ステージオングラナイトと統合グラナイトモーションシステムの違い

特定のアプリケーションに最適な花崗岩ベースのリニアモーションプラットフォームの選択は、多くの要因と変数に依存します。モーションプラットフォームに関する効果的なソリューションを追求するには、それぞれのアプリケーションに固有の要件を理解し、優先順位を付けることが不可欠です。

最も一般的なソリューションの一つは、個別の位置決めステージを花崗岩構造物に取り付けるものです。もう一つの一般的なソリューションは、動作軸を構成するコンポーネントを花崗岩自体に直接組み込むものです。花崗岩上ステージと一体型花崗岩モーション（IGM）プラットフォームのどちらを選択するかは、選定プロセスにおいて最も早い段階で決定すべき事項の一つです。両ソリューションには明確な違いがあり、もちろんそれぞれにメリットと注意点があり、それらを慎重に理解し検討する必要があります。

この意思決定プロセスに関するより深い洞察を提供するために、機械ベアリングのケーススタディの形で、技術と財務の両方の観点から、2 つの基本的な直線運動プラットフォーム設計 (従来の花崗岩上のステージ ソリューションと IGM ソリューション) の違いを評価します。

背景

IGM システムと従来の花崗岩ステージ システムの類似点と相違点を調べるために、次の 2 つのテスト ケース デザインを作成しました。

• 機械式ベアリング、花崗岩ステージ
• 機械式ベアリング、IGM

どちらの場合も、システムは3つの動作軸で構成されています。Y軸は1000mmの移動量を持ち、花崗岩構造のベース部分に配置されています。X軸は400mmの移動量を持ち、アセンブリのブリッジ部分に配置され、100mmの移動量を持つ垂直Z軸を支えています。この配置は図解で示されています。

花崗岩上ステージの設計では、Y軸にはPRO560LMワイドボディステージを選択しました。これは、この「Y/XZスプリットブリッジ」構成を採用する多くのモーションアプリケーションで一般的に使用される、より大きな耐荷重性を持つためです。X軸には、多くのアプリケーションでブリッジ軸として一般的に使用されているPRO280LMを選択しました。PRO280LMは、設置面積と、お客様のペイロードを搭載したZ軸の搬送能力の間で実用的なバランスを実現しています。

IGM 設計では、上記の軸の基本的な設計コンセプトとレイアウトを忠実に再現しましたが、主な違いは、IGM 軸は花崗岩構造に直接組み込まれているため、ステージ上の花崗岩設計にある機械加工されたコンポーネント ベースがないことです。

どちらの設計例にも共通するのはZ軸で、PRO190SLボールねじ駆動ステージが採用されました。この軸は、高い可搬重量と比較的コンパクトな形状のため、橋梁の垂直方向への設置に非常によく使用されます。

図 2 は、研究対象となった特定の花崗岩上ステージおよび IGM システムを示しています。

技術比較

IGMシステムは、従来の花崗岩ステージ設計に見られるものと同様の様々な技術とコンポーネントを用いて設計されています。そのため、IGMシステムと花崗岩ステージシステムには多くの共通する技術的特性があります。一方、動作軸を花崗岩構造に直接組み込むことで、IGMシステムと花崗岩ステージシステムを区別するいくつかの際立った特徴が生まれます。

フォームファクター

おそらく最も明白な類似点は、機械の土台である花崗岩にあります。ステージオングラナイトとIGMの設計には特徴や公差に違いがありますが、花崗岩のベース、ライザー、ブリッジの全体寸法は同等です。これは主に、ステージオングラナイトとIGMの公称移動量と限界移動量が同一であるためです。

工事

IGM設計では、機械加工された軸ベースが不要なため、花崗岩ステージソリューションに比べていくつかの利点があります。特に、IGMの構造ループ内の部品数が減少することで、軸全体の剛性が向上します。また、花崗岩ベースとキャリッジ上面間の距離も短くなります。このケーススタディでは、IGM設計により作業面の高さが33%低くなっています（120mmから80mm）。作業面の高さが低いことで、よりコンパクトな設計が可能になるだけでなく、モーターとエンコーダから作業点までの機械オフセットも減少し、アッベ誤差が低減されるため、作業点の位置決め性能が向上します。

軸コンポーネント

設計を詳細に見てみると、ステージオングラナイトソリューションとIGMソリューションは、リニアモーターや位置エンコーダなど、いくつかの主要コンポーネントを共有しています。共通のフォーサーとマグネットトラックを選択することにより、同等の力出力能力が得られます。同様に、両設計で同じエンコーダを使用することで、位置決めフィードバックの分解能が同等に向上します。その結果、ステージオングラナイトソリューションとIGMソリューションの直線精度と再現性には大きな差がありません。ベアリングの分離や公差など、コンポーネントのレイアウトが類似しているため、幾何学的誤差（水平および垂直の真直度、ピッチ、ロール、ヨー）に関しても同等の性能が得られます。最後に、ケーブル管理、電気リミット、ハードストップなど、両設計のサポート要素は、外観が多少異なるものの、基本的に機能は同じです。

