花岗岩舞台系统和集成花岗岩运动系统之间的区别

为特定应用选择最合适的花岗岩线性运动平台，取决于许多因素和变量。至关重要的是要认识到，每种应用都有其独特的需求，必须理解并优先考虑这些需求，才能找到有效的运动平台解决方案。

一种较为常见的解决方案是将离散定位平台安装到花岗岩结构上。另一种常见的解决方案是将构成运动轴的组件直接集成到花岗岩结构中。在花岗岩平台和集成花岗岩运动 (IGM) 平台之间进行选择是选择过程中需要提前做出的决策之一。这两种解决方案类型之间存在明显的区别，当然，每种方案都有其自身的优点和注意事项，需要仔细理解和考虑。

为了更好地了解这一决策过程，我们以机械轴承案例研究的形式从技术和财务角度评估了两种基本线性运动平台设计（传统的花岗岩舞台解决方案和 IGM 解决方案）之间的差异。

背景

为了探索 IGM 系统与传统花岗岩舞台系统之间的异同，我们生成了两个测试用例设计：

• 机械轴承，花岗岩台面
• 机械轴承，IGM

两种情况下，每个系统均由三个运动轴组成。Y轴行程1000毫米，位于花岗岩结构底座上。X轴位于组件桥上，行程400毫米，并承载着行程100毫米的垂直Z轴。此布置以图形方式表示。

对于花岗岩平台的设计，我们选择了 PRO560LM 宽体平台作为 Y 轴，因为它具有更大的承载能力，这在许多采用“Y/XZ 分离桥式”结构的运动应用中很常见。对于 X 轴，我们选择了 PRO280LM，它在许多应用中通常用作桥式轴。PRO280LM 在占地面积和承载客户有效载荷的 Z 轴能力之间实现了切实的平衡。

对于 IGM 设计，我们紧密复制了上述轴的基本设计概念和布局，主要区别在于 IGM 轴直接内置于花岗岩结构中，因此缺少花岗岩舞台设计中存在的机加工部件底座。

两种设计方案的共同点在于Z轴，均选用PRO190SL滚珠丝杠驱动平台。由于其高负载能力和相对紧凑的外形尺寸，该轴在桥梁的垂直方向上非常受欢迎。

图 2 说明了所研究的具体花岗岩阶段和 IGM 系统。

技术比较

IGM系统采用多种技术和组件进行设计，这些技术和组件与传统的花岗岩台面设计类似。因此，IGM系统与花岗岩台面系统之间存在许多共同的技术特性。相反，将运动轴直接集成到花岗岩结构中，使得IGM系统与花岗岩台面系统具有一些显著的区别。

外形尺寸

或许最明显的相似之处始于机器的基座——花岗岩。尽管花岗岩平台式和IGM平台式的设计在特性和公差方面存在差异，但花岗岩底座、立管和桥架的整体尺寸是相同的。这主要是因为花岗岩平台式和IGM平台式的标称行程和极限行程相同。

建造

IGM 设计中取消了机加工组件轴基座，这比花岗岩平台解决方案更具优势。尤其是 IGM 结构环路中组件数量的减少，有助于提高整体轴的刚度。此外，它还能缩短花岗岩底座与滑架顶面之间的距离。在本案例研究中，IGM 设计将工作台面高度降低了 33%（80 毫米，而非 120 毫米）。较低的工作高度不仅使设计更加紧凑，而且还减少了从电机和编码器到工作点的机器偏移，从而降低了阿贝误差，并提升了工作点定位性能。

轴组件

深入研究设计，花岗岩台面和 IGM 解决方案共享一些关键组件，例如线性电机和位置编码器。通用的推力器和磁轨选择可实现等效的力输出能力。同样，在两种设计中使用相同的编码器可为定位反馈提供相同的高分辨率。因此，花岗岩台面和 IGM 解决方案之间的线性精度和重复性性能没有显著差异。类似的组件布局（包括轴承分离和公差）导致几何误差运动（即水平和垂直直线度、俯仰、滚动和偏航）方面的性能相当。最后，两种设计的支撑元件（包括电缆管理、电气限位和硬停装置）在功能上基本相同，尽管它们在外观上可能略有不同。

