Perbedaan Antara Sistem Gerak Panggung di Atas Granit dan Sistem Gerak Granit Terintegrasi

Pemilihan platform gerak linier berbahan dasar granit yang paling sesuai untuk aplikasi tertentu bergantung pada sejumlah faktor dan variabel. Sangat 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 melibatkan pemasangan tahap pemosisian terpisah pada struktur granit. Solusi umum lainnya mengintegrasikan komponen yang membentuk sumbu gerak langsung ke dalam granit itu sendiri. Memilih antara platform tahap-di-atas-granit dan platform gerak granit terintegrasi (IGM) adalah salah satu keputusan awal yang harus dibuat dalam proses seleksi. Terdapat perbedaan yang jelas antara kedua jenis solusi tersebut, dan tentu saja masing-masing memiliki kelebihan — dan kekurangan — yang perlu dipahami dan dipertimbangkan dengan cermat.

Untuk memberikan wawasan yang lebih baik tentang proses pengambilan keputusan ini, kami mengevaluasi perbedaan antara dua desain platform gerak linier fundamental — solusi panggung di atas 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 panggung di atas granit tradisional, kami membuat dua desain kasus uji:

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

Dalam kedua kasus tersebut, setiap 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 digambarkan secara piktografis.

Untuk desain stage di atas granit, kami memilih stage bodi lebar PRO560LM untuk sumbu Y karena kapasitas daya dukungnya yang lebih besar, yang umum digunakan pada banyak aplikasi gerak yang menggunakan pengaturan "jembatan terpisah Y/XZ" ini. Untuk sumbu X, kami memilih PRO280LM, yang umum digunakan sebagai sumbu jembatan dalam banyak aplikasi. PRO280LM menawarkan keseimbangan praktis antara ukurannya dan kemampuannya untuk menopang sumbu Z dengan beban yang ditentukan pelanggan.

Untuk desain IGM, kami mereplikasi secara cermat konsep desain dan tata letak dasar dari sumbu-sumbu di atas, dengan perbedaan utama yaitu sumbu IGM dibangun langsung ke dalam struktur granit, dan oleh karena itu tidak memiliki basis komponen yang dikerjakan dengan mesin seperti yang ada pada desain panggung di atas granit.

Kesamaan pada kedua desain tersebut adalah sumbu Z, yang dipilih berupa stage penggerak sekrup bola PRO190SL. Ini adalah sumbu yang sangat populer untuk digunakan dalam orientasi vertikal pada jembatan karena kapasitas muatannya yang besar dan bentuknya yang relatif kompak.

Gambar 2 mengilustrasikan sistem stage-on-granite dan IGM spesifik yang dipelajari.

Perbandingan Teknis

Sistem IGM dirancang menggunakan berbagai teknik dan komponen yang serupa dengan yang ditemukan pada desain panggung-di-atas-granit tradisional. Akibatnya, terdapat banyak sifat teknis yang sama antara sistem IGM dan sistem panggung-di-atas-granit. Sebaliknya, mengintegrasikan sumbu gerak langsung ke dalam struktur granit menawarkan beberapa karakteristik pembeda yang membedakan sistem IGM dari sistem panggung-di-atas-granit.

Faktor Bentuk

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

Konstruksi

Desain IGM tidak memiliki basis sumbu komponen yang dikerjakan dengan mesin, sehingga memberikan beberapa keuntungan dibandingkan solusi stage-on-granite. 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 33% lebih rendah (80 mm dibandingkan 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 mengurangi kesalahan Abbe dan meningkatkan kinerja pemosisian titik kerja.

Komponen Sumbu

Jika diteliti lebih dalam, solusi stage-on-granite dan IGM memiliki beberapa komponen kunci yang sama, seperti motor linier dan encoder posisi. Pemilihan forcer dan jalur magnet yang sama menghasilkan kemampuan keluaran gaya yang setara. Demikian pula, penggunaan encoder yang sama pada kedua desain memberikan resolusi halus yang identik untuk umpan balik posisi. Akibatnya, akurasi linier dan kinerja pengulangan tidak berbeda secara signifikan antara solusi stage-on-granite dan IGM. Tata letak komponen yang serupa, termasuk pemisahan dan toleransi bantalan, menghasilkan kinerja yang sebanding dalam hal gerakan kesalahan geometris (yaitu, kelurusan horizontal dan vertikal, pitch, roll, dan yaw). Terakhir, elemen pendukung kedua desain, termasuk manajemen kabel, batas listrik, dan hardstop, pada dasarnya identik fungsinya, meskipun mungkin sedikit berbeda dalam penampilan fisik.

