La differenza tra i sistemi di movimentazione su granito e i sistemi di movimentazione integrati su granito.

La scelta della piattaforma di movimentazione lineare in granito più adatta a una determinata applicazione dipende da una serie di fattori e variabili. È fondamentale riconoscere che ogni applicazione presenta esigenze specifiche che devono essere comprese e prioritarie per individuare una soluzione efficace in termini di piattaforma di movimentazione.

Una delle soluzioni più diffuse prevede il montaggio di stadi di posizionamento separati su una struttura in granito. Un'altra soluzione comune integra i componenti che costituiscono gli assi di movimento direttamente nel granito stesso. La scelta tra uno stadio su granito e una piattaforma di movimento integrata nel granito (IGM) è una delle prime decisioni da prendere nel processo di selezione. Esistono chiare differenze tra le due tipologie di soluzione e, naturalmente, ognuna ha i propri vantaggi e svantaggi che devono essere attentamente compresi e valutati.

Per offrire una migliore comprensione di questo processo decisionale, valutiamo le differenze tra due progetti fondamentali di piattaforme a movimento lineare — una soluzione tradizionale con piattaforma su granito e una soluzione IGM — sia dal punto di vista tecnico che finanziario, attraverso un caso di studio sui cuscinetti meccanici.

Sfondo

Per esplorare le somiglianze e le differenze tra i sistemi IGM e i sistemi tradizionali a stadio su granito, abbiamo generato due progetti di test:

• Cuscinetto meccanico, piattaforma su granito
• Cuscinetto meccanico, IGM

In entrambi i casi, ciascun sistema è costituito da tre assi di movimento. L'asse Y offre una corsa di 1000 mm ed è situato sulla base della struttura in granito. L'asse X, situato sul ponte dell'assemblaggio con una corsa di 400 mm, supporta l'asse Z verticale con una corsa di 100 mm. Questa configurazione è rappresentata pittograficamente.

Per la struttura con base in granito, abbiamo scelto una piattaforma a corpo largo PRO560LM per l'asse Y, grazie alla sua maggiore capacità di carico, caratteristica comune a molte applicazioni di movimentazione che utilizzano questa configurazione a "ponte diviso Y/XZ". Per l'asse X, abbiamo optato per una PRO280LM, comunemente utilizzata come asse di ponte in numerose applicazioni. La PRO280LM offre un buon compromesso tra ingombro e capacità di supportare un asse Z con il carico utile del cliente.

Per i progetti IGM, abbiamo replicato fedelmente i concetti di progettazione e le configurazioni fondamentali degli assi sopra descritti, con la differenza principale che gli assi IGM sono integrati direttamente nella struttura in granito e, pertanto, non presentano le basi con componenti lavorati presenti nei progetti con palcoscenico su granito.

In entrambi i casi di progettazione, l'asse Z è comune ed è stato scelto un sistema di scorrimento a vite a ricircolo di sfere PRO190SL. Questo asse è molto diffuso per l'impiego in orientamento verticale su un ponte di lavoro grazie alla sua elevata capacità di carico e alle dimensioni relativamente compatte.

La Figura 2 illustra i sistemi specifici stadio su granito e IGM studiati.

Confronto tecnico

I sistemi IGM sono progettati utilizzando una varietà di tecniche e componenti simili a quelli impiegati nei tradizionali palcoscenici su granito. Di conseguenza, i sistemi IGM e quelli su granito condividono numerose caratteristiche tecniche. Tuttavia, l'integrazione degli assi di movimento direttamente nella struttura in granito offre diverse caratteristiche distintive che differenziano i sistemi IGM da quelli su granito.

Fattore di forma

Forse la somiglianza più evidente inizia dalle fondamenta della macchina: il granito. Sebbene vi siano differenze nelle caratteristiche e nelle tolleranze tra i progetti con struttura in granito e quelli IGM, le dimensioni complessive della base in granito, dei montanti e del ponte sono equivalenti. Ciò è dovuto principalmente al fatto che le corse nominali e limite sono identiche tra i progetti con struttura in granito e quelli IGM.

