Perbedaan Antara Sistem Gerak Tahap-pada-Granit dan Sistem Gerak Granit Terpadu

Pemilihan platform gerak linier berbasis granit yang paling sesuai untuk aplikasi tertentu bergantung pada sejumlah faktor dan variabel. Penting untuk menyadari bahwa setiap aplikasi memiliki serangkaian persyaratan uniknya sendiri yang harus dipahami dan diprioritaskan untuk mendapatkan solusi yang efektif dalam hal platform gerak.

Salah satu solusi yang paling umum adalah memasang tahapan pemosisian terpisah pada struktur granit. Solusi umum lainnya adalah mengintegrasikan komponen yang menyusun sumbu gerakan langsung ke granit itu sendiri. Memilih antara platform stage-on-granite dan integrated-granite motion (IGM) adalah salah satu keputusan awal yang harus dibuat dalam proses pemilihan. Ada perbedaan yang jelas antara kedua jenis solusi tersebut, dan tentu saja masing-masing memiliki kelebihan — dan peringatan — sendiri yang perlu dipahami dan dipertimbangkan dengan saksama.

Untuk menawarkan wawasan yang lebih baik ke dalam proses pengambilan keputusan ini, kami mengevaluasi perbedaan antara dua desain platform gerak linear fundamental — 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 menawarkan 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 panggung di atas granit, kami memilih panggung berbadan lebar PRO560LM untuk sumbu Y karena kapasitas menahan beban yang lebih besar, yang umum untuk banyak aplikasi gerak yang menggunakan pengaturan "jembatan terpisah Y/XZ" ini. Untuk sumbu X, kami memilih PRO280LM, yang umumnya digunakan sebagai sumbu jembatan dalam banyak aplikasi. PRO280LM menawarkan keseimbangan praktis antara ukurannya dan kemampuannya untuk membawa sumbu Z dengan muatan pelanggan.

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

Kesamaan dalam kedua kasus desain adalah sumbu Z, yang dipilih menjadi tahap yang digerakkan oleh sekrup bola PRO190SL. Ini adalah sumbu yang sangat populer untuk digunakan dalam orientasi vertikal pada jembatan karena kapasitas muatannya yang besar dan bentuk yang relatif ringkas.

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

Perbandingan Teknis

Sistem IGM dirancang menggunakan berbagai teknik dan komponen yang mirip dengan yang ditemukan dalam desain pelapisan pada granit tradisional. Hasilnya, terdapat banyak kesamaan sifat teknis antara sistem IGM dan sistem pelapisan pada granit. Sebaliknya, mengintegrasikan sumbu gerak langsung ke dalam struktur granit menawarkan beberapa karakteristik pembeda yang membedakan sistem IGM dari sistem pelapisan pada granit.

Faktor Bentuk

Mungkin kemiripan yang paling jelas dimulai dari fondasi mesin — granit. Meskipun ada perbedaan dalam fitur dan toleransi antara desain stage-on-granite dan IGM, dimensi keseluruhan dari dasar granit, riser, dan jembatan adalah setara. Hal ini terutama karena pergerakan nominal dan batas identik antara stage-on-granite dan IGM.

Konstruksi

Kurangnya basis sumbu komponen mesin dalam desain IGM memberikan keuntungan tertentu dibandingkan solusi bertahap pada granit. Secara khusus, pengurangan komponen dalam 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 ketinggian permukaan kerja yang 33% lebih rendah (80 mm dibandingkan dengan 120 mm). Ketinggian kerja yang lebih kecil ini tidak hanya memungkinkan desain yang lebih ringkas, tetapi juga mengurangi offset mesin dari motor dan encoder ke titik kerja, sehingga menghasilkan kesalahan Abbe yang berkurang dan dengan demikian meningkatkan kinerja pemosisian titik kerja.

Komponen Sumbu

Jika kita tinjau lebih jauh ke dalam desain, solusi stage-on-granite dan IGM memiliki beberapa komponen utama 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 baiknya untuk umpan balik posisi. Hasilnya, akurasi linear dan kinerja 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, batas listrik, dan hardstop, pada dasarnya memiliki fungsi yang identik, meskipun mungkin sedikit berbeda dalam tampilan fisik.

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 untuk memasukkan bantalan yang lebih besar dan lebih kaku ke dalam desain tanpa menambah tinggi sumbu kerja. Karena desain IGM mengandalkan granit sebagai alasnya, bukan alas komponen mesin yang terpisah, maka dimungkinkan untuk mendapatkan kembali sebagian ruang vertikal yang seharusnya digunakan oleh alas mesin, dan pada dasarnya mengisi ruang ini dengan bantalan yang lebih besar sambil tetap mengurangi tinggi keseluruhan kereta di atas granit.

Kekakuan

Penggunaan bantalan yang lebih besar dalam desain IGM berdampak besar pada kekakuan sudut. Dalam kasus sumbu bawah berbadan lebar (Y), solusi IGM menawarkan kekakuan rol lebih dari 40%, kekakuan pitch lebih dari 30%, dan kekakuan yaw lebih dari 20% daripada desain stage-on-granite yang sesuai. Demikian pula, jembatan IGM menawarkan peningkatan empat kali lipat dalam kekakuan rol, kekakuan pitch dua kali lipat, dan kekakuan yaw lebih dari 30% daripada rekan stage-on-granite-nya. 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 daripada 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 mendukung 150 kg, sedangkan sumbu jembatan solusi IGM dapat membawa hingga 200 kg.

