La scelta della piattaforma di movimento lineare in granito più adatta per una determinata applicazione dipende da una serie di fattori e variabili. È fondamentale riconoscere che ogni applicazione ha i propri requisiti specifici che devono essere compresi e prioritizzati per individuare 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 con stadi su granito e una con movimento integrato in granito (IGM) è una delle prime decisioni da prendere nel processo di selezione. Esistono chiare distinzioni tra i due tipi di soluzione e, naturalmente, ciascuna ha i suoi pregi e le sue limitazioni che devono essere attentamente compresi e considerati.
Per offrire una visione più approfondita di questo processo decisionale, valutiamo le differenze tra due progetti fondamentali di piattaforme di movimento lineare, una soluzione tradizionale con piattaforma su granito e una soluzione IGM, sia dal punto di vista tecnico che finanziario, sotto forma di uno studio di caso sui cuscinetti meccanici.
Sfondo
Per esplorare le somiglianze e le differenze tra i sistemi IGM e i tradizionali sistemi a palco su granito, abbiamo generato due progetti di casi di prova:
- Cuscinetto meccanico, fase su granito
- Cuscinetto meccanico, IGM
In entrambi i casi, ogni sistema è costituito da tre assi di movimento. L'asse Y offre una corsa di 1000 mm ed è posizionato sulla base della struttura in granito. L'asse X, posizionato sul ponte dell'assieme con una corsa di 400 mm, supporta l'asse Z verticale con una corsa di 100 mm. Questa disposizione è rappresentata pittograficamente.
Per la progettazione con piattaforma su granito, abbiamo selezionato una piattaforma wide-body PRO560LM per l'asse Y, data la sua maggiore capacità di carico, comune a molte applicazioni di movimento che utilizzano questa configurazione "a ponte diviso Y/XZ". Per l'asse X, abbiamo scelto una piattaforma PRO280LM, comunemente utilizzata come asse a ponte in molte applicazioni. La piattaforma PRO280LM offre un equilibrio pratico tra il suo ingombro e la capacità di supportare un asse Z con un carico utile del cliente.
Per i progetti IGM, abbiamo replicato fedelmente i concetti di progettazione fondamentali e i layout degli assi sopra menzionati, con la differenza principale che gli assi IGM sono integrati direttamente nella struttura in granito e pertanto non presentano le basi dei componenti lavorati a macchina presenti nei progetti con palco su granito.
Comune in entrambi i casi di progetto è l'asse Z, che è stato scelto come tavola con vite a sfere PRO190SL. Si tratta di un asse molto diffuso da utilizzare in 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 di fase su granito e IGM studiati.
Confronto tecnico
I sistemi IGM sono progettati utilizzando una varietà di tecniche e componenti simili a quelli dei tradizionali sistemi a stadi su granito. Di conseguenza, i sistemi IGM e quelli a stadi su granito presentano numerose proprietà tecniche in comune. Al contrario, l'integrazione degli assi di movimento direttamente nella struttura in granito offre diverse caratteristiche distintive che differenziano i sistemi IGM dai sistemi a stadi su 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 modelli con basamento su granito e quelli con basamento IGM, le dimensioni complessive della base, dei montanti e del ponte in granito sono equivalenti. Questo è dovuto principalmente al fatto che le corse nominali e limite sono identiche tra i modelli con basamento su granito e quelli con basamento IGM.
Costruzione
L'assenza di basi degli assi con componenti lavorati nel design IGM offre alcuni vantaggi rispetto alle soluzioni con piano su granito. In particolare, la riduzione dei componenti nel circuito strutturale dell'IGM contribuisce ad aumentare la rigidità complessiva dell'asse. Consente inoltre una distanza inferiore 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 minore altezza di lavoro non solo consente un design più compatto, ma riduce anche gli offset 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
Analizzando più a fondo il progetto, le soluzioni stage-on-granite e IGM condividono alcuni componenti chiave, come motori lineari ed encoder di posizione. La selezione comune di forcer e traccia magnetica garantisce capacità di output di forza equivalenti. Allo stesso modo, l'utilizzo degli stessi encoder in entrambi i progetti garantisce una risoluzione identica per il feedback di posizionamento. Di conseguenza, le prestazioni di precisione lineare e ripetibilità non presentano differenze significative tra le soluzioni stage-on-granite e IGM. Una disposizione simile dei componenti, inclusi la separazione e la tolleranza dei cuscinetti, garantisce prestazioni comparabili in termini di errori geometrici (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 gli hardstop, sono fondamentalmente identici nella funzione, sebbene possano variare leggermente nell'aspetto fisico.
