La sélection de la plateforme de mouvement linéaire à base de granit la plus adaptée à une application donnée dépend d'une multitude de facteurs et de variables.Il est crucial de reconnaître que chaque application possède son propre ensemble d’exigences qui doivent être comprises et hiérarchisées afin de rechercher une solution efficace en termes de plateforme de mouvement.
L'une des solutions les plus répandues consiste à monter des étages de positionnement discrets sur une structure en granit.Une autre solution courante intègre les composants qui composent les axes de mouvement directement dans le granit lui-même.Le choix entre une plate-forme de scène sur granit et une plate-forme à mouvement intégré en granit (IGM) est l'une des premières décisions à prendre dans le processus de sélection.Il existe des distinctions claires entre les deux types de solutions et, bien entendu, chacune a ses propres avantages – et réserves – qui doivent être soigneusement compris et pris en compte.
Pour offrir un meilleur aperçu de ce processus de prise de décision, nous évaluons les différences entre deux conceptions fondamentales de plates-formes à mouvement linéaire — une solution traditionnelle sur scène sur granit et une solution IGM — du point de vue technique et financier sous la forme d'un portant une étude de cas.
Arrière-plan
Pour explorer les similitudes et les différences entre les systèmes IGM et les systèmes de scène sur granit traditionnels, nous avons généré deux conceptions de cas de test :
- Roulement mécanique, scène sur granit
- Roulement mécanique, IGM
Dans les deux cas, chaque système est constitué de trois axes de mouvement.L'axe Y offre 1000 mm de course et est situé sur la base de la structure en granit.L'axe X, situé sur le pont de l'ensemble avec 400 mm de course, porte l'axe Z vertical avec 100 mm de course.Cet arrangement est représenté pictographiquement.
Pour la conception de scène sur granit, nous avons sélectionné une scène à corps large PRO560LM pour l'axe Y en raison de sa plus grande capacité de charge, commune à de nombreuses applications de mouvement utilisant cet agencement « pont divisé Y/XZ ».Pour l'axe X, nous avons choisi un PRO280LM, qui est couramment utilisé comme axe pont dans de nombreuses applications.Le PRO280LM offre un équilibre pratique entre son encombrement et sa capacité à transporter un axe Z avec une charge utile client.
Pour les conceptions IGM, nous avons fidèlement reproduit les concepts de conception fondamentaux et les dispositions des axes ci-dessus, la principale différence étant que les axes IGM sont intégrés directement dans la structure en granit et ne disposent donc pas des bases de composants usinés présentes dans la scène. -dessins en granit.
L'axe Z, qui a été choisi pour être une platine à vis à billes PRO190SL, est commun dans les deux cas de conception.Il s'agit d'un axe très populaire à utiliser en orientation verticale sur un pont en raison de sa capacité de charge utile généreuse et de son facteur de forme relativement compact.
La figure 2 illustre les systèmes spécifiques d'étape sur granit et d'IGM étudiés.
Comparaison technique
Les systèmes IGM sont conçus à l'aide d'une variété de techniques et de composants similaires à ceux que l'on trouve dans les conceptions traditionnelles sur scène sur granit.En conséquence, il existe de nombreuses propriétés techniques communes entre les systèmes IGM et les systèmes sur scène sur granit.À l’inverse, l’intégration des axes de mouvement directement dans la structure du granit offre plusieurs caractéristiques distinctives qui différencient les systèmes IGM des systèmes à scène sur granit.
Facteur de forme
La similitude la plus évidente commence peut-être avec la fondation de la machine : le granit.Bien qu'il existe des différences dans les caractéristiques et les tolérances entre les conceptions de scène sur granit et IGM, les dimensions globales de la base en granit, des contremarches et du pont sont équivalentes.Cela est principalement dû au fait que les courses nominales et limites sont identiques entre l'étage sur granit et l'IGM.
Construction
L'absence de bases d'axe en composants usinés dans la conception IGM offre certains avantages par rapport aux solutions sur scène sur granit.En particulier, la réduction des composants dans la boucle structurelle de l'IGM contribue à augmenter la rigidité globale de l'axe.Cela permet également de réduire la distance entre la base en granit et la surface supérieure du chariot.Dans cette étude de cas particulière, la conception IGM offre une hauteur de surface de travail inférieure de 33 % (80 mm contre 120 mm).Non seulement cette hauteur de travail plus petite permet une conception plus compacte, mais elle réduit également les décalages de la machine entre le moteur et l'encodeur par rapport au point de travail, ce qui entraîne une réduction des erreurs d'Abbe et donc des performances de positionnement du point de travail améliorées.
