La scelta della piattaforma di movimento lineare a base di granito più adatta per una determinata applicazione dipende da una serie di fattori e variabili.È fondamentale riconoscere che ogni singola applicazione ha il proprio insieme unico di requisiti che devono essere compresi e prioritari per perseguire una soluzione efficace in termini di piattaforma di movimento.
Una delle soluzioni più diffuse prevede il montaggio di stadi di posizionamento discreti su una struttura in granito.Un'altra soluzione comune integra i componenti che compongono gli assi di movimento direttamente nel granito stesso.La scelta tra una piattaforma stage-on-granite e una piattaforma IGM (Integrated-granite motion) è una delle prime decisioni da prendere nel processo di selezione.Esistono chiare distinzioni tra entrambi i tipi di soluzioni e, ovviamente, ciascuna ha i propri meriti – e avvertenze – che devono essere compresi e considerati attentamente.
Per offrire una migliore comprensione di questo processo decisionale, valutiamo le differenze tra due progetti fondamentali di piattaforme di movimento lineare - una soluzione tradizionale stage-on-granito e una soluzione IGM - sia dal punto di vista tecnico che finanziario sotto forma di un sistema meccanico- caso di studio sui cuscinetti.
Sfondo
Per esplorare le somiglianze e le differenze tra i sistemi IGM e i tradizionali sistemi stage-on-granite, abbiamo generato due progetti di casi di prova:
- Cuscinetto meccanico, palco su granito
- Cuscinetto meccanico, IGM
In entrambi i casi, ciascun sistema è costituito da tre assi di movimento.L'asse Y offre 1000 mm di corsa e si trova sulla base della struttura in granito.L'asse X, situato sul ponte del gruppo con 400 mm di corsa, porta l'asse Z verticale con 100 mm di corsa.Questa disposizione è rappresentata pittograficamente.
Per il design del palco su granito, abbiamo selezionato un palco a corpo largo PRO560LM per l'asse Y a causa della sua maggiore capacità di carico, comune per molte applicazioni di movimento che utilizzano questa disposizione "ponte diviso Y/XZ".Per l'asse X abbiamo scelto un PRO280LM, comunemente utilizzato come asse a ponte in molte applicazioni.Il PRO280LM offre un equilibrio pratico tra il suo ingombro e la sua capacità di trasportare un asse Z con un carico utile del cliente.
Per i progetti IGM, abbiamo replicato fedelmente i concetti progettuali fondamentali e i layout degli assi di cui sopra, con la differenza principale che gli assi IGM sono integrati direttamente nella struttura in granito e quindi mancano delle basi dei componenti lavorati presenti nello stage-on. -disegni in granito.
Comune in entrambi i casi di progettazione è l'asse Z, che è stato scelto come tavolino PRO190SL con vite a ricircolo di sfere.Questo è un asse molto popolare da utilizzare nell'orientamento verticale su un ponte grazie alla sua generosa capacità di carico utile e al fattore di forma relativamente compatto.
La Figura 2 illustra i sistemi specifici stage-on-granite e IGM studiati.
Confronto tecnico
I sistemi IGM sono progettati utilizzando una varietà di tecniche e componenti simili a quelli presenti nei tradizionali progetti stage-on-granite.Di conseguenza, ci sono numerose proprietà tecniche in comune tra i sistemi IGM e i sistemi stage-on-granite.Al contrario, l'integrazione degli assi di movimento direttamente nella struttura in granito offre diverse caratteristiche distintive che differenziano i sistemi IGM dai sistemi stage-on-granito.
Fattore di forma
Forse la somiglianza più evidente inizia con la base della macchina: il granito.Sebbene vi siano differenze nelle caratteristiche e nelle tolleranze tra i progetti stage-on-granite e IGM, le dimensioni complessive della base in granito, delle alzate e del ponte sono equivalenti.Ciò è dovuto principalmente al fatto che la corsa nominale e quella limite sono identiche tra palco su granito e IGM.
Costruzione
La mancanza di basi degli assi con componenti lavorati nel design IGM offre alcuni vantaggi rispetto alle soluzioni stage-on-granite.In particolare, la riduzione dei componenti nel circuito strutturale dell'IGM contribuisce ad aumentare la rigidità complessiva dell'asse.Consente inoltre una distanza più breve tra la base in 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).Questa altezza di lavoro ridotta non solo 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 migliori prestazioni di posizionamento del punto di lavoro.
