A diferença entre sistemas de movimento Stage-on-Granite e integrados de granito

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

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

Para oferecer uma melhor visão deste processo de tomada de decisão, avaliamos as diferenças entre dois projetos fundamentais de plataforma de movimento linear — uma solução tradicional de estágio em granito e uma solução IGM — tanto do ponto de vista técnico quanto financeiro na forma de uma solução mecânica. estudo de caso de rolamento.

Fundo

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

• Rolamento mecânico, estágio em 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, carrega o eixo Z vertical com 100 mm de curso.Este arranjo é representado pictograficamente.

Para o projeto de estágio 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 este arranjo de “ponte dividida Y/XZ”.Para o eixo X, escolhemos um PRO280LM, que é comumente usado como eixo de ponte em muitas aplicações.O PRO280LM oferece um equilíbrio prático entre sua área ocupada e sua capacidade de transportar um eixo Z com uma carga útil do cliente.

Para os projetos IGM, replicamos de perto os conceitos fundamentais de projeto e layouts dos eixos acima, com a principal diferença sendo que os eixos IGM são construídos diretamente na estrutura de granito e, portanto, não possuem as bases dos componentes usinados presentes no palco. -projetos de granito.

Comum em ambos os casos de projeto é o eixo Z, que foi escolhido para ser um estágio acionado por parafuso esférico PRO190SL.Este é um eixo muito popular para uso na orientação vertical em uma ponte devido à sua generosa capacidade de carga útil e formato 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 em projetos tradicionais de estágio em granito.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 estágio em 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 estágio em granito e IGM, as dimensões gerais da base de granito, dos risers e da ponte são equivalentes.Isto ocorre principalmente porque os cursos nominais e limites são idênticos entre o estágio em granito e o IGM.

Construção

A falta de bases de eixo de componentes usinados no projeto IGM oferece certas vantagens em relação às soluções de estágio em 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 design IGM oferece uma altura de superfície de trabalho 33% menor (80 mm em comparação com 120 mm).Esta altura de trabalho menor não apenas permite um design mais compacto, mas também reduz os deslocamentos da máquina do motor e do codificador para o ponto de trabalho, resultando em erros Abbe reduzidos e, portanto, em melhor desempenho de posicionamento do ponto de trabalho.

Componentes do eixo

Analisando mais profundamente o projeto, as soluções stage-on-granite e IGM compartilham alguns componentes-chave, como motores lineares e codificadores de posição.A seleção comum de força e trilha magnética leva a capacidades de saída de força equivalentes.Da mesma forma, usar os mesmos encoders em ambos os projetos fornece uma resolução igualmente precisa para feedback de posicionamento.Como resultado, a precisão linear e o desempenho da repetibilidade não são significativamente diferentes entre as soluções de estágio em granito e IGM.O layout semelhante dos componentes, incluindo a separação e a tolerância dos rolamentos, leva a um desempenho comparável em termos de movimentos de erros geométricos (isto é, retilineidade horizontal e vertical, inclinação, rotação e guinada).Finalmente, os elementos de suporte de ambos os projetos, incluindo gerenciamento de cabos, limites elétricos e paradas rígidas, 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 de rolamentos de guia linear.Embora rolamentos de esferas recirculantes sejam usados ​​em sistemas de estágio em granito e IGM, o sistema IGM possibilita incorporar rolamentos maiores e mais rígidos no projeto sem aumentar a altura de trabalho do eixo.Como o projeto IGM depende do granito como base, em oposição a uma base separada de componentes usinados, é possível recuperar parte do espaço vertical que de outra forma seria consumido por uma base usinada e, essencialmente, preencher esse espaço com maiores dimensões. rolamentos enquanto ainda reduz a altura geral do carro acima do granito.

Rigidez

O uso 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 rigidez de rolamento 40% maior, rigidez de inclinação 30% maior e rigidez de guinada 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 de rolamento, o dobro da rigidez de inclinação e uma rigidez de guinada mais de 30% maior do que sua contraparte de estágio em granito.Uma maior rigidez angular é vantajosa porque contribui diretamente para um melhor desempenho dinâmico, o que é fundamental para permitir um maior rendimento da máquina.

Capacidade de carga

Os rolamentos maiores da solução IGM permitem uma capacidade de carga útil substancialmente maior do que uma solução de estágio em granito.Embora o eixo base PRO560LM da solução de estágio em 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 do estágio em granito suporta 150 kg, enquanto o eixo da ponte da solução IGM pode transportar 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 caminhões maiores e mais pesados.Além disso, os carros IGM são projetados 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 móvel maior do que um eixo correspondente de estágio em granito.Uma desvantagem indiscutível é que a aceleração máxima do IGM é menor, assumindo que a saída da força motora permanece inalterada.No entanto, em certas situações, uma massa em movimento maior pode ser vantajosa na perspectiva de que a sua maior inércia pode proporcionar maior resistência a perturbações, o que pode estar correlacionado com o aumento da estabilidade em posição.