Composants de l'axe
En approfondissant la conception, les solutions Stage-on-Granite et IGM partagent certains composants clés, tels que les moteurs linéaires et les codeurs de position.La sélection commune d'un forceur et d'une piste magnétique conduit à des capacités de sortie de force équivalentes.De même, l’utilisation des mêmes codeurs dans les deux conceptions offre une résolution identique pour le retour de positionnement.En conséquence, les performances de précision linéaire et de répétabilité ne sont pas significativement différentes entre les solutions platine sur granit et IGM.Une disposition similaire des composants, y compris la séparation et le tolérancement des roulements, conduit à des performances comparables en termes d'erreurs géométriques de mouvements (c'est-à-dire rectitude horizontale et verticale, tangage, roulis et lacet).Enfin, les éléments de support des deux conceptions, y compris la gestion des câbles, les limites électriques et les arrêts durs, ont une fonction fondamentalement identique, bien qu'ils puissent varier quelque peu en termes d'apparence physique.
Roulements
Pour cette conception particulière, l’une des différences les plus notables réside dans le choix des roulements de guidage linéaire.Bien que les roulements à recirculation de billes soient utilisés à la fois dans les systèmes à platine sur granit et IGM, le système IGM permet d'incorporer des roulements plus grands et plus rigides dans la conception sans augmenter la hauteur de travail de l'axe.Étant donné que la conception IGM repose sur le granit comme base, par opposition à une base séparée composée de composants usinés, il est possible de récupérer une partie de l'espace vertical qui serait autrement consommé par une base usinée, et essentiellement de remplir cet espace avec des éléments plus grands. roulements tout en réduisant la hauteur totale du chariot au-dessus du granit.
Raideur
L'utilisation de roulements plus grands dans la conception IGM a un impact profond sur la rigidité angulaire.Dans le cas de l'axe inférieur (Y) à carrosserie large, la solution IGM offre une rigidité en roulis supérieure de plus de 40 %, une rigidité en tangage supérieure de 30 % et une rigidité en lacet supérieure de 20 % par rapport à une conception à étage sur granit correspondante.De même, le pont de l'IGM offre une rigidité en roulis multipliée par quatre, une rigidité en tangage doublée et une rigidité en lacet plus de 30 % supérieure à celle de son homologue à étage sur granit.Une rigidité angulaire plus élevée est avantageuse car elle contribue directement à améliorer les performances dynamiques, ce qui est essentiel pour permettre un débit de machine plus élevé.
Capacité de chargement
Les roulements plus grands de la solution IGM permettent une capacité de charge utile nettement plus élevée qu'une solution sur scène sur granit.Bien que l'axe de base PRO560LM de la solution scène sur granit ait une capacité de charge de 150 kg, la solution IGM correspondante peut accueillir une charge utile de 300 kg.De même, l'axe de pont PRO280LM de la scène sur granite supporte 150 kg, tandis que l'axe de pont de la solution IGM peut transporter jusqu'à 200 kg.
Masse en mouvement
Bien que les roulements plus grands des axes IGM à roulements mécaniques offrent de meilleures performances angulaires et une plus grande capacité de charge, ils sont également livrés avec des camions plus gros et plus lourds.De plus, les chariots IGM sont conçus de telle sorte que certaines caractéristiques usinées nécessaires à un axe de platine sur granit (mais non requises par un axe IGM) sont supprimées pour augmenter la rigidité de la pièce et simplifier la fabrication.Ces facteurs signifient que l’axe IGM a une masse mobile plus grande qu’un axe correspondant sur scène sur granit.Un inconvénient incontestable est que l’accélération maximale de l’IGM est plus faible, en supposant que la force fournie par le moteur reste inchangée.Cependant, dans certaines situations, une masse mobile plus grande peut être avantageuse dans la mesure où sa plus grande inertie peut offrir une plus grande résistance aux perturbations, ce qui peut être corrélé à une stabilité accrue en position.
Dynamique structurelle
La rigidité des roulements plus élevée et le chariot plus rigide du système IGM offrent des avantages supplémentaires qui apparaissent après l'utilisation d'un progiciel d'analyse par éléments finis (FEA) pour effectuer une analyse modale.Dans cette étude, nous avons examiné la première résonance du chariot en mouvement en raison de son effet sur la bande passante du servo.Le chariot PRO560LM rencontre une résonance à 400 Hz, tandis que le chariot IGM correspondant subit le même mode à 430 Hz.La figure 3 illustre ce résultat.