Componenti dell'asse
Esaminando più in profondità il progetto, le soluzioni stage-on-granite e IGM condividono alcuni componenti chiave, come motori lineari ed encoder di posizione.La selezione comune della forza e della traccia magnetica porta a capacità di uscita della forza equivalenti.Allo stesso modo, l'utilizzo degli stessi encoder in entrambi i progetti fornisce una risoluzione identica per il feedback di posizionamento.Di conseguenza, le prestazioni di precisione lineare e ripetibilità non differiscono significativamente tra le soluzioni stage-on-granite e IGM.Una disposizione simile dei componenti, inclusa la separazione e la tolleranza dei cuscinetti, porta a prestazioni comparabili in termini di movimenti di errori geometrici (ad esempio, rettilineità orizzontale e verticale, beccheggio, rollio e imbardata).Infine, gli elementi di supporto di entrambi i progetti, tra cui la gestione dei cavi, i limiti elettrici e gli hardstop, sono fondamentalmente identici nella funzione, sebbene possano variare leggermente nell'aspetto fisico.
Cuscinetti
Per questo particolare design, una delle differenze più notevoli è la scelta dei cuscinetti della guida lineare.Sebbene i cuscinetti a ricircolo di sfere siano utilizzati sia nei sistemi Stage-on-Granite che in quelli IGM, il sistema IGM consente di incorporare cuscinetti più grandi e più rigidi nel progetto senza aumentare l'altezza di lavoro dell'asse.Poiché il progetto IGM si basa sul granito come base, anziché su una base separata composta da componenti lavorati, è possibile recuperare parte dello spazio verticale che altrimenti verrebbe consumato da una base lavorata e riempire essenzialmente questo spazio con strutture più grandi. cuscinetti pur riducendo l'altezza complessiva del carrello sopra il granito.
Rigidità
L'uso di cuscinetti più grandi nel design IGM ha un profondo impatto sulla rigidità angolare.Nel caso dell’asse inferiore wide-body (Y), la soluzione IGM offre una rigidità al rollio maggiore di oltre il 40%, una rigidità al beccheggio maggiore del 30% e una rigidità d’imbardata maggiore del 20% rispetto a un corrispondente design stage-on-granite.Allo stesso modo, il ponte dell'IGM offre un aumento di quattro volte della rigidità al rollio, il doppio della rigidità del beccheggio e una rigidità dell'imbardata maggiore di oltre il 30% rispetto alla sua controparte in granito.Una maggiore rigidità angolare è vantaggiosa perché contribuisce direttamente a migliorare le prestazioni dinamiche, che sono fondamentali per consentire una maggiore produttività della macchina.
Capacità di carico
I cuscinetti più grandi della soluzione IGM consentono una capacità di carico utile sostanzialmente maggiore rispetto a una soluzione con palco su granito.Sebbene l'asse di base PRO560LM della soluzione stage-on-granite abbia una capacità di carico di 150 kg, la corrispondente soluzione IGM può ospitare un carico utile di 300 kg.Allo stesso modo, l'asse a ponte PRO280LM dello stage-on-granite supporta 150 kg, mentre l'asse a ponte della soluzione IGM può sostenere fino a 200 kg.
Messa in movimento
Sebbene i cuscinetti più grandi negli assi IGM con cuscinetti meccanici offrano migliori prestazioni angolari e una maggiore capacità di carico, sono dotati anche di camion più grandi e pesanti.Inoltre, i carrelli IGM sono progettati in modo tale che alcune caratteristiche meccaniche necessarie per un asse stage-on-granit (ma non richieste da un asse IGM) vengano rimosse per aumentare la rigidità della parte e semplificare la produzione.Questi fattori fanno sì che l’asse IGM abbia una massa in movimento maggiore rispetto a un corrispondente asse stage-on-granit.Uno svantaggio indiscutibile è che l'accelerazione massima dell'IGM è inferiore, presupponendo che la potenza del motore rimanga invariata.Tuttavia, in determinate situazioni, una massa in movimento più grande può essere vantaggiosa dal punto di vista che la sua maggiore inerzia può fornire una maggiore resistenza ai disturbi, che può essere correlata a una maggiore stabilità in posizione.
