花崗岩舞台與一體成型花崗岩運動系統的區別

針對特定應用選擇最合適的花崗岩基直線運動平台取決於許多因素和變數。至關重要的是要認識到，每個應用都有其獨特的需求，必須理解並優先考慮這些需求，才能找到有效的運動平台解決方案。

較常見的解決方案是將獨立的定位平台安裝在花崗岩結構上。另一個常見的解決方案是將構成運動軸的組件直接整合到花崗岩本身。在花崗岩平台上選擇平台還是整合式花崗岩運動（IGM）平台是選型過程中需要儘早做出的決定之一。這兩種解決方案之間存在明顯的區別，當然，每種方案都有其自身的優點和缺點，需要仔細理解和考慮。

為了更好地了解這個決策過程，我們從技術和財務角度，以機械軸承案例研究的形式，評估了兩種基本線性運動平台設計（傳統的花崗岩舞台解決方案和 IGM 解決方案）之間的差異。

背景

為了探討IGM系統與傳統花崗岩平台系統的異同，我們設計了兩個測試案例：

• 機械軸承，花崗岩舞台
• 機械軸承，IGM

兩種情況下，每個系統都包含三個運動軸。 Y軸行程為1000毫米，位於花崗岩結構的底部。 X軸位於組件的橋架上，行程為400毫米，並承載著行程為100毫米的垂直Z軸。這種佈置方式以圖示方式呈現。

對於花崗岩平台上的設計，我們為Y軸選擇了PRO560LM寬體平台，因為它具有更大的承載能力，這在許多採用「Y/XZ分橋式」結構的運動應用中都很常見。對於X軸，我們選擇了PRO280LM，它在許多應用中常用作橋式軸。 PRO280LM在佔地面積和承載客戶有效載荷的Z軸能力之間取得了良好的平衡。

對於 IGM 設計，我們緊密地複製了上述軸的基本設計概念和佈局，主要區別在於 IGM 軸直接構建在花崗岩結構中，因此缺少花崗岩平台上的加工組件底座。

兩種設計方案的共同點在於都採用了Z軸，即PRO190SL滾珠螺桿驅動平台。由於其強大的有效載荷能力和相對緊湊的外形尺寸，這款軸在橋樑的垂直方向上非常常用。

圖 2 展示了所研究的特定花崗岩上岩漿和 IGM 系統。

技術對比

IGM系統採用多種技術和組件進行設計，這些技術和組件與傳統的花崗岩舞台設計類似。因此，IGM系統和花崗岩舞台系統在技術特性上有許多共同之處。另一方面，將運動軸直接整合到花崗岩結構中，賦予了IGM系統一些與花崗岩舞台系統截然不同的獨特特徵。

外形尺寸

或許最明顯的相似之處始於機器的基座——花崗岩。儘管花崗岩檯面式和IGM設計在特徵和公差方面存在差異，但花崗岩底座、立管和橋架的整體尺寸是相同的。這主要是因為花崗岩檯面式和IGM的標稱行程和極限行程相同。

建造

IGM 設計中缺少機械加工部件的軸基座，這使其相比花崗岩平台方案具有一定的優勢。特別是，IGM 結構迴路中部件的減少有助於提高整體軸剛度。此外，它還允許花崗岩底座與滑架頂面之間的距離更短。在本案例研究中，IGM 設計的工作檯面高度降低了 33%（80 毫米對比 120 毫米）。更小的工作檯面高度不僅使設計更加緊湊，而且還減少了馬達和編碼器到工作點的機器偏移量，從而降低了阿貝誤差，進而提高了工作點定位性能。

軸分量

深入分析設計，花崗岩檯面式和IGM方案共享一些關鍵組件，例如線性馬達和位置編碼器。相同的力臂和磁軌選擇確保了相同的力道輸出能力。同樣，兩種設計均採用相同的編碼器，從而實現了相同的定位回饋解析度。因此，花崗岩檯面式和IGM方案的線性精度和重複性性能差異不大。相似的組件佈局，包括軸承間距和公差，使得兩種方案在幾何誤差運動（即水平和垂直直線度、俯仰角、橫滾角和偏航角）方面性能相當。最後，兩種方案的支撐元件，包括電纜管理、電氣限位和硬限位，功能基本上相同，儘管外觀可能略有差異。