ベアリング

この設計において、最も顕著な違いの一つは、リニアガイドベアリングの選択です。ステージオングラナイトシステムとIGMシステムの両方で循環ボールベアリングが使用されていますが、IGMシステムでは、軸の作動高さを上げることなく、より大型で剛性の高いベアリングを設計に組み込むことができます。IGM設計では、機械加工された別部品ベースではなく、グラナイト自体をベースとしているため、機械加工ベースで占められていた垂直方向のスペースの一部を再利用し、グラナイトからのキャリッジ全体の高さを抑えながら、このスペースを大型ベアリングで埋めることができます。

硬直性

IGM設計における大型ベアリングの採用は、角度剛性に大きな影響を与えます。ワイドボディの下軸（Y軸）の場合、IGMソリューションは、同等のグラナイトステージ設計と比較して、ロール剛性が40%以上、ピッチ剛性が30%以上、ヨー剛性が20%以上向上します。同様に、IGMのブリッジは、グラナイトステージ設計と比較して、ロール剛性が4倍、ピッチ剛性が2倍、ヨー剛性が30%以上向上します。角度剛性が高いことは、機械のスループット向上の鍵となる動的性能の向上に直接寄与するため、有利です。

耐荷重

IGMソリューションは大型ベアリングを搭載しているため、花崗岩ステージソリューションよりも大幅に高い耐荷重を実現しています。花崗岩ステージソリューションのPRO560LMベース軸の耐荷重は150kgですが、IGMソリューションは300kgの耐荷重に対応しています。同様に、花崗岩ステージソリューションのPRO280LMブリッジ軸は150kgの耐荷重ですが、IGMソリューションのブリッジ軸は最大200kgの耐荷重に対応しています。

動く質量

機械式ベアリング IGM 軸の大型ベアリングは、角度性能特性と耐荷重性に優れていますが、トラックも大型で重量も大きくなります。また、IGM キャリッジは、ステージオングラナイト軸に必要な特定の機械加工フィーチャ (IGM 軸では不要) を削除して部品の剛性を高め、製造を簡素化するように設計されています。これらの要因により、IGM 軸の移動質量は、対応するステージオングラナイト軸よりも大きくなります。明らかな欠点は、モーター出力が同じであれば、IGM の最大加速度が低くなることです。ただし、状況によっては、移動質量が大きい方が、慣性が大きいため外乱に対する耐性が強く、インポジション安定性が向上するという点で有利になる場合があります。

構造ダイナミクス

IGMシステムのベアリング剛性とキャリッジ剛性の向上は、有限要素解析（FEA）ソフトウェアパッケージを用いたモーダル解析によって明らかになる更なる利点をもたらします。本研究では、サーボ帯域幅への影響を考慮し、可動キャリッジの第一共振周波数を調査しました。PRO560LMキャリッジは400Hzで共振が発生し、対応するIGMキャリッジは430Hzで同じモードが発生します。図3はこの結果を示しています。

IGMソリューションは、従来の花崗岩製ステージと比較して高い共振特性を有しています。これは、キャリッジとベアリングの設計がより剛性が高いことに一部起因しています。キャリッジの共振特性が高いことで、サーボ帯域幅が拡大し、動的性能が向上します。

動作環境

汚染物質が存在する場合、それがユーザーのプロセスで生成されたものであれ、機械の環境に存在するものであれ、軸の密閉性はほぼ常に必須です。ステージオングラナイトソリューションは、軸が本質的に密閉されているため、このような状況に特に適しています。たとえば、PROシリーズのリニアステージには、ステージ内部の部品をある程度汚染から保護するハードカバーとサイドシールが装備されています。これらのステージには、オプションのテーブルトップワイパーを装備して、ステージ移動時に上部のハードカバーから異物を掃き取る構成も可能です。一方、IGMモーションプラットフォームは本質的に開放型であり、ベアリング、モーター、エンコーダが露出しています。よりクリーンな環境では問題になりませんが、汚染物質が存在する場合は問題となる可能性があります。この問題は、IGM軸設計に特殊なベローズ型のウェイカバーを組み込んで異物からの保護を提供することで解決できます。しかし、正しく実装されていない場合、ベローズはキャリッジが全移動範囲を移動するときに外力を与え、軸の動きに悪影響を及ぼす可能性があります。

メンテナンス

保守性は、ステージオングラナイトとIGMモーションプラットフォームの差別化要因です。リニアモーター軸は堅牢性で知られていますが、メンテナンスが必要になる場合もあります。メンテナンス作業の中には比較的簡単で、対象の軸を取り外したり分解したりすることなく完了できるものもありますが、場合によってはより徹底的な分解が必要になることもあります。モーションプラットフォームがグラナイト上に設置された個別のステージで構成されている場合、保守は比較的容易です。まず、ステージをグラナイトから取り外し、必要なメンテナンス作業を行ってから再び取り付けます。あるいは、新しいステージに交換するだけで済みます。