Dinamica strutturale
La maggiore rigidità dei cuscinetti e il carrello più rigido del sistema IGM forniscono ulteriori vantaggi evidenti dopo aver utilizzato un pacchetto software di analisi degli elementi finiti (FEA) per eseguire un'analisi modale.In questo studio abbiamo esaminato la prima risonanza del carrello 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 carrello IGM sperimenta la stessa modalità a 430 Hz.La Figura 3 illustra questo risultato.
La maggiore risonanza della soluzione IGM, rispetto al tradizionale palco su granito, può essere attribuita in parte al design più rigido del carrello e dei cuscinetti.Una risonanza del carrello più elevata consente di avere una maggiore larghezza di banda del servo e quindi prestazioni dinamiche migliorate.
Ambiente operativo
La sigillabilità degli assi è quasi sempre obbligatoria quando sono presenti contaminanti, siano essi generati dal processo dell'utente o comunque presenti nell'ambiente della macchina.Le soluzioni stage-on-granit sono particolarmente adatte in queste situazioni a causa della natura intrinsecamente chiusa dell'asse.I tavoli lineari della serie PRO, ad esempio, sono dotati di coperture rigide e guarnizioni laterali che proteggono in misura ragionevole i componenti interni del palco dalla contaminazione.Questi palchi possono anche essere configurati con tergicristalli opzionali per rimuovere i detriti dalla copertina rigida superiore mentre il palco si sposta.D'altro canto, le piattaforme di movimento IGM sono intrinsecamente aperte per natura, con cuscinetti, motori ed encoder esposti.Sebbene non sia un problema in ambienti più puliti, ciò può essere problematico quando è presente contaminazione.È possibile risolvere questo problema incorporando una speciale copertura a soffietto nel design dell'asse IGM per fornire protezione dai detriti.Ma se non implementato correttamente, il soffietto può influenzare negativamente il movimento dell'asse impartendo forze esterne al carrello mentre si muove lungo l'intera corsa.
Manutenzione
La manutenibilità è un elemento di differenziazione tra le piattaforme di movimento stage-on-granite e IGM.Gli assi con motori lineari sono noti per la loro robustezza, ma a volte diventa necessario eseguire la manutenzione.Alcune operazioni di manutenzione sono relativamente semplici e possono essere eseguite senza rimuovere o smontare l'asse in questione, ma a volte è necessario uno smontaggio più approfondito.Quando la piattaforma di movimento è costituita da stadi separati montati su granito, la manutenzione è un compito ragionevolmente semplice.Per prima cosa smontare il palco dal granito, poi eseguire i necessari lavori di manutenzione e rimontarlo.Oppure sostituiscilo semplicemente con una nuova fase.
Le soluzioni IGM a volte possono essere più impegnative durante l'esecuzione della manutenzione.Sebbene in questo caso la sostituzione di una singola traccia magnetica del motore lineare sia molto semplice, manutenzioni e riparazioni più complicate spesso comportano lo smontaggio completo di molti o tutti i componenti che compongono l'asse, il che richiede più tempo quando i componenti sono montati direttamente sul granito.È anche più difficile riallineare tra loro gli assi basati su granito dopo aver eseguito la manutenzione, un compito notevolmente più semplice con fasi discrete.
Tabella 1. Un riepilogo delle differenze tecniche fondamentali tra le soluzioni stage-on-granito con supporto meccanico e le soluzioni IGM.
| Descrizione | Sistema Stage-on-Granite, cuscinetto meccanico | Sistema IGM, cuscinetto meccanico | |||
| Asse base (Y) | Asse del ponte (X) | Asse 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 | |||
| Imbardata | 1.2 | 1.3 | |||
| Capacità di carico utile (kg) | 150 | 150 | 300 | 200 | |
| Massa in movimento (kg) | 25 | 14 | 33 | 19 | |
| Altezza del piano del tavolo (mm) | 120 | 120 | 80 | 80 | |
| Sigillabilità | La copertina rigida e le guarnizioni laterali offrono protezione dai detriti che entrano nell'asse. | L'IGM è solitamente un progetto aperto.La sigillatura richiede l'aggiunta di una copertura a soffietto o simile. | |||
| Facilità di manutenzione | Gli stadi dei componenti possono essere rimossi e facilmente sottoposti a manutenzione o sostituiti. | Gli assi sono intrinsecamente integrati nella struttura in granito, rendendo la manutenzione più difficile. | |||
Confronto economico
Sebbene il costo assoluto di qualsiasi sistema di movimento varierà in base a diversi fattori tra cui la lunghezza della corsa, la precisione dell'asse, la capacità di carico e le capacità dinamiche, i confronti relativi tra sistemi di movimento IGM analoghi e sistemi di movimento su granito condotti in questo studio suggeriscono che le soluzioni IGM sono in grado di offrire movimenti di precisione medio-alta a costi moderatamente inferiori rispetto alle controparti su granito.
