Perbedaan Antara Sistem Gerak Stage-on-Granite dan Sistem Gerak Granit Terintegrasi

Pemilihan platform gerak linier berbasis granit yang paling sesuai untuk aplikasi tertentu bergantung pada berbagai faktor dan variabel. Penting untuk dipahami bahwa setiap aplikasi memiliki serangkaian persyaratan uniknya sendiri yang harus dipahami dan diprioritaskan agar dapat menemukan solusi platform gerak yang efektif.

Salah satu solusi yang paling umum adalah memasang tahapan pemosisian diskret pada struktur granit. Solusi umum lainnya adalah mengintegrasikan komponen-komponen yang membentuk sumbu gerak langsung ke dalam granit itu sendiri. Memilih antara platform stage-on-granite dan platform gerak granit terintegrasi (IGM) merupakan salah satu keputusan awal yang harus diambil dalam proses seleksi. Terdapat perbedaan yang jelas antara kedua jenis solusi ini, dan tentu saja masing-masing memiliki kelebihan — dan kekurangan — yang perlu dipahami dan dipertimbangkan secara saksama.

Untuk menawarkan wawasan yang lebih baik ke dalam proses pengambilan keputusan ini, kami mengevaluasi perbedaan antara dua desain platform gerak linear mendasar — solusi panggung-di-granit tradisional, dan solusi IGM — dari perspektif teknis dan finansial dalam bentuk studi kasus bantalan mekanis.

Latar belakang

Untuk mengeksplorasi persamaan dan perbedaan antara sistem IGM dan sistem stage-on-granite tradisional, kami membuat dua desain kasus uji:

• Bantalan mekanis, panggung di atas granit
• Bantalan mekanis, IGM

Dalam kedua kasus, masing-masing sistem terdiri dari tiga sumbu gerak. Sumbu Y memiliki jarak tempuh 1000 mm dan terletak di dasar struktur granit. Sumbu X, yang terletak di jembatan rakitan dengan jarak tempuh 400 mm, membawa sumbu Z vertikal dengan jarak tempuh 100 mm. Susunan ini direpresentasikan secara piktografis.

Untuk desain stage-on-granit, kami memilih stage berbadan lebar PRO560LM untuk sumbu Y karena kapasitas dukung bebannya yang lebih besar, yang umum digunakan untuk banyak aplikasi gerak yang menggunakan susunan "jembatan terpisah Y/XZ" ini. Untuk sumbu X, kami memilih PRO280LM, yang umum digunakan sebagai sumbu jembatan di banyak aplikasi. PRO280LM menawarkan keseimbangan praktis antara ukurannya dan kemampuannya untuk membawa sumbu Z dengan muatan pelanggan.

Untuk desain IGM, kami meniru konsep desain fundamental dan tata letak sumbu di atas secara dekat, dengan perbedaan utama adalah bahwa sumbu IGM dibangun langsung ke dalam struktur granit, dan karenanya tidak memiliki alas komponen mesin yang ada dalam desain bertahap pada granit.

Kesamaan dalam kedua kasus desain ini adalah sumbu Z, yang dipilih sebagai tahap penggerak sekrup bola PRO190SL. Sumbu ini sangat populer untuk digunakan dalam orientasi vertikal pada jembatan karena kapasitas muatannya yang besar dan faktor bentuknya yang relatif ringkas.

Gambar 2 mengilustrasikan sistem tahapan-pada-granit dan IGM spesifik yang dipelajari.

Perbandingan Teknis

Sistem IGM dirancang menggunakan beragam teknik dan komponen yang serupa dengan desain stage-on-granit tradisional. Oleh karena itu, terdapat banyak kesamaan sifat teknis antara sistem IGM dan sistem stage-on-granit. Di sisi lain, integrasi sumbu gerak langsung ke dalam struktur granit menawarkan beberapa karakteristik pembeda yang membedakan sistem IGM dari sistem stage-on-granit.

Faktor Bentuk

Mungkin kemiripan yang paling jelas dimulai dari fondasi mesin — granit. Meskipun terdapat perbedaan fitur dan toleransi antara desain stage-on-granite dan IGM, dimensi keseluruhan alas granit, riser, dan jembatannya setara. Hal ini terutama karena jarak tempuh nominal dan batasnya identik antara stage-on-granite dan IGM.