軸承

對於這種特定設計而言，最顯著的差異之一在於直線導軌軸承的選擇。雖然花崗岩平台式和IGM系統都使用了循環滾珠軸承，但IGM系統能夠在不增加軸工作高度的情況下，將更大、更堅固的軸承整合到設計中。由於IGM設計以花崗岩為基座，而非單獨的加工部件基座，因此可以節省原本會被加工部件佔用的垂直空間，並用更大的軸承填充這些空間，同時還能降低滑架在花崗岩上方的整體高度。

剛性

IGM設計中採用更大尺寸的軸承對角剛度產生了顯著影響。以寬體下軸（Y軸）為例，IGM方案的橫滾剛度比相應的花崗岩平台式設計提高了40%以上，俯仰剛度提高了30%，偏航剛度提高了20%。同樣，IGM橋架的橫滾剛度提高了四倍，俯仰剛度提高了一倍，偏航剛度提高了30%以上。更高的角剛度優勢在於它能直接提升動態效能，而動態效能是提升機器吞吐量的關鍵。

負載能力

與花崗岩平台式方案相比，IGM方案採用更大的軸承，使其有效載荷能力顯著提升。花崗岩平台式方案的PRO560LM基軸的承載能力為150公斤，而相應的IGM方案則可承載300公斤的酬載。同樣，花崗岩平台式方案的PRO280LM橋軸的承載能力為150公斤，而IGM方案的橋軸則可承載高達200公斤的有效載荷。

運動品質

雖然機械軸承式IGM軸中較大的軸承提供了更優異的角度性能和更大的承載能力，但它們也需要更大更重的滑架。此外，IGM滑架的設計使得一些花崗岩平台式軸所需的加工特徵（IGM軸則不需要）被移除，從而提高了零件剛度並簡化了製造過程。這些因素意味著IGM軸的運動品質比相應的花崗岩平台式軸更大。一個不容忽視的缺點是，在馬達輸出功率不變的情況下，IGM的最大加速度較低。然而，在某些情況下，更大的運動質量可能反而有利，因為其更大的慣性可以提供更強的抗擾動能力，從而提高位置穩定性。

結構動力學

IGM系統更高的軸承剛度和更堅固的滑架帶來了額外的優勢，這些優勢在使用有限元素分析（FEA）軟體進行模態分析後顯而易見。本研究著重考察了移動滑架的一階共振，因為其對伺服頻寬有影響。 PRO560LM滑架在400 Hz處發生共振，而相應的IGM滑架在430 Hz處發生相同的共振。圖3展示了這個結果。

與傳統的花崗岩檯面相比，IGM解決方案更高的共振頻率部分歸因於其更堅固的滑架和軸承設計。更高的滑架共振頻率使得伺服頻寬更大，從而提高了動態性能。

運作環境

當存在污染物時，無論這些污染物是使用者操作過程中產生的，還是機器環境中固有的，軸的密封性幾乎都是強制性的。花崗岩平台式解決方案尤其適用於這種情況，因為其軸本身俱有封閉性。例如，PRO 系列線性平台配備了硬質蓋板和側密封件，可在一定程度上保護平台內部組件免受污染。這些平台還可以選配桌面刮水器，以便在平台移動時清除頂部硬蓋板上的碎屑。另一方面，IGM 運動平臺本質上是開放式的，軸承、馬達和編碼器都暴露在外。雖然在更清潔的環境中這不是問題，但在存在污染時則可能造成問題。可以透過在 IGM 軸設計中加入特殊的波紋管式導軌護罩來解決這個問題，從而防止碎屑進入。但是，如果安裝不當，波紋管會在滑架移動過程中對其施加外部力，從而對軸的運動產生負面影響。