Massa yang Bergerak

Sementara bantalan yang lebih besar pada sumbu IGM bantalan mekanis menawarkan atribut kinerja sudut yang lebih baik dan kapasitas menahan beban yang lebih besar, bantalan tersebut juga dilengkapi dengan truk yang lebih besar dan lebih berat. Selain itu, kereta IGM dirancang sedemikian rupa sehingga fitur mesin tertentu yang diperlukan untuk sumbu tahap-pada-granit (tetapi tidak diperlukan oleh sumbu IGM) dihilangkan untuk meningkatkan kekakuan bagian dan menyederhanakan pembuatan. Faktor-faktor ini berarti bahwa sumbu IGM memiliki massa bergerak yang lebih besar daripada sumbu tahap-pada-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 posisi.

Dinamika Struktural

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

Resonansi yang lebih tinggi dari solusi IGM, jika dibandingkan dengan stage-on-granite tradisional, sebagian dapat dikaitkan dengan 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

Kemampuan penyegelan sumbu hampir selalu wajib saat ada kontaminan, baik yang dihasilkan melalui proses pengguna atau yang ada di lingkungan mesin. Solusi stage-on-granite sangat cocok dalam situasi ini karena sifat sumbu yang tertutup secara inheren. Misalnya, tahap linier seri PRO dilengkapi dengan penutup keras dan segel samping yang melindungi komponen tahap internal dari kontaminasi hingga batas yang wajar. Tahap ini juga dapat dikonfigurasi dengan penghapus meja opsional untuk menyapu serpihan dari penutup keras atas saat tahap bergerak. Di sisi lain, platform gerak IGM pada dasarnya terbuka, dengan bantalan, motor, dan enkoder terbuka. Meskipun bukan masalah di lingkungan yang lebih bersih, ini dapat menjadi masalah saat ada 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 perjalanan penuhnya.

Pemeliharaan

Kemudahan servis merupakan pembeda antara platform gerak di atas granit dan platform gerak IGM. Sumbu motor linear terkenal akan kekokohannya, tetapi terkadang perlu dilakukan perawatan. Operasi perawatan tertentu relatif sederhana dan dapat diselesaikan tanpa melepas atau membongkar sumbu yang dimaksud, tetapi terkadang diperlukan pembongkaran yang lebih menyeluruh. Jika platform gerak terdiri dari beberapa tahap terpisah yang dipasang di atas granit, perawatan merupakan tugas yang cukup mudah. ​​Pertama, bongkar tahap dari granit, lalu lakukan pekerjaan perawatan yang diperlukan dan pasang kembali. Atau, cukup ganti dengan tahap baru.

Solusi IGM terkadang 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 menyeluruh banyak atau semua komponen yang menyusun sumbu, yang lebih memakan waktu saat komponen dipasang langsung ke granit. Juga lebih sulit untuk menyelaraskan kembali sumbu berbasis granit satu sama lain setelah melakukan perawatan — tugas yang jauh lebih mudah dengan tahapan yang 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 jarak tempuh, presisi sumbu, kapasitas beban dan kemampuan dinamis, perbandingan relatif antara sistem gerak IGM analog dan sistem gerak panggung-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 panggung-pada-granit.

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

Bagian Mesin

Solusi IGM menawarkan penghematan yang signifikan dibandingkan solusi stage-on-granite dalam hal komponen mesin. Hal ini terutama disebabkan oleh kurangnya basis stage yang dikerjakan secara rumit pada sumbu Y dan X, yang menambah kompleksitas dan biaya pada solusi stage-on-granite. Lebih jauh, 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 saat dirancang untuk digunakan dalam sistem IGM.

Perakitan Granit

Meskipun rakitan dasar granit-riser-jembatan di kedua sistem IGM dan sistem stage-on-granite tampak memiliki bentuk dan tampilan yang serupa, rakitan granit IGM sedikit lebih mahal. Hal ini karena granit dalam solusi IGM menggantikan dasar panggung yang dikerjakan dengan mesin dalam solusi stage-on-granite, yang mengharuskan granit memiliki toleransi yang 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 dari 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-pada-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 tahap-pada-granit.

Tentu saja, hasil analisis ekonomi tidak hanya bergantung pada atribut seperti jarak tempuh, presisi, dan kapasitas muatan, tetapi juga pada faktor-faktor seperti pemilihan pemasok granit. Selain itu, penting untuk mempertimbangkan biaya pengiriman dan logistik yang terkait dengan pengadaan struktur granit. Terutama berguna untuk sistem granit yang sangat besar, meskipun berlaku untuk semua ukuran, memilih pemasok granit yang berkualifikasi di dekat lokasi perakitan sistem akhir dapat membantu meminimalkan biaya juga.

Perlu dicatat juga bahwa analisis ini tidak mempertimbangkan biaya pasca-implementasi. Misalnya, anggaplah perlu untuk memperbaiki sistem gerak dengan memperbaiki atau mengganti sumbu gerak. Sistem stage-on-granite dapat diperbaiki hanya dengan melepas dan memperbaiki/mengganti sumbu yang terpengaruh. Karena desain stage-style yang lebih modular, hal ini dapat dilakukan dengan relatif mudah dan cepat, meskipun biaya awal sistem lebih tinggi. Meskipun sistem IGM secara umum dapat diperoleh dengan biaya lebih rendah daripada sistem stage-on-granite, sistem ini dapat lebih sulit dibongkar dan diperbaiki 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 mana yang merupakan pilihan 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 untuk aplikasi kontrol gerak dan otomasi yang menantang. Memahami tidak hanya perbedaan antara kedua jenis solusi otomasi ini, tetapi juga aspek mendasar dari masalah yang harus dipecahkan, adalah kunci mendasar untuk sukses dalam memilih sistem gerak yang membahas tujuan teknis dan finansial proyek.

Dari AEROTECH.