轴承

对于这种特殊设计，最显著的区别之一是直线导轨轴承的选择。虽然花岗岩平台和IGM系统都使用循环滚珠轴承，但IGM系统可以在不增加轴工作高度的情况下，将更大、更坚固的轴承纳入设计中。由于IGM设计依靠花岗岩作为基座，而不是单独的机加工部件基座，因此可以回收一些原本会被机加工基座占用的垂直空间，并用更大的轴承填充这些空间，同时仍然降低滑架在花岗岩上方的整体高度。

刚性

在IGM设计中使用更大的轴承对角刚度产生了深远的影响。就宽体下轴（Y轴）而言，IGM解决方案的侧倾刚度比相应的花岗岩台面设计高出40%以上，俯仰刚度高出30%，偏航刚度高出20%。同样，IGM的桥式结构使其侧倾刚度比花岗岩台面设计高出四倍，俯仰刚度高出一倍，偏航刚度高出30%以上。更高的角刚度具有优势，因为它直接有助于提高动态性能，而动态性能是提高机器吞吐量的关键。

负载能力

IGM 解决方案采用更大的轴承，有效载荷能力远高于花岗岩台面解决方案。花岗岩台面解决方案的 PRO560LM 基轴的承载能力为 150 公斤，而相应的 IGM 解决方案可承受 300 公斤的有效载荷。同样，花岗岩台面解决方案的 PRO280LM 桥轴可承载 150 公斤，而 IGM 解决方案的桥轴最高可承载 200 公斤。

移动质量

虽然机械轴承 IGM 轴中较大的轴承具有更好的角度性能和更大的承载能力，但它们也配备了更大、更重的滑架。此外，IGM 滑架的设计去除了花岗岩台面轴所必需的某些机加工特征（但 IGM 轴不需要），以增加零件刚度并简化制造。这些因素意味着 IGM 轴比相应的花岗岩台面轴具有更大的移动质量。一个无可争辩的缺点是，假设电机力输出不变，IGM 的最大加速度较低。然而，在某些情况下，更大的移动质量可能更具优势，因为其更大的惯性可以提供更强的抗干扰能力，这可能与提高就位稳定性有关。

结构动力学

IGM 系统更高的轴承刚度和更坚固的滑架带来了额外的优势，这些优势在使用有限元分析 (FEA) 软件包进行模态分析后显而易见。在本研究中，我们研究了移动滑架的一阶共振，因为它会影响伺服带宽。PRO560LM 滑架在 400 Hz 时发生共振，而相应的 IGM 滑架在 430 Hz 时经历相同的模态。图 3 展示了这一结果。

与传统的花岗岩平台相比，IGM 解决方案的共振更高，这部分归功于其更坚固的滑架和轴承设计。更高的滑架共振使得伺服带宽更大，从而提升动态性能。

操作环境

无论污染物是来自用户工艺流程还是机器环境中的其他污染物，当存在污染物时，轴的密封性几乎始终是强制性的。由于轴本身具有封闭性，花岗岩平台解决方案尤其适用于此类情况。例如，PRO系列直线平台配备了硬盖和侧密封件，可在合理范围内保护平台内部组件免受污染。这些平台还可以选配桌面刮水器，以便在平台移动时清扫顶部硬盖上的碎屑。另一方面，IGM运动平台本质上是开放的，轴承、电机和编码器都暴露在外。虽然在清洁的环境中这不是问题，但在存在污染时可能会造成问题。可以通过在IGM轴设计中加入特殊的波纹管式导轨盖来解决这个问题，以防止碎屑进入。但如果安装不当，波纹管会在滑架全程移动时对其施加外力，从而对轴的运动产生负面影响。