維護

維護性是花崗岩基座式運動平台和IGM運動平台之間的關鍵區別。直線馬達軸以其堅固耐用而聞名，但有時也需要維護。某些維護操作相對簡單，無需拆卸或分解相關軸即可完成，但有時則需要更徹底的拆解。當運動平台由安裝在花崗岩上的獨立平台組成時，維護工作相對簡單。首先，將平台從花崗岩上拆下，然後進行必要的維護工作並重新安裝。或者，直接更換一個新的平台。

IGM解決方案在維護方面有時會更具挑戰性。雖然在這種情況下更換直線馬達的單一磁軌非常簡單，但更複雜的維護和維修通常需要完全拆卸構成軸的許多或所有組件，而當組件直接安裝在花崗岩上時，這會更加耗時。此外，維護後重新校準花崗岩基座軸也更加困難——而對於離散式平台來說，這項工作則是簡單得多。

表 1. 花崗岩上機械承壓平台與 IGM 解決方案之間基本技術差異的總結。

經濟比較

雖然任何運動系統的絕對成本都會因行程長度、軸精度、負載能力和動態性能等多種因素而異，但本研究中對類似的IGM和花崗岩平台上的運動系統進行的相對比較表明，IGM解決方案能夠以比花崗岩平台上的同類產品略低的成本提供中高精度的運動。

我們的經濟研究包括三個基本成本組成部分：機器零件（包括製造零件和外購零件）、花崗岩組裝以及人工和管理費用。

機械零件

與傳統的台架式加工方案相比，IGM 解決方案在機械零件方面可大幅節省成本。這主要是因為 IGM 無需在 Y 軸和 X 軸上進行複雜的台架加工，而台架式加工方案則需要這些台架來增加複雜性和成本。此外，IGM 解決方案中其他加工零件的相對簡化也有助於降低成本，例如移動滑架，其結構可以更簡單，公差要求也可以適當放寬。

花崗岩組件

儘管IGM系統和花崗岩檯面系統中花崗岩底座-立管-橋架組件的外形尺寸和外觀相似，但IGM花崗岩組件的成本略高。這是因為IGM方案中的花崗岩取代了花崗岩檯面方案中的機械加工檯面底座，因此對花崗岩在關鍵區域的公差要求更高，甚至需要額外的結構，例如擠壓切口和/或螺紋鋼嵌件。然而，在我們的案例研究中，花崗岩結構增加的複雜性完全被機械零件的簡化所抵消。

人工及管理費用

由於 IGM 系統和花崗岩舞台系統的組裝和測試有很多相似之處，因此在人工和管理費用方面沒有顯著差異。

綜合考慮所有這些成本因素，本研究中考察的特定機械軸承 IGM 解決方案比機械軸承花崗岩平台解決方案的成本低約 15%。

當然，經濟分析的結果不僅取決於行程長度、精度和承載能力等屬性，還取決於花崗岩供應商的選擇等因素。此外，考慮花崗岩結構採購相關的運輸和物流成本也十分重要。對於大型花崗岩系統而言，選擇資質合格且距離最終系統組裝地點較近的花崗岩供應商尤其有助於降低成本（當然，這適用於所有尺寸的系統）。

還需注意的是，此分析並未考慮實施後的成本。例如，假設需要對運動系統進行維護，例如維修或更換某個運動軸。對於花崗岩舞台系統，只需拆卸並維修/更換受影響的運動軸即可完成維護。由於其模組化舞台式設計，儘管初始系統成本較高，但維護工作相對容易快速。雖然整合式舞台系統 (IGM) 的成本通常低於花崗岩舞台系統，但由於其一體化結構，拆卸和維護難度更高。

結論

顯然，每種運動平台設計——花崗岩檯面式和整合式運動平台（IGM）——都能提供獨特的優勢。然而，對於特定的運動應用而言，哪種方案才是最佳選擇並非總是顯而易見的。因此，與經驗豐富的運動和自動化系統供應商（例如 Aerotech）合作至關重要。 Aerotech 提供以應用為導向的諮詢服務，幫助客戶探索並提供有價值的解決方案，以應對具有挑戰性的運動控制和自動化應用。理解這兩種自動化解決方案之間的區別，以及它們需要解決的問題的根本原因，是成功選擇能夠同時滿足專案技術和財務目標的運動系統的關鍵。

來自 AEROTECH。