La selezione della piattaforma di movimento lineare più adatta a base di granito per una determinata applicazione dipende da una serie di fattori e variabili. È fondamentale riconoscere che ogni applicazione ha una propria serie unica di requisiti che devono essere compresi e prioritari al fine di perseguire una soluzione efficace in termini di una piattaforma di movimento.
Una delle soluzioni più onnipresenti prevede un montaggio di fasi di posizionamento discrete su una struttura in granito. Un'altra soluzione comune integra i componenti che comprendono gli assi del movimento direttamente nel granito stesso. Scegliere tra una piattaforma stage-on-granite e una piattaforma di movimento granito integrato (IGM) è una delle decisioni precedenti da prendere nel processo di selezione. Esistono chiare distinzioni tra i due tipi di soluzione, e ovviamente ognuno ha i suoi meriti - e avvertimenti - che devono essere attentamente compresi e considerati.
Per offrire informazioni migliori su questo processo decisionale, valutiamo le differenze tra due progetti di piattaforma di movimento lineare fondamentali: una tradizionale soluzione stage-on-granite e una soluzione IgM-da prospettive sia tecniche che finanziarie sotto forma di un caso di studio meccanico.
Sfondo
Per esplorare le somiglianze e le differenze tra i sistemi IgM e i tradizionali sistemi stage-on-granite, abbiamo generato due progetti di test:
- Cuscinetto meccanico, stadio-su-granito
- Cuscinetto meccanico, IgM
In entrambi i casi, ogni sistema è costituito da tre assi di movimento. L'asse Y offre 1000 mm di viaggio e si trova sulla base della struttura in granito. L'asse X, situato sul ponte del gruppo con 400 mm di viaggio, trasporta l'asse Z verticale con 100 mm di viaggio. Questa disposizione è rappresentata pittorograficamente.
Per la progettazione di stage-on-granite, abbiamo selezionato uno stadio largo Pro560LM per l'asse Y a causa della sua maggiore capacità di trasporto del carico, comune per molte applicazioni di movimento utilizzando questa disposizione "Y/XZ Split-Bridge". Per l'asse X, abbiamo scelto un pro280LM, che è comunemente usato come asse di ponte in molte applicazioni. Il Pro280LM offre un equilibrio pratico tra la sua impronta e la sua capacità di trasportare un asse Z con un carico utile del cliente.
Per i progetti IgM, abbiamo replicato da vicino i concetti di progettazione fondamentale e i layout degli assi sopra, con la differenza primaria che gli assi IgM sono costruiti direttamente nella struttura del granito e quindi mancano delle basi componenti lavorate presenti nei design dello stadio su granito.
Comune in entrambi i casi di progettazione è l'asse Z, che è stato scelto per essere uno stadio pro-vite pro190SL. Questo è un asse molto popolare da utilizzare nell'orientamento verticale su un ponte a causa della sua generosa capacità di carico utile e del fattore di forma relativamente compatto.
La Figura 2 illustra i sistemi specifici dello stadio-on-granito e delle IgM studiate.
Confronto tecnico
I sistemi IGM sono progettati utilizzando una varietà di tecniche e componenti simili a quelli che si trovano nei tradizionali progetti di stadio-su-granito. Di conseguenza, ci sono numerose proprietà tecniche in comune tra sistemi IgM e sistemi di stadio-su-granito. Al contrario, l'integrazione degli assi del movimento direttamente nella struttura del granito offre diverse caratteristiche distintive che differenziano i sistemi IgM dai sistemi Stage-on-Granite.
Fattore di forma
Forse la somiglianza più ovvia inizia con la fondazione della macchina: il granito. Sebbene ci siano differenze nelle caratteristiche e nelle tolleranze tra i progetti di stadio-su-granito e IgM, le dimensioni complessive della base di granito, dei riser e del ponte sono equivalenti. Ciò è principalmente dovuto al fatto che i viaggi nominali e limiti sono identici tra stadio-su-granite e IgM.
Costruzione
La mancanza di basi dell'asse componente lavorata nel design IgM offre alcuni vantaggi sulle soluzioni allo stadio-su granito. In particolare, la riduzione dei componenti nel ciclo strutturale dell'IGM aiuta ad aumentare la rigidità dell'asse complessivo. Consente inoltre una distanza più breve tra la base di granito e la superficie superiore del carrello. In questo particolare caso di studio, il design IgM offre un'altezza della superficie di lavoro inferiore del 33% (80 mm rispetto a 120 mm). Non solo questa altezza di lavoro più piccola consente un design più compatto, ma riduce anche gli offset della macchina dal motore e dall'encoder al punto di lavoro, con conseguente riduzione degli errori di Abbe e quindi a un miglioramento delle prestazioni di posizionamento del punto di lavoro.
