferas de recirculação sejam usados ​​nos sistemas de estágio em granito e IgM, o sistema IgM possibilita incorporar rolamentos maiores e mais rígidos no design sem aumentar a altura de trabalho do eixo. Como o design do IGM depende do granito como base, em oposição a uma base de componentes usinados separada, é possível recuperar alguns dos imóveis verticais que, de outra forma, seriam consumidos por uma base usinada e preenchem essencialmente este espaço com rolamentos maiores enquanto ainda reduziam a altura geral do carro acima do granito.

Rigidez

O uso de rolamentos maiores no design do IGM tem um impacto profundo na rigidez angular. No caso do eixo inferior de corpo largo (Y), a solução IGM oferece rigidez de rolagem 40% maior, rigidez 30% maior e rigidez 20% maior do que um projeto de estágio em granito correspondente. Da mesma forma, a ponte do IGM oferece um aumento de quatro vezes na rigidez do rolo, o dobro da rigidez do passo e mais de 30% maior rigidez da guinada do que sua contraparte de estágio em granito. A maior rigidez angular é vantajosa porque contribui diretamente para melhorar o desempenho dinâmico, o que é essencial para permitir maior taxa de transferência da máquina.

Capacidade de carga

Os rolamentos maiores da solução IGM permitem uma capacidade de carga útil substancialmente mais alta do que uma solução de estágio em granito. Embora o eixo básico Pro560lm da solução de granito de estágio 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 do palco em granito suporta 150 kg, enquanto o eixo da ponte da solução IGM pode transportar até 200 kg.

Missa em movimento

Enquanto os rolamentos maiores nos eixos IgM de porte mecânicos oferecem melhores atributos de desempenho angular e maior capacidade de carga, eles também vêm com caminhões maiores e mais pesados. Além disso, as carruagens IgM são projetadas de modo que certos recursos usinados necessários para um eixo de estágio em granito (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 em movimento maior do que um eixo de estágio em 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 em movimento maior pode ser vantajosa da perspectiva de que sua inércia maior pode proporcionar maior resistência a distúrbios, o que pode se correlacionar com o aumento da estabilidade na posição.

Dinâmica estrutural

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

A maior ressonância da solução IGM, quando comparada ao granito de estágio tradicional, pode ser atribuída em parte ao design de carruagem e rolamento mais rígido. Uma ressonância mais alta do transporte torna possível ter uma largura de banda de servo maior e, portanto, melhorou o desempenho dinâmico.

Ambiente operacional

A sedabilidade do eixo é quase sempre obrigatória quando os contaminantes estão presentes, gerados pelo processo do usuário ou existentes no ambiente da máquina. As soluções de estágio em granito são particularmente adequadas nessas situações devido à natureza inerentemente fechada do eixo. Os estágios lineares pró-série, por exemplo, são equipados com capa duras e vedações laterais que protegem os componentes do estágio interno da contaminação em uma extensão razoável. Esses estágios também podem ser configurados com limpadores opcionais de mesa para varrer os detritos da capa dura superior à medida que o palco atravessa. Por outro lado, as plataformas de movimento da IGM são inerentemente abertas de natureza, com os rolamentos, motores e codificadores expostos. Embora não seja um problema em ambientes mais limpos, isso pode ser problemático quando a contaminação estiver presente. É possível abordar esse problema incorporando uma capa de via de foles especial em um design de eixo IGM para fornecer proteção contra detritos. Mas, se não for implementado corretamente, os fole podem influenciar negativamente o movimento do eixo, transmitindo forças externas no carro à medida que se move por toda a sua amplitude de viagem.

Manutenção

A capacidade de manutenção é um diferenciador entre as plataformas de movimento de estágio em granito e IgM. Os eixos-motores lineares são bem conhecidos por sua robustez, mas às vezes se torna necessário executar a 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 em granito, a manutenção é uma tarefa razoavelmente direta. Primeiro, desmonte o palco do granito, depois execute o trabalho de manutenção necessário e remova -o. Ou basta substituí -lo por um novo estágio.