Il nostro studio economico è costituito da tre componenti di costo fondamentali: parti della macchina (incluse sia le parti prodotte che i componenti acquistati), l'assemblaggio del granito, la manodopera e le spese generali.
Parti della macchina
Una soluzione IGM offre notevoli risparmi rispetto a una soluzione stage-on-granito in termini di parti della macchina.Ciò è dovuto principalmente alla mancanza nell'IGM di basi del palco finemente lavorate sugli assi Y e X, che aggiungono complessità e costi alle soluzioni palco su granito.Inoltre, i risparmi sui costi possono essere attribuiti alla relativa semplificazione di altre parti lavorate sulla soluzione IGM, come i carrelli mobili, che possono avere caratteristiche più semplici e tolleranze un po’ più rilassate se progettati per l’uso in un sistema IGM.
Assemblee di granito
Sebbene gli assemblaggi base-alzata-ponte in granito sia nei sistemi IGM che in quelli palco su granito sembrano avere un fattore di forma e un aspetto simili, l'assemblaggio in granito IGM è leggermente più costoso.Questo perché il granito nella soluzione IGM prende il posto delle basi del palco lavorate nella soluzione stage-on-granite, che richiede che il granito abbia tolleranze generalmente più strette nelle regioni critiche e anche caratteristiche aggiuntive, come tagli estrusi e/o o inserti filettati in acciaio, ad esempio.Tuttavia, nel nostro caso di studio, la complessità aggiuntiva della struttura in granito è più che compensata dalla semplificazione delle parti della macchina.
Manodopera e spese generali
A causa delle numerose somiglianze nell'assemblaggio e nel collaudo dei sistemi IGM e stage-on-granite, non vi è una differenza significativa nella manodopera e nei costi generali.
Una volta combinati tutti questi fattori di costo, la specifica soluzione IGM con supporto meccanico esaminata in questo studio è circa il 15% meno costosa rispetto alla soluzione con supporto meccanico, stadio su granito.
Naturalmente i risultati dell'analisi economica non dipendono solo da attributi come la lunghezza della corsa, la precisione e la capacità di carico, ma anche da fattori come la scelta del fornitore di granito.Inoltre, è prudente considerare i costi di spedizione e logistica associati all’acquisto di una struttura in granito.Particolarmente utile per i sistemi di granito molto grandi, anche se vero per tutte le dimensioni, la scelta di un fornitore di granito qualificato più vicino al luogo dell'assemblaggio finale del sistema può aiutare anche a ridurre al minimo i costi.
Va inoltre notato che questa analisi non considera i costi post-implementazione.Ad esempio, supponiamo che diventi necessario riparare il sistema di movimento riparando o sostituendo un asse di movimento.Un sistema stage-on-granite può essere sottoposto a manutenzione semplicemente rimuovendo e riparando/sostituendo l'asse interessato.Grazie al design più modulare in stile palco, ciò 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 su granito, possono essere più difficili da smontare e manutenere a causa della natura integrata della costruzione.
Conclusione
Chiaramente ogni tipo di progettazione della piattaforma di movimento – stage-on-granite e IGM – può offrire vantaggi distinti.Tuttavia, non è sempre ovvio quale sia la scelta ideale per una particolare applicazione di movimento.Pertanto, è molto vantaggioso collaborare con un fornitore esperto di sistemi di movimento e automazione, come Aerotech, che offre un approccio consulenziale chiaramente incentrato sull'applicazione per esplorare e fornire informazioni preziose su soluzioni alternative 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 devono risolvere, è la chiave del successo nella scelta di un sistema di movimento che soddisfi sia gli obiettivi tecnici che quelli finanziari del progetto.
Da AEROTECH.
Orario di pubblicazione: 31 dicembre 2021