Componenti dell'asse
Guardando più in profondità nel design, le soluzioni Stage-on-Grannite e IGM condividono alcuni componenti chiave, come motori lineari ed encoder di posizione. La selezione comune per la traccia di forcer e magneti porta a capacità di output di forza equivalenti. Allo stesso modo, l'utilizzo degli stessi encoder in entrambi i progetti fornisce una risoluzione identica per il posizionamento del feedback. Di conseguenza, l'accuratezza lineare e le prestazioni di ripetibilità non sono significativamente diverse tra soluzioni di stadio-su-granite e IgM. Layout componente simile, incluso la separazione e il tolleranza del cuscinetto, porta a prestazioni comparabili in termini di movimenti di errore geometrici (cioè, orizzontale e verticale, pitch, roll e imbardata). Infine, gli elementi di supporto di entrambi i progetti, tra cui la gestione dei cavi, i limiti elettrici e i hardstop, sono fondamentalmente identici nella funzione, sebbene possano variare in qualche modo nell'aspetto fisico.
Cuscinetti
Per questo particolare design, una delle differenze più notevoli è la selezione di cuscinetti guida lineari. Sebbene i cuscinetti a sfera di ricircolo siano utilizzati in entrambi i sistemi di stadio-su-granito e IgM, il sistema IgM consente di incorporare cuscinetti più grandi e più rigidi nel design senza aumentare l'altezza di lavoro dell'asse. Poiché il design IgM si basa sul granito come base, al contrario di una base di componenti lavorati separata, è possibile recuperare parte del settore immobiliare verticale che altrimenti verrebbe consumato da una base lavorata e riempiono essenzialmente questo spazio con cuscinetti più grandi, riducendo comunque l'altezza complessiva del carrello al di sopra del granito.
Rigidità
L'uso di cuscinetti più grandi nel design delle IgM ha un profondo impatto sulla rigidità angolare. Nel caso dell'asse inferiore a corpo largo (Y), la soluzione IgM offre una rigidità del rotolo maggiore del 40%, una rigidità del passo maggiore del 30% e una rigidità di imbardata maggiore del 20% rispetto a un corrispondente design dello stadio su granito. Allo stesso modo, il ponte dell'IGM offre un quadruplo aumento della rigidità del rotolo, raddoppiare la rigidità del passo e una rigidità di imbardata maggiore del 30% rispetto alla sua controparte da palco su granito. La rigidità angolare più elevata è vantaggiosa perché contribuisce direttamente a migliori prestazioni dinamiche, che è la chiave per consentire un throughput della macchina più elevato.
Capacità di carico
I cuscinetti più grandi della soluzione IgM consentono una capacità di carico utile sostanzialmente più elevata rispetto a una soluzione stage-on-granite. Sebbene l'asse base pro560LM della soluzione stage-on-granite abbia una capacità di carico di 150 kg, la soluzione IGM corrispondente può ospitare un carico utile da 300 kg. Allo stesso modo, l'asse del ponte Pro280LM di stadio su granito supporta 150 kg, mentre l'asse del ponte della soluzione IGM può trasportare fino a 200 kg.
Messa in movimento
Mentre i cuscinetti più grandi negli assi IgM portanti meccanici offrono migliori attributi di prestazioni angolari e una maggiore capacità di trasporto del carico, sono anche forniti con camion più grandi e più pesanti. Inoltre, le carrozze IgM sono progettate in modo tale che alcune caratteristiche lavorate necessarie per un asse stage-on-granite (ma non richieste da un asse IgM) vengano rimosse per aumentare la rigidità delle parti e semplificare la produzione. Questi fattori indicano che l'asse IgM ha una massa mobile maggiore rispetto a un corrispondente asse stage-on-granite. Un aspetto negativo indiscutibile è che l'accelerazione massima dell'IGM è inferiore, supponendo che l'uscita della forza motoria sia invariata. Tuttavia, in alcune situazioni, una massa mobile più ampia può essere vantaggiosa dal punto di vista che la sua inerzia più ampia può fornire una maggiore resistenza ai disturbi, che possono essere correlati all'aumento della stabilità in posizione.