Bantalan

Untuk desain khusus ini, salah satu perbedaan yang paling mencolok adalah pemilihan bantalan pemandu linier. Meskipun bantalan bola resirkulasi digunakan baik pada sistem stage-on-granite maupun IGM, sistem IGM memungkinkan untuk memasukkan bantalan yang lebih besar dan lebih kaku ke dalam desain tanpa meningkatkan ketinggian kerja sumbu. Karena desain IGM mengandalkan granit sebagai dasarnya, bukan alas komponen mesin terpisah, dimungkinkan untuk menghemat sebagian ruang vertikal yang seharusnya digunakan oleh alas mesin, dan pada dasarnya mengisi ruang ini dengan bantalan yang lebih besar sambil tetap mengurangi ketinggian kereta secara keseluruhan di atas granit.

Kekakuan

Penggunaan bantalan yang lebih besar pada desain IGM memiliki dampak yang signifikan pada kekakuan sudut. Dalam kasus sumbu bawah (Y) berbadan lebar, solusi IGM menawarkan kekakuan guling lebih dari 40% lebih besar, kekakuan angguk 30% lebih besar, dan kekakuan putar 20% lebih besar dibandingkan dengan desain alas di atas granit yang sesuai. Demikian pula, jembatan IGM menawarkan peningkatan kekakuan guling empat kali lipat, kekakuan angguk dua kali lipat, dan kekakuan putar lebih dari 30% lebih besar daripada desain alas di atas granit yang setara. Kekakuan sudut yang lebih tinggi menguntungkan karena secara langsung berkontribusi pada peningkatan kinerja dinamis, yang merupakan kunci untuk memungkinkan peningkatan kapasitas produksi mesin.

Kapasitas Muat

Bantalan yang lebih besar pada solusi IGM memungkinkan kapasitas muatan yang jauh lebih tinggi daripada solusi stage-on-granite. Meskipun poros dasar PRO560LM pada solusi stage-on-granite memiliki kapasitas beban 150 kg, solusi IGM yang sesuai dapat menampung muatan 300 kg. Demikian pula, poros jembatan PRO280LM pada stage-on-granite menopang 150 kg, sedangkan poros jembatan pada solusi IGM dapat membawa hingga 200 kg.

Massa Bergerak

Meskipun bantalan yang lebih besar pada sumbu IGM bantalan mekanis menawarkan atribut kinerja sudut yang lebih baik dan kapasitas daya angkut 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-fitur yang dikerjakan dengan mesin tertentu yang diperlukan untuk sumbu stage-on-granite (tetapi tidak diperlukan oleh sumbu IGM) dihilangkan untuk meningkatkan kekakuan bagian dan menyederhanakan proses manufaktur. Faktor-faktor ini berarti bahwa sumbu IGM memiliki massa bergerak yang lebih besar daripada sumbu stage-on-granite yang sesuai. Kerugian 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 inersia yang lebih besar dapat memberikan resistensi yang lebih besar terhadap gangguan, yang dapat berkorelasi dengan peningkatan stabilitas posisi.

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 dari kereta yang bergerak karena pengaruhnya terhadap bandwidth 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 platform tradisional berbasis granit, sebagian dapat dikaitkan dengan desain kereta dan bantalan yang lebih kaku. Resonansi kereta yang lebih tinggi memungkinkan bandwidth servo yang lebih besar dan karenanya meningkatkan kinerja dinamis.

Lingkungan Operasi

Kekedapan sumbu hampir selalu wajib ketika terdapat 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 rapat. Stage linier seri PRO, misalnya, dilengkapi dengan penutup keras dan segel samping yang melindungi komponen internal stage dari kontaminasi hingga tingkat yang wajar. Stage ini juga dapat dikonfigurasi dengan wiper meja opsional untuk menyapu kotoran dari penutup keras atas saat stage bergerak. Di sisi lain, platform gerak IGM pada dasarnya terbuka, dengan bantalan, motor, dan encoder yang terbuka. Meskipun bukan masalah di lingkungan yang lebih bersih, ini dapat menjadi masalah ketika terdapat kontaminasi. Masalah ini dapat diatasi dengan memasukkan penutup jalur khusus bergaya bellow ke dalam desain sumbu IGM untuk memberikan perlindungan dari kotoran. Tetapi jika tidak diimplementasikan dengan benar, bellow dapat memengaruhi gerakan sumbu secara negatif dengan memberikan gaya eksternal pada kereta saat bergerak melalui seluruh rentang perjalanannya.