Costruzione

L'assenza di basi per assi con componenti lavorati nel design IGM offre alcuni vantaggi rispetto alle soluzioni con piano di lavoro su granito. In particolare, la riduzione dei componenti nell'anello strutturale dell'IGM contribuisce ad aumentare la rigidità complessiva dell'asse. Consente inoltre una distanza minore tra la base in granito e la superficie superiore del carrello. In questo specifico caso di studio, il design IGM offre un'altezza del piano di lavoro inferiore del 33% (80 mm rispetto a 120 mm). Questa minore altezza di lavoro non solo consente un design più compatto, ma riduce anche gli offset della macchina tra il motore e l'encoder e il punto di lavoro, con conseguente riduzione degli errori di Abbe e quindi migliori prestazioni di posizionamento del punto di lavoro.

Componenti dell'asse

Analizzando più a fondo il progetto, le soluzioni con piattaforma in granito e IGM condividono alcuni componenti chiave, come i motori lineari e gli encoder di posizione. La scelta di un motore di forza e di un sistema di guida magnetica comuni si traduce in capacità di forza in uscita 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 in termini di precisione lineare e ripetibilità non differiscono in modo significativo tra le soluzioni con piattaforma in granito e IGM. La disposizione simile dei componenti, inclusi la separazione e la tolleranza dei cuscinetti, si traduce in prestazioni comparabili in termini di movimenti di errore geometrico (ovvero, rettilineità orizzontale e verticale, beccheggio, rollio e imbardata). Infine, gli elementi di supporto di entrambi i progetti, tra cui la gestione dei cavi, i finecorsa elettrici e i fermi di fine corsa, sono fondamentalmente identici nella funzione, sebbene possano variare leggermente nell'aspetto fisico.

Cuscinetti

In questo particolare progetto, una delle differenze più significative risiede nella scelta dei cuscinetti di guida lineare. Sebbene i cuscinetti a ricircolo di sfere siano utilizzati sia nei sistemi con base in granito che nei sistemi IGM, il sistema IGM consente di integrare cuscinetti più grandi e rigidi senza aumentare l'altezza di lavoro dell'asse. Poiché il design IGM si basa sul granito stesso, anziché su una base separata realizzata con componenti lavorati, è possibile recuperare parte dello spazio verticale che altrimenti sarebbe occupato da una base lavorata, riempiendo di fatto questo spazio con cuscinetti più grandi e riducendo al contempo l'altezza complessiva del carrello rispetto al granito.

Rigidità

L'utilizzo di cuscinetti di dimensioni maggiori nel design IGM ha un impatto significativo sulla rigidità angolare. Nel caso dell'asse inferiore (Y) a corpo largo, la soluzione IGM offre una rigidità di rollio superiore di oltre il 40%, una rigidità di beccheggio superiore del 30% e una rigidità di imbardata superiore del 20% rispetto a un design equivalente con piattaforma in granito. Analogamente, il ponte IGM offre una rigidità di rollio quadruplicata, una rigidità di beccheggio doppia e una rigidità di imbardata superiore di oltre il 30% rispetto alla sua controparte con piattaforma in granito. Una maggiore rigidità angolare è vantaggiosa perché contribuisce direttamente a migliorare le prestazioni dinamiche, elemento chiave per consentire una maggiore produttività della macchina.

Capacità di carico

I cuscinetti di dimensioni maggiori della soluzione IGM consentono una capacità di carico utile notevolmente superiore rispetto a una soluzione con piattaforma in granito. Sebbene l'asse di base PRO560LM della soluzione con piattaforma in granito abbia una capacità di carico di 150 kg, la corrispondente soluzione IGM può supportare un carico utile di 300 kg. Analogamente, l'asse del ponte PRO280LM della soluzione con piattaforma in granito supporta 150 kg, mentre l'asse del ponte della soluzione IGM può trasportare fino a 200 kg.