Dinamica strutturale
La rigidità dei cuscinetti più elevata del sistema IgM e il trasporto più rigido offrono ulteriori vantaggi che sono evidenti dopo aver utilizzato un pacchetto software di analisi ad elementi finiti (FEA) per eseguire un'analisi modale. In questo studio, abbiamo esaminato la prima risonanza del trasporto in movimento a causa del suo effetto sulla larghezza di banda del servo. Il carrello Pro560LM incontra una risonanza a 400 Hz, mentre il corrispondente trasporto IgM subisce la stessa modalità a 430 Hz. La Figura 3 illustra questo risultato.
La più alta risonanza della soluzione IgM, rispetto al tradizionale stadio-on-granito, può essere attribuita in parte al carrello più rigido e al design del cuscinetto. Una risonanza di trasporto più elevata consente di avere una larghezza di banda servo maggiore e quindi migliorare le prestazioni dinamiche.
Ambiente operativo
La sigillabilità dell'asse è quasi sempre obbligatoria quando sono presenti contaminanti, sia generati attraverso il processo dell'utente o in altro modo esistenti nell'ambiente della macchina. Le soluzioni stage-on-granite sono particolarmente adatte in queste situazioni a causa della natura intrinsecamente chiusa dell'asse. Le fasi lineari pro-serie, ad esempio, sono dotate di coperture rigide e sigilli laterali che proteggono i componenti della fase interna dalla contaminazione in misura ragionevole. Queste fasi possono anche essere configurate con tergicristalli da tavolo opzionali per spazzare i detriti dalla copertina rigida superiore mentre lo stadio attraversa. D'altra parte, le piattaforme di movimento IgM sono intrinsecamente aperte di natura, con i cuscinetti, i motori e gli encoder esposti. Sebbene non sia un problema in ambienti più puliti, questo può essere problematico quando è presente la contaminazione. È possibile affrontare questo problema incorporando una via speciale in stile soffietto in un design dell'asse IGM per fornire protezione dai detriti. Ma se non implementato correttamente, i soffietti possono influenzare negativamente il movimento dell'asse impartire forze esterne sul carrello mentre si muove attraverso la sua piena gamma di viaggi.
Manutenzione
La manutenzione è un differenziatore tra piattaforme di movimento stadio-su-granito e IgM. Gli assi lineari-motori sono ben noti per la loro robustezza, ma a volte diventa necessario eseguire la manutenzione. Alcune operazioni di manutenzione sono relativamente semplici e possono essere realizzate senza rimuovere o disassemblare l'asse in questione, ma a volte è richiesto uno smontaggio più approfondito. Quando la piattaforma di movimento è costituita da fasi discrete montate sul granito, la manutenzione è un compito ragionevolmente semplice. Innanzitutto, smontare il palcoscenico dal granito, quindi eseguire i lavori di manutenzione necessari e rimontarlo. Oppure, semplicemente sostituirlo con una nuova fase.
Le soluzioni IGM a volte possono essere più impegnative quando si eseguono la manutenzione. Sebbene la sostituzione di una singola traccia a magnete del motore lineare sia molto semplice in questo caso, la manutenzione e le riparazioni più complicate comportano spesso lo smontaggio completamente di molte o tutti i componenti che comprendono l'asse, che richiede più tempo quando i componenti vengono montati direttamente in granito. È anche più difficile riallineare gli assi a base di granito l'uno con l'altro dopo aver eseguito la manutenzione, un compito considerevolmente più semplice con stadi discreti.
Tabella 1. Un riepilogo delle differenze tecniche fondamentali tra soluzioni di stadio meccanico e granito e IgM.
| Descrizione | Sistema stadio-su-granito, cuscinetto meccanico | Sistema IgM, cuscinetto meccanico | |||
| Asse di base (Y) | Asse del ponte (x) | Asse di base (Y) | Asse del ponte (x) | ||
| Rigidità normalizzata | Verticale | 1.0 | 1.0 | 1.2 | 1.1 |
| Laterale | 1.5 | ||||
| Pece | 1.3 | 2.0 | |||
| Rotolo | 1.4 | 4.1 | |||
| Sbadiglia | 1.2 | 1.3 | |||
| Capacità di payload (kg) | 150 | 150 | 300 | 200 | |
| Messa in movimento (kg) | 25 | 14 | 33 | 19 | |
| Altezza del tavolo (mm) | 120 | 120 | 80 | 80 | |
| Sigillabilità | Copertina rigida e sigilli laterali offrono protezione dai detriti che entrano nell'asse. | IgM è di solito un design aperto. Il sigillo richiede l'aggiunta di una copertura del mandello o simile. | |||
| Servibilità | Le fasi dei componenti possono essere rimosse e facilmente servite o sostituite. | Gli assi sono intrinsecamente integrati nella struttura del granito, rendendo la manutenzione più difficile. | |||
Confronto economico
Mentre il costo assoluto di qualsiasi sistema di movimento varierà in base a diversi fattori tra cui la lunghezza di viaggio, la precisione dell'asse, la capacità di carico e le capacità dinamiche, i confronti relativi di IgM analoghi e sistemi di movimento stadio-su-granito condotti in questo studio suggeriscono che le soluzioni IgM sono in grado di offrire un movimento medio-alta a costi moderati rispetto ai loro controparti di graniti.