Konstruksi

Kurangnya basis sumbu komponen mesin dalam desain IGM memberikan beberapa keunggulan dibandingkan solusi bertahap pada granit. Khususnya, pengurangan komponen pada loop struktural IGM membantu meningkatkan kekakuan sumbu secara keseluruhan. Hal ini juga memungkinkan jarak yang lebih pendek antara basis granit dan permukaan atas kereta. Dalam studi kasus khusus ini, desain IGM menawarkan tinggi permukaan kerja 33% lebih rendah (80 mm dibandingkan dengan 120 mm). Tinggi kerja yang lebih rendah ini tidak hanya memungkinkan desain yang lebih ringkas, tetapi juga mengurangi offset mesin dari motor dan enkoder ke titik kerja, sehingga mengurangi kesalahan Abbe dan dengan demikian meningkatkan kinerja pemosisian titik kerja.

Komponen Sumbu

Jika ditelusuri lebih lanjut, solusi stage-on-granite dan IGM memiliki beberapa komponen kunci yang sama, seperti motor linear dan enkoder posisi. Pemilihan forcer dan magnet track yang sama menghasilkan kemampuan keluaran gaya yang setara. Demikian pula, penggunaan enkoder yang sama pada kedua desain menghasilkan resolusi yang sama presisinya untuk umpan balik posisi. Hasilnya, kinerja akurasi linear dan pengulangan tidak berbeda secara signifikan antara solusi stage-on-granite dan IGM. Tata letak komponen yang serupa, termasuk pemisahan dan toleransi bearing, menghasilkan kinerja yang sebanding dalam hal gerakan kesalahan geometrik (yaitu, kelurusan horizontal dan vertikal, pitch, roll, dan yaw). Terakhir, elemen pendukung kedua desain, termasuk manajemen kabel, pembatas listrik, dan hardstop, pada dasarnya memiliki fungsi yang identik, meskipun tampilan fisiknya mungkin sedikit berbeda.

Bantalan

Untuk desain khusus ini, salah satu perbedaan yang paling mencolok adalah pemilihan bantalan pemandu linier. Meskipun bantalan bola resirkulasi digunakan dalam sistem stage-on-granite dan IGM, sistem IGM memungkinkan penambahan bantalan yang lebih besar dan lebih kaku ke dalam desain tanpa menambah tinggi kerja sumbu. Karena desain IGM mengandalkan granit sebagai alasnya, alih-alih alas komponen mesin yang terpisah, dimungkinkan untuk memanfaatkan kembali sebagian ruang vertikal yang seharusnya terpakai oleh alas mesin, dan pada dasarnya mengisi ruang ini dengan bantalan yang lebih besar sekaligus mengurangi tinggi keseluruhan kereta di atas granit.

Kekakuan

Penggunaan bantalan yang lebih besar pada desain IGM memiliki dampak yang signifikan terhadap kekakuan sudut. Pada sumbu bawah bodi lebar (Y), solusi IGM menawarkan kekakuan rol 40% lebih besar, kekakuan pitch 30% lebih besar, dan kekakuan yaw 20% lebih besar dibandingkan desain stage-on-granite yang sesuai. Demikian pula, jembatan IGM menawarkan peningkatan kekakuan rol empat kali lipat, kekakuan pitch dua kali lipat, dan kekakuan yaw lebih dari 30% lebih besar dibandingkan dengan desain stage-on-granite. Kekakuan sudut yang lebih tinggi menguntungkan karena secara langsung berkontribusi pada peningkatan kinerja dinamis, yang merupakan kunci untuk memungkinkan throughput mesin yang lebih tinggi.

Kapasitas Beban

Bantalan solusi IGM yang lebih besar memungkinkan kapasitas muatan yang jauh lebih tinggi dibandingkan solusi stage-on-granite. Meskipun sumbu dasar PRO560LM dari solusi stage-on-granite memiliki kapasitas beban 150 kg, solusi IGM yang sesuai dapat menampung muatan 300 kg. Demikian pula, sumbu jembatan PRO280LM dari stage-on-granite mampu menahan beban 150 kg, sementara sumbu jembatan solusi IGM dapat menahan beban hingga 200 kg.

Massa yang Bergerak

Meskipun bantalan yang lebih besar pada sumbu IGM bantalan mekanis menawarkan atribut kinerja sudut yang lebih baik dan kapasitas menahan beban yang lebih besar, bantalan ini juga dilengkapi dengan truk yang lebih besar dan lebih berat. Selain itu, kereta IGM dirancang sedemikian rupa sehingga fitur-fitur mesin tertentu yang diperlukan untuk sumbu stage-on-granit (tetapi tidak diperlukan oleh sumbu IGM) dihilangkan untuk meningkatkan kekakuan komponen dan menyederhanakan manufaktur. Faktor-faktor ini berarti bahwa sumbu IGM memiliki massa bergerak yang lebih besar daripada sumbu stage-on-granit yang sesuai. Kelemahan yang tak terbantahkan adalah bahwa akselerasi maksimum IGM lebih rendah, dengan asumsi bahwa keluaran gaya motor tidak berubah. Namun, dalam situasi tertentu, massa bergerak yang lebih besar mungkin menguntungkan dari perspektif bahwa inersianya yang lebih besar dapat memberikan ketahanan yang lebih besar terhadap gangguan, yang dapat berkorelasi dengan peningkatan stabilitas pada posisinya.