Massa mobile

Sebbene i cuscinetti più grandi degli assi IGM con cuscinetti meccanici offrano migliori prestazioni angolari e una maggiore capacità di carico, comportano anche carrelli più grandi e pesanti. Inoltre, i carrelli IGM sono progettati in modo tale che alcune caratteristiche meccaniche necessarie per un asse con piattaforma in granito (ma non richieste per un asse IGM) vengano eliminate per aumentare la rigidità del componente e semplificare la produzione. Questi fattori implicano che l'asse IGM abbia una massa mobile maggiore rispetto a un corrispondente asse con piattaforma in granito. Uno svantaggio indiscutibile è che l'accelerazione massima dell'IGM è inferiore, supponendo che la forza erogata dal motore rimanga invariata. Tuttavia, in determinate situazioni, una massa mobile maggiore può essere vantaggiosa in quanto la sua maggiore inerzia può fornire una maggiore resistenza alle perturbazioni, il che può tradursi in una maggiore stabilità in posizione.

Dinamica strutturale

La maggiore rigidità dei cuscinetti e il carrello più rigido del sistema IGM offrono ulteriori vantaggi, evidenti dopo aver eseguito un'analisi modale utilizzando un software di analisi agli elementi finiti (FEA). In questo studio, abbiamo esaminato la prima risonanza del carrello mobile 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 stadio su granito, può essere attribuita in parte alla maggiore rigidità del carrello e del design dei cuscinetti. Una maggiore risonanza del carrello consente di avere una maggiore larghezza di banda del servo e quindi migliori prestazioni dinamiche.

Ambiente operativo

La tenuta stagna dell'asse è quasi sempre obbligatoria in presenza di contaminanti, siano essi generati dal processo dell'utente o presenti nell'ambiente circostante la macchina. Le soluzioni con piattaforma su granito sono particolarmente adatte in queste situazioni grazie alla natura intrinsecamente chiusa dell'asse. Le piattaforme lineari della serie PRO, ad esempio, sono dotate di coperture rigide e guarnizioni laterali che proteggono i componenti interni della piattaforma dalla contaminazione in misura ragionevole. Queste piattaforme possono anche essere configurate con raschiatori opzionali per rimuovere i detriti dalla copertura superiore durante il movimento della piattaforma. D'altra parte, le piattaforme di movimento IGM sono intrinsecamente aperte, con cuscinetti, motori ed encoder esposti. Sebbene non rappresenti un problema in ambienti puliti, questo può essere problematico in presenza di contaminazione. È possibile risolvere questo problema integrando una speciale copertura a soffietto nella progettazione dell'asse IGM per fornire protezione dai detriti. Tuttavia, se non implementata correttamente, la copertura a soffietto può influenzare negativamente il movimento dell'asse, esercitando forze esterne sul carrello durante la sua corsa completa.

Manutenzione

La facilità di manutenzione è un elemento distintivo tra le piattaforme di movimento con stadio su granito e quelle IGM. Gli assi con motore lineare sono noti per la loro robustezza, ma a volte si rende necessario eseguire interventi di 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 completo. Quando la piattaforma di movimento è composta da stadi separati montati su granito, la manutenzione è un'operazione piuttosto semplice. Innanzitutto, si smonta lo stadio dal granito, quindi si esegue la manutenzione necessaria e lo si rimonta. Oppure, si può semplicemente sostituirlo con uno nuovo.

Le soluzioni IGM possono talvolta risultare più complesse in fase di manutenzione. Sebbene la sostituzione di una singola pista magnetica del motore lineare sia molto semplice in questo caso, interventi di manutenzione e riparazione più complessi spesso richiedono lo smontaggio completo di molti o di tutti i componenti dell'asse, operazione che richiede più tempo quando i componenti sono montati direttamente sul granito. Risulta inoltre più difficile riallineare gli assi basati sul granito dopo la manutenzione, un'operazione che è invece considerevolmente più semplice con stadi discreti.

Tabella 1. Riepilogo delle principali differenze tecniche tra le soluzioni con stadio a supporto meccanico su granito e le soluzioni IGM.

Confronto economico

Sebbene il costo assoluto di qualsiasi sistema di movimentazione vari in base a diversi fattori, tra cui la lunghezza della corsa, la precisione degli assi, la capacità di carico e le capacità dinamiche, i confronti relativi tra sistemi di movimentazione analoghi IGM e quelli con piattaforma in granito, condotti in questo studio, suggeriscono che le soluzioni IGM sono in grado di offrire una movimentazione di precisione medio-alta a costi moderatamente inferiori rispetto alle loro controparti con piattaforma in granito.

