花岗岩舞台与一体式花岗岩运动系统的区别

针对特定应用选择最合适的花岗岩基直线运动平台取决于诸多因素和变量。至关重要的是要认识到，每个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独立的定位平台安装在花岗岩结构上。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本身。在花岗岩平台上选择平台还是集成式花岗岩运动（IGM）平台是选型过程中需要尽早做出的决定之一。这两种解决方案之间存在明显的区别，当然，每种方案都有其自身的优势和不足之处，需要仔细理解和考虑。

为了更好地了解这一决策过程，我们从技术和财务角度，以机械轴承案例研究的形式，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

为了探究IGM系统与传统花岗岩平台系统的异同，我们设计了两个测试案例：

• 机械轴承，花岗岩舞台
• 机械轴承，IGM

两种情况下，每个系统都包含三个运动轴。Y轴行程为1000毫米，位于花岗岩结构的底部。X轴位于组件的桥架上，行程为400毫米，并承载着行程为100毫米的垂直Z轴。这种布置方式以图示方式呈现。

对于花岗岩平台上的设计，我们为Y轴选择了PRO560LM宽体平台，因为它具有更大的承载能力，这在许多采用“Y/XZ分桥式”结构的运动应用中都很常见。对于X轴，我们选择了PRO280LM，它在许多应用中常用作桥式轴。PRO280LM在占地面积和承载客户有效载荷的Z轴能力之间取得了良好的平衡。

对于 IGM 设计，我们紧密地复制了上述轴的基本设计概念和布局，主要区别在于 IGM 轴直接构建在花岗岩结构中，因此缺少花岗岩平台上的加工组件底座。

两种设计方案的共同之处在于都采用了Z轴，即PRO190SL滚珠丝杠驱动平台。由于其强大的有效载荷能力和相对紧凑的外形尺寸，这款轴在桥梁的垂直方向上非常常用。

图 2 展示了所研究的具体花岗岩上岩浆和 IGM 系统。

技术对比

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舞台设计类似。因此，IGM系统和花岗岩舞台系统在技术特性上有很多共同之处。另一方面，将运动轴直接集成到花岗岩结构中，赋予了IGM系统一些与花岗岩舞台系统截然不同的独特特征。

外形尺寸

或许最明显的相似之处始于机器的基座——花岗岩。尽管花岗岩台面式和IGM设计在特征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台面式和IGM的标称行程和极限行程相同。

建造

IGM 设计中缺少机械加工部件的轴基座，这使其相比花岗岩平台方案具有一定的优势。特别是，IGM 结构回路中部件的减少有助于提高整体轴刚度。此外，它还允许花岗岩底座与滑架顶面之间的距离更短。在本案例研究中，IGM 设计的工作台面高度降低了 33%（80 毫米对比 120 毫米）。更小的工作台面高度不仅使设计更加紧凑，而且还减少了电机和编码器到工作点的机器偏移量，从而降低了阿贝误差，进而提高了工作点定位性能。

轴分量

深入分析设计，花岗岩台面式和IGM方案共享一些关键组件，例如线性电机和位置编码器。相同的力臂和磁轨选择确保了相同的力输出能力。同样，两种设计均采用相同的编码器，从而实现了相同的定位反馈分辨率。因此，花岗岩台面式和IGM方案的线性精度和重复性性能差异不大。相似的组件布局，包括轴承间距和公差，使得两种方案在几何误差运动（即水平和垂直直线度、俯仰角、横滚角和偏航角）方面性能相当。最后，两种方案的支撑元件，包括电缆管理、电气限位和硬限位，功能基本相同，尽管外观可能略有差异。

轴承

对于这种特定设计而言，最显著的区别之一在于直线导轨轴承的选择。虽然花岗岩平台式和IGM系统都使用了循环滚珠轴承，但IGM系统能够在不增加轴工作高度的情况下，将更大、更坚固的轴承集成到设计中。由于IGM设计以花岗岩为基座，而非单独的加工部件基座，因此可以节省原本会被加工部件占用的垂直空间，并用更大的轴承填充这些空间，同时还能降低滑架在花岗岩上方的整体高度。

刚性

IGM设计中采用更大尺寸的轴承对角刚度产生了显著影响。以宽体下轴（Y轴）为例，IGM方案的横滚刚度比相应的花岗岩平台式设计提高了40%以上，俯仰刚度提高了30%，偏航刚度提高了20%。同样，IGM桥架的横滚刚度提高了四倍，俯仰刚度提高了一倍，偏航刚度提高了30%以上。更高的角刚度优势在于它能直接提升动态性能，而动态性能是提高机器吞吐量的关键。

负载能力

与花岗岩平台式方案相比，IGM方案采用更大的轴承，使其有效载荷能力显著提升。花岗岩平台式方案的PRO560LM基轴的承载能力为150公斤，而相应的IGM方案则可承载300公斤的有效载荷。同样，花岗岩平台式方案的PRO280LM桥轴的承载能力为150公斤，而IGM方案的桥轴则可承载高达200公斤的有效载荷。