Dinâmica Estrutural

A maior rigidez do rolamento e o transporte mais rígido do sistema IGM proporcionam benefícios adicionais que são aparentes 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 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, quando comparada ao tradicional estágio em granito, pode ser atribuída em parte ao design mais rígido do carro e do rolamento.Uma maior ressonância do carro possibilita uma maior largura de banda do servo e, portanto, melhor desempenho dinâmico.

Ambiente operacional

A vedação do eixo é quase sempre obrigatória quando há contaminantes presentes, sejam eles gerados através do processo do usuário ou existentes no ambiente da máquina.As soluções de estágio em granito são particularmente adequadas nestas situações devido à natureza inerentemente fechada do eixo.Os estágios lineares da série PRO, por exemplo, vêm equipados com capas rígidas e vedações laterais que protegem os componentes internos do estágio contra contaminação de forma razoável.Esses estágios também podem ser configurados com limpadores de mesa opcionais para varrer os detritos da capa dura superior à medida que o estágio atravessa.Por outro lado, as plataformas de movimento IGM são inerentemente abertas, com os rolamentos, motores e codificadores expostos.Embora não seja um problema em ambientes mais limpos, isto 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, transmitindo forças externas ao carro à medida que ele se move em toda a sua faixa de deslocamento.

Manutenção

A facilidade de manutenção é um diferencial entre as plataformas de movimento stage-on-granite e IGM.Os eixos do motor linear são conhecidos pela sua robustez, mas às vezes torna-se necessária a realização de 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 simples.Primeiramente desmonte o palco do granito, depois faça os trabalhos de manutenção necessários e remonte-o.Ou simplesmente substitua-o por um novo estágio.

As soluções IGM podem, às vezes, ser mais desafiadoras durante a execução da manutenção.Embora a substituição de uma única pista magnética do motor linear seja muito simples neste caso, manutenções e reparos mais complicados 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 realização da manutenção – uma tarefa que é consideravelmente mais simples com estágios discretos.

Tabela 1. Um resumo das diferenças técnicas fundamentais entre soluções mecânicas 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 de percurso, precisão do eixo, capacidade de carga e capacidades dinâmicas, as comparações relativas de IGM análogos e sistemas de movimento de estágio em granito conduzidas neste estudo sugerem que as soluções IGM são capazes de oferecer movimentos de média a alta precisão a custos moderadamente mais baixos do que seus equivalentes de estágio em granito.

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

Partes da máquina

Uma solução IGM oferece economias notáveis ​​em relação a uma solução faseada em granito em termos de peças de máquinas.Isto se deve principalmente à falta de bases de estágio intrincadamente usinadas no IGM nos eixos Y e X, o que adiciona complexidade e custo às soluções de estágio em 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 relaxadas quando projetadas para uso em um sistema IGM.

Conjuntos de Granito

Embora os conjuntos base-riser-ponte de granito nos sistemas IGM e stage-on-granite pareçam ter um formato e aparência semelhantes, o conjunto de granito IGM é um pouco mais caro.Isso ocorre porque o granito na solução IGM ocupa o lugar das bases usinadas do estágio na solução estágio sobre granito, o que exige que o granito tenha tolerâncias geralmente mais rígidas em regiões críticas, e até mesmo recursos adicionais, como cortes extrudados e/ ou inserções de aço roscadas, por exemplo.No entanto, no nosso estudo de caso, a complexidade acrescida da estrutura do granito é mais do que compensada pela simplificação nas peças da máquina.

Mão de obra e despesas gerais

Devido às muitas semelhanças na montagem e teste dos sistemas IGM e stage-on-granite, não há uma diferença significativa nos custos de mão de obra e despesas gerais.

Uma vez combinados todos esses fatores de custo, a solução IGM específica de rolamento mecânico examinada neste estudo é aproximadamente 15% menos dispendiosa do que a solução de rolamento mecânico estágio sobre granito.

É claro que os resultados da análise económica dependem não apenas de atributos como comprimento do percurso, precisão e capacidade de carga, mas também de factores como a selecção 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, a escolha de 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 custos pós-implementação.Por exemplo, suponha que seja necessário fazer manutenção no 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 tipo palco, isso pode ser feito com relativa facilidade e rapidez, apesar do custo inicial mais elevado do sistema.Embora os sistemas IGM possam geralmente ser obtidos a um custo mais baixo do que os seus homólogos de estágio em granito, eles podem ser mais difíceis de desmontar e reparar devido à natureza integrada da construção.

Conclusão

Claramente, cada tipo de projeto de plataforma de movimento – estágio em granito e IGM – pode oferecer benefícios distintos.No entanto, nem sempre é óbvio qual é a escolha 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 aplicações para explorar e fornecer informações valiosas sobre alternativas de soluções para aplicações desafiadoras 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 subjacente para o sucesso na escolha de um sistema de movimento que atenda aos objetivos técnicos e financeiros do projeto.

Da AEROTECH.