Às vezes, as soluções IGM podem ser mais desafiadoras ao realizar manutenção. Embora a substituição de uma única faixa de ímã do motor linear seja muito simples neste caso, a manutenção e os reparos mais complicados geralmente envolvem completamente desmontagem de muitos ou todos os componentes que compreendem o eixo, o que consome mais tempo quando os componentes são montados diretamente no granito. Também é mais difícil realinhar os eixos à base de granito após a realização de manutenção-uma tarefa que é consideravelmente mais direta com estágios discretos.

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

Comparação econômica

Embora o custo absoluto de qualquer sistema de movimento varie com base em vários fatores, incluindo comprimento da viagem, precisão do eixo, capacidade de carga e recursos dinâmicos, as comparações relativas de IgM análoga e sistemas de movimento de granito de palco realizados neste estudo sugerem que as soluções de IgM são capazes de oferecer um movimento médio a alta precisão em movimentos moderadamente mais baixos do que o estágio-granito.

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

Peças da máquina

Uma solução IGM oferece economias dignas de nota em uma solução de estágio em granito em termos de peças da máquina. Isso se deve principalmente à falta de bases de estágio complexamente usinadas nos eixos Y e X, que adicionam complexidade e custo às soluções de estágio em granito. Além disso, a economia de custos pode ser atribuída à simplificação relativa de outras peças usinadas na solução IGM, como as carruagens em movimento, que podem ter recursos mais simples e tolerâncias um pouco mais relaxadas quando projetadas para uso em um sistema IGM.

Assembléias de granito

Embora os conjuntos de granito-riser-ponte nos sistemas IgM e Granite em granito pareçam ter um fator de forma e aparência semelhante, o conjunto de granito IGM é marginalmente mais caro. Isso ocorre porque o granito na solução IGM substitui as bases de estágio usinado na solução de granito estágio, o que exige que o granito tenha geralmente tolerâncias mais rigorosas em regiões críticas e até recursos adicionais, como cortes extrudados e/ou inserções de aço com rosca, por exemplo. No entanto, em nosso estudo de caso, a complexidade adicional da estrutura de granito é mais do que compensada pela simplificação nas partes da máquina.

Trabalho e sobrecarga

Devido às muitas semelhanças na montagem e teste dos sistemas IgM e de estágio em granito, não há uma diferença significativa nos custos de mão-de-obra e sobrecarga.

Depois que todos esses fatores de custo são combinados, a solução específica de IgM com manutenção mecânica examinada neste estudo é aproximadamente 15% menos dispendiosa que a solução mecânica e de estágio em granito.

Obviamente, os resultados da análise econômica dependem não apenas de atributos como duração da viagem, precisão e capacidade de carga, mas também de fatores como a seleção do fornecedor de granito. Além disso, é prudente considerar os custos de remessa e logística associados à aquisição de uma estrutura de granito. Especialmente útil para sistemas de granito muito grandes, embora verdadeiros para todos os tamanhos, a escolha de um fornecedor de granito qualificado em mais estreita proximidade com a localização da montagem final do sistema também pode ajudar a minimizar os custos.

Deve-se notar também que essa análise não considera os custos pós-implementação. Por exemplo, suponha que se torne necessário atender ao sistema de movimento reparando ou substituindo um eixo de movimento. Um sistema de estágio em granito pode ser reparado simplesmente removendo e reparando/substituindo o eixo afetado. Devido ao design mais modular do estilo de estágio, isso pode ser feito com relativa facilidade e velocidade, apesar do maior custo inicial do sistema. Embora os sistemas IgM geralmente possam ser obtidos a um custo menor do que seus colegas de estágio em granito, eles podem ser mais desafiadores para desmontar e serviços devido à natureza integrada da construção.

Conclusão

Claramente, cada tipo de design de plataforma de movimento-estágio na granito e IgM-pode oferecer benefícios distintos. No entanto, nem sempre é óbvio, qual é a escolha mais ideal para uma aplicação de movimento específica. Portanto, é muito benéfico fazer parceria com um fornecedor experiente de sistemas de movimento e automação, como a Aerotech, que oferece uma abordagem consultiva distintamente focada em aplicação para explorar e fornecer informações valiosas sobre as alternativas de solução para um desafio 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 eles são necessários para resolver, é a chave subjacente para o sucesso na escolha de um sistema de movimento que aborda os objetivos técnicos e financeiros do projeto.

De Aerotech.