运动质量

虽然机械轴承式IGM轴中较大的轴承提供了更优异的角度性能和更大的承载能力，但它们也需要更大更重的滑架。此外，IGM滑架的设计使得一些花岗岩平台式轴所需的加工特征（IGM轴则不需要）被移除，从而提高了零件刚度并简化了制造工艺。这些因素意味着IGM轴的运动质量比相应的花岗岩平台式轴更大。一个不容忽视的缺点是，在电机输出功率不变的情况下，IGM的最大加速度较低。然而，在某些情况下，更大的运动质量可能反而有利，因为其更大的惯性可以提供更强的抗扰动能力，从而提高位置稳定性。

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）软件进行模态分析后显而易见。本研究着重考察了移动滑架的一阶共振，因为其对伺服带宽有影响。PRO560LM滑架在400 Hz处发生共振，而相应的IGM滑架在430 Hz处发生相同的共振。图3展示了这一结果。

与传统的花岗岩台面相比，IGM解决方案更高的共振频率部分归因于其更坚固的滑架和轴承设计。更高的滑架共振频率使得伺服带宽更大，从而提高了动态性能。

运行环境

当存在污染物时，无论这些污染物是用户操作过程中产生的，还是机器环境中固有的，轴的密封性几乎都是强制性的。花岗岩平台式解决方案尤其适用于这种情况，因为其轴本身具有封闭性。例如，PRO 系列线性平台配备了硬质盖板和侧密封件，可在一定程度上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除顶部硬质盖板上的碎屑。另一方面，IGM 运动平台本质上是开放式的，轴承、电机和编码器都暴露在外。虽然在更清洁的环境中这不是问题，但在存在污染时则可能造成问题。可以通过在 IGM 轴设计中加入特殊的波纹管式导轨护罩来解决这个问题，从而防止碎屑进入。但是，如果安装不当，波纹管会在滑架移动过程中对其施加外部力，从而对轴的运动产生负面影响。

维护

维护性是花岗岩基座式运动平台和IGM运动平台之间的一个关键区别。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，无需拆卸或分解相关轴即可完成，但有时则需要更彻底的拆解。当运动平台由安装在花岗岩上的独立平台组成时，维护工作相对简单。首先，将平台从花岗岩上拆下，然后进行必要的维护工作并重新安装。或者，直接更换一个新的平台。

IGM解决方案在维护方面有时会更具挑战性。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。此外，维护后重新校准花岗岩基座轴也更加困难——而对于离散式平台来说，这项工作则要简单得多。

表 1. 花岗岩上机械承压平台与 IGM 解决方案之间基本技术差异的总结。

经济比较

虽然任何运动系统的绝对成本都会因行程长度、轴精度、负载能力和动态性能等多种因素而异，但本研究中对类似的IGM和花岗岩平台上的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平台上的同类产品略低的成本提供中高精度的运动。

我们的经济研究包括三个基本成本组成部分：机器零件（包括制造零件和外购零件）、花岗岩组装以及人工和管理费用。

机械零件

与传统的台架式加工方案相比，IGM 解决方案在机械零件方面可显著节省成本。这主要是因为 IGM 无需在 Y 轴和 X 轴上进行复杂的台架加工，而台架式加工方案则需要这些台架来增加复杂性和成本。此外，IGM 解决方案中其他加工零件的相对简化也有助于降低成本，例如移动滑架，其结构可以更简单，公差要求也可以适当放宽。

花岗岩组件

尽管IGM系统和花岗岩台面系统中花岗岩底座-立管-桥架组件的外形尺寸和外观相似，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的机加工台面底座，因此对花岗岩在关键区域的公差要求更高，甚至需要额外的结构，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完全被机械零件的简化所抵消。

人工及管理费用

由于 IGM 系统和花岗岩舞台系统的组装和测试有很多相似之处，因此在人工和管理费用方面没有显著差异。

综合考虑所有这些成本因素，本研究中考察的特定机械轴承 IGM 解决方案比机械轴承花岗岩平台解决方案的成本低约 15%。

当然，经济分析的结果不仅取决于行程长度、精度和承载能力等属性，还取决于花岗岩供应商的选择等因素。此外，考虑花岗岩结构采购相关的运输和物流成本也十分重要。对于大型花岗岩系统而言，选择一家资质合格且距离最终系统组装地点较近的花岗岩供应商尤其有助于降低成本（当然，这适用于所有尺寸的系统）。

还需注意的是，此分析并未考虑实施后的成本。例如，假设需要对运动系统进行维护，例如维修或更换某个运动轴。对于花岗岩舞台系统，只需拆卸并维修/更换受影响的运动轴即可完成维护。由于其模块化舞台式设计，尽管初始系统成本较高，但维护工作相对容易快捷。虽然集成式舞台系统 (IGM) 的成本通常低于花岗岩舞台系统，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——花岗岩台面式和集成式运动平台（IGM）——都能提供独特的优势。然而，对于特定的运动应用而言，哪种方案才是最佳选择并非总是显而易见的。因此，与经验丰富的运动和自动化系统供应商（例如 Aerotech）合作至关重要。Aerotech 提供以应用为导向的咨询服务，帮助客户探索并提供有价值的解决方案，以应对具有挑战性的运动控制和自动化应用。理解这两种自动化解决方案之间的区别，以及它们需要解决的问题的根本原因，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关键所在。

来自 AEROTECH。