Cuscinetti
Per questo particolare progetto, una delle differenze più evidenti è la selezione dei cuscinetti di guida lineari. Sebbene i cuscinetti a ricircolo di sfere siano utilizzati sia nei sistemi stage-on-granite che in quelli IGM, il sistema IGM consente di integrare cuscinetti più grandi e 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 con componenti lavorati, è possibile recuperare parte dello spazio verticale che altrimenti verrebbe occupato da una base lavorata, e sostanzialmente riempire questo spazio con cuscinetti più grandi, riducendo comunque l'altezza complessiva del carrello sopra il granito.
Rigidità
L'utilizzo di cuscinetti di maggiori dimensioni nel design IGM ha un profondo impatto sulla rigidezza angolare. Nel caso dell'asse inferiore wide-body (Y), la soluzione IGM offre una rigidezza di rollio superiore di oltre il 40%, una rigidezza di beccheggio superiore del 30% e una rigidezza di imbardata superiore del 20% rispetto a un design con piattaforma su granito corrispondente. Analogamente, il ponte dell'IGM offre una rigidezza di rollio quadruplicata, una rigidezza di beccheggio doppia e una rigidezza di imbardata superiore di oltre il 30% rispetto alla sua controparte con piattaforma su granito. Una maggiore rigidezza 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 piattaforma su granito. Sebbene l'asse di base PRO560LM della soluzione con piattaforma su 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 piattaforma su granito supporta 150 kg, mentre l'asse del ponte della soluzione IGM può supportare fino a 200 kg.
Massa in movimento
Sebbene i cuscinetti più grandi degli assi IGM con cuscinetti meccanici offrano migliori prestazioni angolari e una maggiore capacità di carico, sono anche dotati di carrelli più grandi e pesanti. Inoltre, i carrelli IGM sono progettati in modo tale che alcune lavorazioni meccaniche necessarie per un asse con piattaforma su granito (ma non richieste da un asse IGM) vengano eliminate per aumentare la rigidità del componente e semplificare la produzione. Questi fattori comportano che l'asse IGM abbia una massa in movimento maggiore rispetto a un corrispondente asse con piattaforma su granito. Uno svantaggio indiscutibile è che l'accelerazione massima dell'IGM è inferiore, a condizione che la forza motrice in uscita rimanga invariata. Tuttavia, in determinate situazioni, una massa in movimento maggiore può essere vantaggiosa dal punto di vista della maggiore inerzia, che può fornire una maggiore resistenza ai disturbi, il che può essere correlato a una maggiore stabilità in posizione.
Dinamica strutturale
La maggiore rigidità dei cuscinetti e la maggiore rigidità del carrello del sistema IGM offrono ulteriori vantaggi, evidenti dopo l'utilizzo di un software di analisi agli elementi finiti (FEA) per eseguire un'analisi modale. In questo studio, abbiamo esaminato la prima risonanza del carrello mobile per il suo effetto sulla larghezza di banda del servo. Il carrello PRO560LM incontra una risonanza a 400 Hz, mentre il carrello IGM corrispondente sperimenta la stessa modalità a 430 Hz. La Figura 3 illustra questo risultato.
La maggiore risonanza della soluzione IGM, rispetto alla tradizionale piattaforma su granito, può essere attribuita in parte alla maggiore rigidità del carrello e dei cuscinetti. Una maggiore risonanza del carrello consente di ottenere una maggiore larghezza di banda del servo e quindi prestazioni dinamiche migliori.
Ambiente operativo
La sigillatura degli assi è quasi sempre obbligatoria in presenza di contaminanti, generati dal processo dell'utente o altrimenti presenti nell'ambiente della macchina. Le soluzioni Stage-on-Granite sono particolarmente adatte in queste situazioni grazie alla natura intrinsecamente chiusa dell'asse. Gli assi lineari della serie PRO, ad esempio, sono dotati di coperture rigide e guarnizioni laterali che proteggono in misura ragionevole i componenti interni dello stadio dalla contaminazione. Questi stadi possono anche essere configurati con raschiatori opzionali per rimuovere i detriti dalla copertura rigida superiore durante la traslazione dello stadio. D'altra parte, le piattaforme di movimento IGM sono intrinsecamente aperte per natura, 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 incorporando una speciale copertura a soffietto nel design di un asse IGM per fornire protezione dai detriti. Tuttavia, se non implementata correttamente, la copertura a soffietto può influenzare negativamente il movimento dell'asse, trasmettendo forze esterne al carrello durante il suo movimento lungo l'intera corsa.
Manutenzione
La facilità di manutenzione è un fattore di differenziazione tra le piattaforme di movimento con piattaforma su granito e quelle IGM. Gli assi con motore lineare sono noti per la loro robustezza, ma a volte può essere 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 approfondito. Quando la piattaforma di movimento è composta da singole piattaforme montate su granito, la manutenzione è un'operazione piuttosto semplice. Innanzitutto, è necessario smontare la piattaforma dal granito, quindi eseguire i necessari interventi di manutenzione e rimontarla. In alternativa, è sufficiente sostituirla con una nuova piattaforma.