Il nostro studio economico si compone di tre elementi di costo fondamentali: i componenti della macchina (inclusi sia i componenti prodotti internamente che quelli acquistati), l'assemblaggio del granito e la manodopera e le spese generali.

Componenti per macchine

Una soluzione IGM offre notevoli risparmi rispetto a una soluzione con piattaforma in granito in termini di componenti meccanici. Ciò è dovuto principalmente all'assenza, nella soluzione IGM, di basi di supporto della piattaforma finemente lavorate sugli assi Y e X, che aggiungono complessità e costi alle soluzioni con piattaforma in granito. Inoltre, i risparmi sui costi possono essere attribuiti alla relativa semplificazione di altri componenti meccanici nella soluzione IGM, come i carrelli mobili, che possono avere caratteristiche più semplici e tolleranze meno stringenti se progettati per l'utilizzo in un sistema IGM.

Assemblaggi in granito

Sebbene gli assemblaggi base-rialzo-ponte in granito sia nel sistema IGM che in quello con palcoscenico su granito sembrino avere una forma e un aspetto simili, l'assemblaggio in granito IGM è leggermente più costoso. Questo perché nella soluzione IGM il granito sostituisce le basi del palcoscenico lavorate meccanicamente presenti nella soluzione con palcoscenico su granito, il che richiede che il granito abbia tolleranze generalmente più strette nelle zone critiche e persino caratteristiche aggiuntive, come tagli estrusi e/o inserti in acciaio filettati, ad esempio. Tuttavia, nel nostro caso di studio, la maggiore complessità della struttura in granito è più che compensata dalla semplificazione delle parti meccaniche.

Manodopera e spese generali

Grazie alle numerose somiglianze nelle fasi di assemblaggio e collaudo sia del sistema IGM che del sistema a piattaforma su granito, non si riscontrano differenze significative in termini di manodopera e costi generali.

Una volta considerati tutti questi fattori di costo, la specifica soluzione IGM con cuscinetti meccanici esaminata in questo studio risulta essere circa il 15% meno costosa rispetto alla soluzione con cuscinetti meccanici e stadio su granito.

Naturalmente, i risultati dell'analisi economica dipendono non solo da attributi quali la lunghezza del percorso, la precisione e la capacità di carico, ma anche da fattori quali la scelta del fornitore di granito. Inoltre, è opportuno considerare i costi di spedizione e logistica associati all'approvvigionamento di una struttura in granito. Particolarmente utile per sistemi in granito di grandi dimensioni, ma valido per tutte le dimensioni, la scelta di un fornitore di granito qualificato e situato nelle immediate vicinanze del luogo di assemblaggio finale del sistema può contribuire a minimizzare i costi.

Va inoltre notato che questa analisi non considera i costi successivi all'implementazione. Ad esempio, si supponga che si renda necessario intervenire sul sistema di movimento riparando o sostituendo un asse di movimento. Un sistema con palcoscenico su granito può essere riparato semplicemente rimuovendo e riparando/sostituendo l'asse interessato. Grazie alla progettazione più modulare tipica dei palcoscenici, questa operazione può essere eseguita con relativa facilità e rapidità, nonostante il costo iniziale del sistema sia più elevato. Sebbene i sistemi IGM (Integrated Motion Ground) siano generalmente disponibili a un costo inferiore rispetto ai sistemi con palcoscenico su granito, la loro smontaggio e manutenzione possono risultare più complesse a causa della natura integrata della costruzione.

Conclusione

È evidente che ogni tipologia di piattaforma di movimento – a piattaforma su granito o IGM – offre vantaggi specifici. Tuttavia, non è sempre facile individuare la soluzione più adatta a una particolare applicazione. Pertanto, è fondamentale collaborare con un fornitore esperto di sistemi di movimento e automazione, come Aerotech, che adotta un approccio consulenziale mirato alle applicazioni, in grado di esplorare e fornire preziose informazioni su soluzioni alternative per complesse applicazioni di controllo e automazione del movimento. Comprendere non solo la differenza tra queste due tipologie di soluzioni di automazione, ma anche gli aspetti fondamentali dei problemi che devono risolvere, è la chiave per scegliere un sistema di movimento che soddisfi sia gli obiettivi tecnici che quelli finanziari del progetto.

Da AEROTECH.