Pemeliharaan

Kemudahan perawatan merupakan pembeda antara platform gerak stage-on-granite dan IGM. Sumbu motor linier terkenal akan kekokohannya, tetapi terkadang perawatan tetap diperlukan. Operasi perawatan tertentu relatif sederhana dan dapat dilakukan tanpa melepas atau membongkar sumbu yang bersangkutan, tetapi terkadang pembongkaran yang lebih menyeluruh diperlukan. Ketika platform gerak terdiri dari stage-stage terpisah yang dipasang di atas granit, perawatan merupakan tugas yang cukup mudah. ​​Pertama, lepaskan stage dari granit, kemudian lakukan pekerjaan perawatan yang diperlukan dan pasang kembali. Atau, cukup ganti dengan stage baru.

Solusi IGM terkadang lebih menantang saat melakukan perawatan. Meskipun mengganti satu jalur magnet motor linier sangat sederhana dalam kasus ini, perawatan dan perbaikan yang lebih rumit seringkali melibatkan pembongkaran total banyak atau semua komponen yang membentuk sumbu, yang lebih memakan waktu ketika komponen dipasang langsung ke granit. Selain itu, lebih sulit untuk menyelaraskan kembali sumbu berbasis granit satu sama lain setelah melakukan perawatan — tugas yang jauh lebih mudah dengan tahapan diskrit.

Tabel 1. Ringkasan perbedaan teknis mendasar antara solusi stage-on-granite dengan bantalan mekanis dan solusi IGM.

Perbandingan Ekonomi

Meskipun biaya absolut dari setiap sistem gerak akan bervariasi berdasarkan beberapa faktor termasuk panjang pergerakan, presisi sumbu, kapasitas beban, dan kemampuan dinamis, perbandingan relatif dari sistem gerak IGM dan stage-on-granite yang serupa yang dilakukan dalam studi ini menunjukkan bahwa solusi IGM mampu menawarkan gerakan dengan presisi menengah hingga tinggi dengan biaya yang sedikit lebih rendah daripada sistem stage-on-granite.

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 alas stage yang dikerjakan dengan mesin 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 penggerak, yang dapat memiliki fitur yang lebih sederhana dan toleransi yang agak lebih longgar ketika dirancang untuk digunakan dalam sistem IGM.

Rakitan Granit

Meskipun rakitan dasar-penyangga-jembatan granit pada sistem IGM dan stage-on-granite tampak memiliki faktor bentuk dan penampilan yang serupa, rakitan granit IGM sedikit lebih mahal. Hal ini karena granit dalam solusi IGM menggantikan dasar panggung yang dikerjakan dengan mesin 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 dari struktur granit lebih dari diimbangi oleh penyederhanaan pada bagian-bagian mesin.

Tenaga Kerja dan Biaya Overhead

Karena banyaknya kesamaan dalam perakitan dan pengujian baik sistem IGM maupun sistem stage-on-granite, tidak ada perbedaan signifikan dalam biaya tenaga kerja dan biaya overhead.

Setelah semua faktor biaya ini digabungkan, solusi IGM bantalan mekanis spesifik yang diteliti dalam studi ini sekitar 15% lebih murah daripada solusi bantalan mekanis berbasis alas granit.

Tentu saja, hasil analisis ekonomi tidak hanya bergantung pada atribut seperti panjang lintasan, presisi, dan kapasitas beban, tetapi juga pada faktor-faktor seperti pemilihan pemasok granit. Selain itu, bijaksana untuk mempertimbangkan biaya pengiriman dan logistik yang terkait dengan pengadaan struktur granit. Terutama untuk sistem granit yang sangat besar, meskipun berlaku untuk semua ukuran, memilih pemasok granit yang berkualitas dan berlokasi lebih dekat dengan lokasi perakitan sistem akhir dapat membantu meminimalkan biaya.

Perlu juga dicatat bahwa analisis ini tidak mempertimbangkan biaya pasca-implementasi. Misalnya, anggaplah perlu dilakukan perawatan pada sistem gerak dengan memperbaiki atau mengganti poros gerak. Sistem panggung di atas granit dapat dirawat hanya dengan melepas dan memperbaiki/mengganti poros yang terpengaruh. Karena desain panggung yang lebih modular, hal ini dapat dilakukan dengan relatif mudah dan cepat, meskipun biaya sistem awal lebih tinggi. Meskipun sistem IGM umumnya dapat diperoleh dengan biaya lebih rendah daripada sistem panggung di atas granit, sistem ini dapat lebih sulit dibongkar dan dirawat karena sifat konstruksinya yang terintegrasi.

Kesimpulan

Jelas bahwa setiap jenis desain platform gerak — panggung di atas granit 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 otomatisasi 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 otomatisasi yang menantang. Memahami tidak hanya perbedaan antara kedua jenis solusi otomatisasi ini, tetapi juga aspek mendasar dari masalah yang harus mereka selesaikan, adalah kunci utama keberhasilan dalam memilih sistem gerak yang memenuhi tujuan teknis dan finansial proyek.

Dari AEROTECH.