La résonance plus élevée de la solution IGM, par rapport à la platine traditionnelle sur granit, peut être attribuée en partie à la conception plus rigide du chariot et des roulements.Une résonance du chariot plus élevée permet d'avoir une plus grande bande passante d'asservissement et donc des performances dynamiques améliorées.
Environnement d'exploitation
La scellabilité des axes est presque toujours obligatoire lorsque des contaminants sont présents, qu'ils soient générés par le processus de l'utilisateur ou qu'ils existent autrement dans l'environnement de la machine.Les solutions scéniques sur granit sont particulièrement adaptées dans ces situations en raison de la nature intrinsèquement fermée de l'axe.Les platines linéaires de la série PRO, par exemple, sont équipées de couvercles rigides et de joints latéraux qui protègent les composants internes de la platine de la contamination dans une mesure raisonnable.Ces scènes peuvent également être configurées avec des essuie-glaces de table en option pour balayer les débris de la couverture rigide supérieure pendant le déplacement de la scène.D’un autre côté, les plates-formes de mouvement IGM sont par nature ouvertes, avec les roulements, les moteurs et les encodeurs exposés.Bien que cela ne pose pas de problème dans des environnements plus propres, cela peut s’avérer problématique en cas de contamination.Il est possible de résoudre ce problème en incorporant un couvercle spécial de type soufflet dans la conception d'un axe IGM pour assurer une protection contre les débris.Mais s'il n'est pas mis en œuvre correctement, le soufflet peut influencer négativement le mouvement de l'axe en transmettant des forces externes au chariot lorsqu'il se déplace sur toute sa course.
Entretien
La facilité d’entretien est un différenciateur entre les plates-formes de mouvement sur scène sur granit et IGM.Les axes à moteur linéaire sont réputés pour leur robustesse, mais une maintenance s'avère parfois nécessaire.Certaines opérations de maintenance sont relativement simples et peuvent être réalisées sans dépose ni démontage de l'axe concerné, mais parfois un démontage plus approfondi est nécessaire.Lorsque la plate-forme de mouvement est constituée d'étages discrets montés sur du granit, l'entretien est une tâche relativement simple.Tout d'abord, démontez la scène du granit, puis effectuez les travaux d'entretien nécessaires et remontez-la.Ou remplacez-le simplement par une nouvelle étape.
Les solutions IGM peuvent parfois s'avérer plus difficiles lors de la maintenance.Bien que le remplacement d'une seule piste magnétique du moteur linéaire soit très simple dans ce cas, une maintenance et des réparations plus compliquées impliquent souvent le démontage complet de plusieurs ou de la totalité des composants composant l'axe, ce qui prend plus de temps lorsque les composants sont montés directement sur le granit.Il est également plus difficile de réaligner les axes à base de granit les uns par rapport aux autres après avoir effectué la maintenance – une tâche qui est considérablement plus simple avec des étapes discrètes.
Tableau 1. Un résumé des différences techniques fondamentales entre les solutions à platine à roulement mécanique sur granit et IGM.
| Description | Système Stage-on-Granite, roulement mécanique | Système IGM, roulement mécanique | |||
| Axe de base (Y) | Axe du pont (X) | Axe de base (Y) | Axe du pont (X) | ||
| Rigidité normalisée | Verticale | 1.0 | 1.0 | 1.2 | 1.1 |
| Latéral | 1,5 | ||||
| Pas | 1.3 | 2.0 | |||
| Rouler | 1.4 | 4.1 | |||
| Embardée | 1.2 | 1.3 | |||
| Capacité de charge utile (kg) | 150 | 150 | 300 | 200 | |
| Masse en mouvement (kg) | 25 | 14 | 33 | 19 | |
| Hauteur du plateau (mm) | 120 | 120 | 80 | 80 | |
| Scellabilité | Les joints reliés et latéraux offrent une protection contre les débris pénétrant dans l'axe. | IGM est généralement une conception ouverte.L'étanchéité nécessite l'ajout d'un couvercle à soufflet ou similaire. | |||
| Facilité d'entretien | Les étages de composants peuvent être retirés et facilement entretenus ou remplacés. | Les haches sont intrinsèquement intégrées à la structure en granit, ce qui rend l'entretien plus difficile. | |||
Comparaison économique
Bien que le coût absolu de tout système de mouvement varie en fonction de plusieurs facteurs, notamment la longueur de déplacement, la précision de l'axe, la capacité de charge et les capacités dynamiques, les comparaisons relatives des systèmes de mouvement IGM analogues et des systèmes de mouvement sur scène sur granit menées dans cette étude suggèrent que les solutions IGM sont capables d'offrir un mouvement de moyenne à haute précision à des coûts modérément inférieurs à ceux de leurs homologues sur scène sur granit.