IGMソリューションは、メンテナンスが困難な場合があります。リニアモーターの磁気トラック1本の交換は非常に簡単ですが、より複雑なメンテナンスや修理では、軸を構成するコンポーネントの多く、あるいはすべてを完全に分解する必要があることが多く、コンポーネントがグラナイトに直接取り付けられている場合は、さらに時間がかかります。また、メンテナンス後にグラナイトベースの軸同士の位置合わせを再度行うのも困難です。これは、ディスクリートステージであればはるかに容易です。

表 1. 機械式ベアリング式の花崗岩ステージと IGM ソリューションの基本的な技術的違いの概要。

経済比較

モーション システムの絶対コストは、移動距離、軸精度、負荷容量、動的機能などのいくつかの要因によって異なりますが、この調査で実施された類似の IGM モーション システムとステージ オン グラナイト モーション システムの相対的な比較から、IGM ソリューションはステージ オン グラナイト ソリューションよりもやや低いコストで中程度から高精度のモーションを提供できることが示唆されています。

当社の経済調査は、機械部品（製造部品と購入部品の両方を含む）、花崗岩の組み立て、労働および諸経費という 3 つの基本的なコスト要素で構成されています。

機械部品

IGMソリューションは、機械部品の点で、花崗岩ステージソリューションに比べて顕著なコスト削減を実現します。これは主に、Y軸とX軸に複雑な機械加工が施されたステージベースが存在しないことに起因します。これらのステージベースは、花崗岩ステージソリューションの複雑さとコストを増加させます。さらに、IGMソリューションでは、移動キャリッジなど、他の機械加工部品が比較的簡素化されていることもコスト削減に寄与します。移動キャリッジは、IGMシステム向けに設計されているため、よりシンプルな構造と、やや緩い公差を実現できます。

花崗岩アセンブリ

IGMシステムとステージオングラナイトシステムの両方における花崗岩製ベース、ライザー、ブリッジアセンブリは、フォームファクタと外観が似ているように見えますが、IGMグラナイトアセンブリの方がわずかに高価です。これは、IGMソリューションの花崗岩が、ステージオングラナイトソリューションの機械加工ステージベースの代わりに使用されるためです。ステージオングラナイトソリューションでは、重要な領域において花崗岩の公差が一般的に厳しく、押し出し加工やねじ付き鋼製インサートなどの追加機能も求められます。しかしながら、このケーススタディでは、花崗岩構造の複雑さは、機械部品の簡素化によって十分に相殺されています。

労働と間接費

IGM システムとステージオングラナイト システムの組み立てとテストには多くの類似点があるため、人件費と間接費に大きな違いはありません。

これらのコスト要因をすべて組み合わせると、この研究で検討された特定の機械式ベアリング IGM ソリューションは、機械式ベアリングの花崗岩ステージ ソリューションよりも約 15% コストが低くなります。

もちろん、経済分析の結果は、移動距離、精度、耐荷重といった特性だけでなく、花崗岩サプライヤーの選定といった要因にも左右されます。さらに、花崗岩構造物の調達に伴う輸送費や物流費も考慮に入れることが賢明です。特に大規模な花崗岩システムの場合に有効ですが、あらゆる規模の花崗岩システムにも当てはまります。最終的なシステム組み立て場所に近い、信頼できる花崗岩サプライヤーを選ぶことで、コストを最小限に抑えることも可能です。

また、この分析では導入後のコストは考慮されていないことにも留意してください。例えば、モーションシステムの保守作業が必要になった場合、モーション軸の修理または交換が必要になります。グラナイトステージシステムであれば、影響を受けた軸を取り外して修理・交換するだけで保守作業が完了します。ステージ設計はモジュール化されているため、初期システムコストは高くなりますが、比較的容易かつ迅速に作業を行うことができます。IGMシステムは、グラナイトステージシステムよりも一般的に低コストで入手できますが、一体型構造のため、分解や保守作業がより困難になる場合があります。

結論

モーションプラットフォームの設計には、石上ステージとIGMの2種類があり、それぞれに異なるメリットがあることは明らかです。しかし、特定のモーションアプリケーションに最適な選択肢が必ずしも明確であるとは限りません。そのため、Aerotechのような経験豊富なモーションおよびオートメーションシステムサプライヤーと提携することは非常に有益です。Aerotechは、アプリケーションに明確に焦点を当てたコンサルティングアプローチを提供し、困難なモーション制御およびオートメーションアプリケーションに対するソリューションの代替案を探求し、貴重な洞察を提供します。これら2種類のオートメーションソリューションの違いだけでなく、それらが解決すべき問題の根本的な側面を理解することが、プロジェクトの技術的目標と財務的目標の両方を満たすモーションシステムを選択するための成功の鍵となります。

AEROTECHより。