Dinamika Struktural

Kekakuan bantalan yang lebih tinggi dan kereta yang lebih kaku pada sistem IGM memberikan manfaat tambahan yang terlihat setelah menggunakan paket perangkat lunak analisis elemen hingga (FEA) untuk melakukan analisis modal. Dalam studi ini, kami memeriksa resonansi pertama kereta yang bergerak karena pengaruhnya terhadap bandwidth servo. Kereta PRO560LM mengalami resonansi pada 400 Hz, sementara kereta IGM yang sesuai mengalami mode yang sama pada 430 Hz. Gambar 3 mengilustrasikan hasil ini.

Resonansi yang lebih tinggi pada solusi IGM, dibandingkan dengan stage-on-granite tradisional, sebagian disebabkan oleh desain carriage dan bearing yang lebih kaku. Resonansi carriage yang lebih tinggi memungkinkan bandwidth servo yang lebih besar dan dengan demikian meningkatkan kinerja dinamis.

Lingkungan Operasional

Ketahanan segel sumbu hampir selalu wajib ketika terdapat kontaminan, baik yang dihasilkan melalui proses pengguna maupun yang ada di lingkungan mesin. Solusi stage-on-granite sangat cocok dalam situasi ini karena sifat sumbu yang tertutup secara inheren. Tahap linier seri PRO, misalnya, dilengkapi dengan penutup keras dan segel samping yang melindungi komponen internal tahap dari kontaminasi hingga batas yang wajar. Tahap ini juga dapat dikonfigurasi dengan wiper meja opsional untuk menyapu serpihan dari penutup keras atas saat tahap bergerak. Di sisi lain, platform gerak IGM pada dasarnya bersifat terbuka, dengan bantalan, motor, dan enkoder terbuka. Meskipun bukan masalah di lingkungan yang lebih bersih, hal ini dapat menjadi masalah ketika terdapat kontaminasi. Masalah ini dapat diatasi dengan menggabungkan penutup jalan bergaya bellow khusus ke dalam desain sumbu IGM untuk memberikan perlindungan dari serpihan. Namun, jika tidak diterapkan dengan benar, bellow dapat memengaruhi gerakan sumbu secara negatif dengan memberikan gaya eksternal pada kereta saat bergerak melalui rentang gerak penuhnya.

Pemeliharaan

Kemudahan servis merupakan pembeda antara platform gerak stage-on-granit dan IGM. Sumbu motor linear terkenal akan kekokohannya, tetapi terkadang perawatan memang diperlukan. Beberapa operasi perawatan relatif sederhana dan dapat dilakukan tanpa melepas atau membongkar sumbu yang dimaksud, tetapi terkadang diperlukan pembongkaran yang lebih menyeluruh. Ketika platform gerak terdiri dari beberapa stage terpisah yang terpasang di atas granit, perawatan merupakan tugas yang cukup mudah. Pertama, lepaskan stage dari granit, lalu lakukan perawatan yang diperlukan dan pasang kembali. Atau, cukup ganti dengan stage baru.

Solusi IGM terkadang bisa lebih menantang saat melakukan perawatan. Meskipun mengganti satu jalur magnet motor linier sangat mudah dalam kasus ini, perawatan dan perbaikan yang lebih rumit sering kali melibatkan pembongkaran sebagian besar atau seluruh komponen penyusun sumbu, yang lebih memakan waktu ketika komponen dipasang langsung ke granit. Menyelaraskan kembali sumbu berbasis granit setelah perawatan juga lebih sulit — tugas yang jauh lebih mudah dengan tahapan-tahapan terpisah.

Tabel 1. Ringkasan perbedaan teknis mendasar antara solusi tahap-pada-granit dengan bantalan mekanis dan solusi IGM.

Perbandingan Ekonomi

Sementara biaya absolut dari setiap sistem gerak akan bervariasi berdasarkan pada beberapa faktor termasuk panjang perjalanan, presisi sumbu, kapasitas beban dan kemampuan dinamis, perbandingan relatif antara sistem gerak analog IGM dan sistem gerak tahap-pada-granit yang dilakukan dalam studi ini menunjukkan bahwa solusi IGM mampu menawarkan gerak dengan presisi sedang hingga tinggi dengan biaya yang cukup rendah daripada sistem gerak tahap-pada-granit.