Notre étude économique comprend trois éléments de coût fondamentaux : les pièces de machine (y compris les pièces fabriquées et les composants achetés), l'assemblage du granit, ainsi que la main-d'œuvre et les frais généraux.
Pièces de machines
Une solution IGM offre des économies notables par rapport à une solution sur scène sur granit en termes de pièces de machine.Cela est principalement dû au manque de bases de scène finement usinées sur les axes Y et X de l'IGM, ce qui ajoute de la complexité et du coût aux solutions de scène sur granit.En outre, les économies de coûts peuvent être attribuées à la simplification relative d'autres pièces usinées sur la solution IGM, telles que les chariots mobiles, qui peuvent avoir des caractéristiques plus simples et des tolérances un peu plus souples lorsqu'ils sont conçus pour être utilisés dans un système IGM.
Assemblages de granit
Bien que les assemblages base-colonne-pont en granit des systèmes IGM et scène sur granit semblent avoir un facteur de forme et une apparence similaires, l'assemblage en granit IGM est légèrement plus cher.En effet, le granit dans la solution IGM remplace les bases de scène usinées dans la solution de scène sur granit, ce qui nécessite que le granit ait des tolérances généralement plus strictes dans les régions critiques, et même des caractéristiques supplémentaires, telles que des coupes extrudées et/ou des coupes extrudées. ou des inserts filetés en acier, par exemple.Cependant, dans notre étude de cas, la complexité supplémentaire de la structure du granit est plus que compensée par la simplification des pièces de machine.
Main d'œuvre et frais généraux
En raison des nombreuses similitudes dans l'assemblage et les tests des systèmes IGM et de scène sur granit, il n'y a pas de différence significative en termes de coûts de main-d'œuvre et de frais généraux.
Une fois tous ces facteurs de coût combinés, la solution IGM à roulements mécaniques spécifique examinée dans cette étude est environ 15 % moins coûteuse que la solution à roulements mécaniques sur étage sur granit.
Bien entendu, les résultats de l’analyse économique dépendent non seulement d’attributs tels que la longueur de déplacement, la précision et la capacité de charge, mais également de facteurs tels que le choix du fournisseur de granit.De plus, il est prudent de prendre en compte les coûts d’expédition et de logistique associés à l’acquisition d’une structure en granit.Particulièrement utile pour les très grands systèmes de granit, bien que valable pour toutes les tailles, le choix d'un fournisseur de granit qualifié plus proche de l'emplacement de l'assemblage final du système peut également contribuer à minimiser les coûts.
Il convient également de noter que cette analyse ne prend pas en compte les coûts postérieurs à la mise en œuvre.Par exemple, supposons qu'il devienne nécessaire d'entretenir le système de mouvement en réparant ou en remplaçant un axe de mouvement.Un système de scène sur granit peut être entretenu en retirant et en réparant/remplaçant simplement l'axe concerné.En raison de la conception de type scène plus modulaire, cela peut être réalisé avec une relative facilité et rapidité, malgré le coût initial plus élevé du système.Bien que les systèmes IGM puissent généralement être obtenus à un coût inférieur à celui de leurs homologues sur scène en granit, ils peuvent être plus difficiles à démonter et à entretenir en raison de la nature intégrée de la construction.
Conclusion
Il est clair que chaque type de conception de plate-forme de mouvement (scène sur granit et IGM) peut offrir des avantages distincts.Cependant, il n’est pas toujours évident de savoir quel est le choix le plus idéal pour une application de mouvement particulière.Par conséquent, il est très avantageux de s'associer à un fournisseur expérimenté de systèmes de mouvement et d'automatisation, tel qu'Aerotech, qui propose une approche consultative distinctement axée sur les applications pour explorer et fournir des informations précieuses sur les solutions alternatives aux applications difficiles de contrôle de mouvement et d'automatisation.Comprendre non seulement la différence entre ces deux types de solutions d'automatisation, mais également les aspects fondamentaux des problèmes qu'elles doivent résoudre, est la clé sous-jacente du succès dans le choix d'un système de mouvement qui répond à la fois aux objectifs techniques et financiers du projet.
De AÉROTECH.
Heure de publication : 31 décembre 2021