Le soluzioni IGM possono talvolta risultare più complesse in termini 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 comportano 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. È anche più difficile riallineare gli assi in granito tra loro dopo la manutenzione, un'operazione notevolmente più semplice con le fasi discrete.
Tabella 1. Riepilogo delle differenze tecniche fondamentali tra le soluzioni con supporto meccanico su granito e quelle IGM.
| Descrizione | Sistema Stage-on-Granite, 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 | |||
| 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 proteggono dai detriti che penetrano nell'asse. | L'IGM è solitamente un modello aperto. La sigillatura richiede l'aggiunta di un soffietto o di un elemento simile. | |||
| Facilità di manutenzione | I componenti possono essere rimossi e facilmente riparati o sostituiti. | Le asce sono intrinsecamente integrate nella struttura in granito, rendendone più difficile la manutenzione. | |||
Confronto economico
Sebbene il costo assoluto di qualsiasi sistema di movimento vari 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 di sistemi di movimento IGM e stage-on-granite analoghi condotti in questo studio suggeriscono che le soluzioni IGM sono in grado di offrire un movimento di precisione da media ad alta a costi moderatamente inferiori rispetto alle loro controparti stage-on-granite.
Il nostro studio economico si compone di tre componenti di costo fondamentali: parti della macchina (incluse sia le parti prodotte che quelle acquistate), assemblaggio del granito, manodopera e spese generali.
Parti di macchine
Una soluzione IGM offre notevoli risparmi rispetto a una soluzione con piattaforma su granito in termini di componenti meccanici. Ciò è dovuto principalmente all'assenza di basi di piattaforma lavorate in modo complesso sugli assi Y e X, che aggiungono complessità e costi alle soluzioni con piattaforma su granito. Inoltre, il risparmio sui costi può essere attribuito alla relativa semplificazione di altre parti lavorate nella soluzione IGM, come i carrelli mobili, che possono avere caratteristiche più semplici e tolleranze leggermente più flessibili quando progettati per l'uso in un sistema IGM.
Assemblaggi di granito
Sebbene i gruppi base-rialzo-ponte in granito nei sistemi IGM e stage-on-granite sembrino avere un fattore di forma e un aspetto simili, il gruppo in granito IGM è leggermente più costoso. Questo perché il granito nella soluzione IGM sostituisce le basi dei palcoscenici lavorate a macchina nella soluzione stage-on-granite, che richiede al granito tolleranze generalmente più strette nelle zone critiche e persino caratteristiche aggiuntive, come tagli estrusi e/o inserti filettati in acciaio, 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 nell'assemblaggio e nei test dei sistemi IGM e stage-on-granite, non vi è una differenza significativa nei costi di manodopera e generali.
Una volta combinati tutti questi fattori di costo, la soluzione IGM specifica con cuscinetto meccanico esaminata in questo studio risulta circa il 15% meno costosa della soluzione con cuscinetto meccanico su granito.
Naturalmente, i risultati dell'analisi economica dipendono non solo da attributi quali lunghezza del percorso, precisione e 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'approvvigionamento di una struttura in granito. Particolarmente utile per sistemi in granito di grandi dimensioni, sebbene valido per tutte le dimensioni, la scelta di un fornitore di granito qualificato e più vicino al luogo di assemblaggio finale del sistema può contribuire a ridurre al minimo i costi.
Va inoltre notato che questa analisi non considera i costi post-implementazione. Ad esempio, supponiamo che sia necessario effettuare la manutenzione del sistema di movimento riparando o sostituendo un asse di movimento. Un sistema a piattaforma su granito può essere sottoposto a manutenzione semplicemente rimuovendo e riparando/sostituendo l'asse interessato. Grazie al design più modulare, questo può essere fatto con relativa facilità e rapidità, nonostante il costo iniziale del sistema più elevato. Sebbene i sistemi IGM possano generalmente essere ottenuti a un costo inferiore rispetto alle loro controparti a piattaforma su granito, possono essere più difficili da smontare e manutenere a causa della natura integrata della costruzione.
Conclusione
Chiaramente, ogni tipologia di piattaforma di movimento – stage-on-granite e IGM – può offrire vantaggi distinti. Tuttavia, non è sempre ovvio quale sia la scelta ideale per una specifica applicazione di movimento. Pertanto, è estremamente vantaggioso collaborare con un fornitore esperto di sistemi di movimento e automazione, come Aerotech, che offre un approccio consulenziale specificamente focalizzato sull'applicazione per esplorare e fornire preziose informazioni su soluzioni alternative per applicazioni di controllo del movimento e automazione complesse. 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 del successo nella scelta di un sistema di movimento che tenga conto sia degli obiettivi tecnici che di quelli finanziari del progetto.
Da AEROTECH.
Data di pubblicazione: 31-12-2021