Studi ekonomi kami terdiri dari tiga komponen biaya mendasar: suku cadang mesin (termasuk suku cadang yang diproduksi dan komponen yang dibeli), perakitan granit, serta tenaga kerja dan biaya overhead.

Suku Cadang Mesin

Solusi IGM menawarkan penghematan yang signifikan dibandingkan solusi stage-on-granite dalam hal komponen mesin. Hal ini terutama disebabkan oleh kurangnya stage base yang dikerjakan secara rumit pada sumbu Y dan X pada IGM, yang menambah kompleksitas dan biaya pada solusi stage-on-granite. Lebih lanjut, penghematan biaya dapat dikaitkan dengan penyederhanaan relatif komponen mesin lainnya pada solusi IGM, seperti kereta bergerak, yang dapat memiliki fitur yang lebih sederhana dan toleransi yang agak lebih longgar ketika dirancang untuk digunakan dalam sistem IGM.

Perakitan Granit

Meskipun rakitan dasar granit, riser, dan jembatan pada sistem IGM dan stage-on-granite tampak memiliki faktor bentuk dan tampilan yang serupa, rakitan granit IGM sedikit lebih mahal. Hal ini karena granit pada solusi IGM menggantikan dasar stage yang telah dimesin pada solusi stage-on-granite, yang mengharuskan granit memiliki toleransi yang umumnya lebih ketat di area kritis, dan bahkan fitur tambahan, seperti potongan ekstrusi dan/atau sisipan baja berulir, misalnya. Namun, dalam studi kasus kami, kompleksitas tambahan pada struktur granit lebih dari sekadar diimbangi oleh penyederhanaan pada komponen mesin.

Tenaga Kerja dan Biaya Overhead

Karena banyaknya kesamaan dalam perakitan dan pengujian sistem IGM dan sistem panggung-di-granit, tidak ada perbedaan signifikan dalam biaya tenaga kerja dan biaya overhead.

Setelah semua faktor biaya ini digabungkan, solusi IGM bantalan mekanis spesifik yang diperiksa dalam studi ini kira-kira 15% lebih murah daripada solusi bantalan mekanis, bertahap pada granit.

Tentu saja, hasil analisis ekonomi tidak hanya bergantung pada atribut seperti jarak tempuh, presisi, dan kapasitas beban, tetapi juga pada faktor-faktor seperti pemilihan pemasok granit. Selain itu, penting untuk mempertimbangkan biaya pengiriman dan logistik yang terkait dengan pengadaan struktur granit. Memilih pemasok granit yang berkualifikasi dan berlokasi dekat dengan lokasi perakitan sistem akhir juga sangat membantu, terutama untuk sistem granit yang sangat besar (meskipun berlaku untuk semua ukuran).

Perlu dicatat juga bahwa analisis ini tidak memperhitungkan biaya pasca-implementasi. Misalnya, misalkan sistem gerak perlu diperbaiki dengan memperbaiki atau mengganti sumbu gerak. Sistem stage-on-granite dapat diperbaiki hanya dengan melepas dan memperbaiki/mengganti sumbu yang terdampak. Karena desain stage-on-granite yang lebih modular, hal ini dapat dilakukan dengan relatif mudah dan cepat, meskipun biaya awal sistemnya lebih tinggi. Meskipun sistem IGM umumnya dapat diperoleh dengan biaya lebih rendah daripada sistem stage-on-granite, pembongkaran dan perbaikannya dapat lebih sulit karena sifat konstruksinya yang terintegrasi.

Kesimpulan

Jelas, setiap jenis desain platform gerak — stage-on-granite dan IGM — dapat menawarkan manfaat yang berbeda. Namun, tidak selalu jelas pilihan mana yang paling ideal untuk aplikasi gerak tertentu. Oleh karena itu, sangat bermanfaat untuk bermitra dengan pemasok sistem gerak dan otomasi yang berpengalaman, seperti Aerotech, yang menawarkan pendekatan konsultatif yang berfokus pada aplikasi untuk mengeksplorasi dan memberikan wawasan berharga tentang alternatif solusi bagi aplikasi kontrol gerak dan otomasi yang menantang. Memahami tidak hanya perbedaan antara kedua jenis solusi otomasi ini, tetapi juga aspek fundamental dari masalah yang harus dipecahkan, merupakan kunci keberhasilan dalam memilih sistem gerak yang memenuhi tujuan teknis dan finansial proyek.

Dari AEROTECH.