维护

可维护性是花岗岩平台和IGM运动平台之间的区别。直线电机轴以其坚固耐用而闻名，但有时也需要进行维护。某些维护操作相对简单，无需拆卸或拆卸相关轴即可完成，但有时需要更彻底的拆卸。当运动平台由安装在花岗岩上的独立平台组成时，维护是一项相当简单的任务。首先，将平台从花岗岩上拆卸下来，然后进行必要的维护工作并重新安装。或者，只需更换一个新的平台即可。

IGM 解决方案在维护时有时会更具挑战性。虽然在这种情况下更换直线电机的单个磁轨非常简单，但更复杂的维护和维修通常需要完全拆卸构成轴的许多或所有组件，而当组件直接安装在花岗岩上时，这会更加耗时。维护完成后，重新对准花岗岩轴也更加困难——而采用分立式安装则可以让这项任务更加简单。

表 1. 机械轴承花岗岩台面和 IGM 解决方案之间的根本技术差异总结。

经济比较

虽然任何运动系统的绝对成本都会根据行程长度、轴精度、负载能力和动态能力等多种因素而有所不同，但本研究对类似 IGM 和花岗岩台面运动系统进行的相对比较表明，IGM 解决方案能够以比花岗岩台面运动系统略低的成本提供中高精度运动。

我们的经济研究包括三个基本成本组成部分：机器零件（包括制造零件和购买零件）、花岗岩组装以及人工和管理费用。

机械零件

与花岗岩平台解决方案相比，IGM 解决方案在机械零件方面显著节省。这主要是因为 IGM 无需在 Y 轴和 X 轴上进行复杂加工的平台底座，而这会增加花岗岩平台解决方案的复杂性和成本。此外，成本节省还归因于 IGM 解决方案中其他机械零件的相对简化，例如移动滑架，当设计用于 IGM 系统时，其特性更简单，公差也更宽松。

花岗岩组件

虽然IGM和花岗岩台面系统中的花岗岩底座-立管-桥架组件在外形和外观上看似相似，但IGM花岗岩组件的成本略高。这是因为IGM方案中的花岗岩取代了花岗岩台面方案中机加工的台面底座，后者要求花岗岩在关键区域具有更严格的公差，甚至还需要一些额外的特性，例如挤压切口和/或螺纹钢嵌件。然而，在我们的案例研究中，花岗岩结构增加的复杂性被机械零件的简化所抵消。

劳动力和间接费用

由于 IGM 和花岗岩台面系统的组装和测试有很多相似之处，因此劳动力成本和管理费用并没有显著差异。

将所有这些成本因素综合起来，本研究中检查的特定机械轴承 IGM 解决方案的成本比机械轴承、花岗岩舞台解决方案低约 15%。

当然，经济分析的结果不仅取决于行程长度、精度和负载能力等属性，还取决于花岗岩供应商的选择等因素。此外，谨慎考虑采购花岗岩结构相关的运输和物流成本也是明智之举。对于大型花岗岩系统尤其如此，尽管适用于所有尺寸，但选择靠近最终系统组装地点的合格花岗岩供应商也有助于降低成本。

还需注意的是，本分析未考虑实施后的成本。例如，假设需要通过维修或更换运动轴来维护运动系统。花岗岩台面系统只需拆卸并维修/更换受影响的轴即可进行维护。由于其采用更模块化的台面式设计，尽管初始系统成本较高，但维护工作相对轻松快捷。虽然IGM系统的成本通常低于花岗岩台面系统，但由于其一体化结构，拆卸和维护难度更大。

结论

显然，每种运动平台设计——花岗岩台面和IGM——都能提供独特的优势。然而，对于特定的运动应用，哪种选择才是最理想的并不总是显而易见的。因此，与经验丰富的运动和自动化系统供应商（例如Aerotech）合作将大有裨益。Aerotech提供以应用为中心的咨询服务，能够探索并提供宝贵的见解，帮助客户应对具有挑战性的运动控制和自动化应用的解决方案替代方案。不仅要了解这两种自动化解决方案之间的差异，还要了解它们需要解决的问题的根本方面，这是成功选择能够同时满足项目技术和财务目标的运动系统的根本关键。

来自 AEROTECH。