Il nostro studio economico è costituito da tre componenti di costo fondamentali: parti della macchina (comprese le parti fabbricate e componenti acquistati), l'assemblaggio di granito, il lavoro e le spese generali.
Parti della macchina
Una soluzione IgM offre un risparmio degno di nota su una soluzione da palcoscenico su granito in termini di parti della macchina. Ciò è dovuto principalmente alla mancanza di basi di stadio intricate di IGM sugli assi Y e X, che aggiungono complessità e costo alle soluzioni stage-on-granite. Inoltre, i risparmi sui costi possono essere attribuiti alla relativa semplificazione di altre parti lavorate sulla soluzione IgM, come le carrozze in movimento, che possono avere caratteristiche più semplici e tolleranze in qualche modo più rilassate se progettate per l'uso in un sistema IGM.
Assemblee di granito
Sebbene gli assemblaggi di ponte di base in granito sia nei sistemi IgM che in fase-on-granito sembrano avere un fattore di forma e un aspetto simili, l'assemblaggio del granito IgM è marginalmente più costoso. Questo perché il granito nella soluzione IGM prende il posto delle basi dello stadio lavorate nella soluzione stage-on-granite, che richiede che il granito abbia tolleranze generalmente più strette nelle regioni critiche e persino caratteristiche aggiuntive, come tagli estrusi e/o inserti in acciaio filettati, ad esempio. Tuttavia, nel nostro caso di studio, la complessità aggiuntiva della struttura in granito è più che compensata dalla semplificazione nelle parti della macchina.
Lavoro e spese generali
A causa delle molte somiglianze nell'assemblaggio e nel testare sia i sistemi IGM che lo stadio-su-granito, non vi è una differenza significativa nei costi di manodopera e generali.
Una volta combinati tutti questi fattori di costo, la soluzione di IgM con portata meccanica specifica esaminata in questo studio è circa il 15% in meno costosa della soluzione meccanica, stadio-su-granito.
Naturalmente, i risultati dell'analisi economica dipendono non solo da attributi come lunghezza di viaggio, precisione e capacità di carico, ma anche da fattori come la selezione del fornitore di granito. Inoltre, è prudente considerare i costi di spedizione e logistica associati all'acquisizione di una struttura in granito. Particolarmente utile per i sistemi di granito molto grandi, sebbene veri per tutte le dimensioni, la scelta di un fornitore di granito qualificato in stretta vicinanza alla posizione dell'assemblaggio del sistema finale può aiutare a ridurre al minimo i costi.
Va anche notato che questa analisi non considera i costi post-implementazione. Ad esempio, supponiamo che diventi necessario servire il sistema di movimento riparando o sostituendo un asse di movimento. Un sistema stage-on-granite può essere servito semplicemente rimuovendo e riparando/sostituito l'asse interessato. A causa del design più modulare in stile stadio, questo può essere fatto con relativa facilità e velocità, nonostante il costo iniziale del sistema più elevato. Sebbene i sistemi IgM possano generalmente essere ottenuti a un costo inferiore rispetto alle loro controparti da palco su granito, possono essere più impegnativi per disassemblare e assistenza a causa della natura integrata della costruzione.
Conclusione
Chiaramente ogni tipo di design della piattaforma di movimento-stadio su granrite e IgM-può offrire vantaggi distinti. Tuttavia, non è sempre ovvio quale sia la scelta più ideale per una particolare applicazione di movimento. Pertanto, è molto utile collaborare con un fornitore esperto di sistemi di moto e automazione, come Aerotech, che offre un approccio distintamente focalizzato sull'applicazione e consultiva per esplorare e fornire preziose informazioni sulle alternative di soluzione alle impegnative applicazioni di controllo del movimento e automazione. Comprendere non solo la differenza tra queste due varietà di soluzioni di automazione, ma anche gli aspetti fondamentali dei problemi che sono tenuti a risolvere, è la chiave sottostante per il successo nella scelta di un sistema di movimento che affronta sia gli obiettivi tecnici che quelli finanziari del progetto.
Da aerotech.
Tempo post: DEC-31-2021