Stage-on-Granite と統合された花崗岩モーション システムの違い

特定の用途に最適な花崗岩ベースの直線運動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 プラットフォームの観点から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独自の一連の要件があることを認識し、これらの要件を理解し、優先順位を付ける必要があることを認識することが重要です。

よりユビキタスなソリューションの 1 つは、花崗岩構造上に個別の位置決めステージを取り付けることです。別の一般的なソリューションは、運動軸を構成するコンポーネントを花崗岩自体に直接統合します。Stage-on-Granite プラットフォームと Integrated-Granite Motion (IGM) プラットフォームのどちらを選択するかは、選択プロセスで最初に行われる決定の 1 つです。どちらのソリューション タイプにも明確な違いがあり、もちろんそれぞれに独自のメリットと注意点があり、それらを注意深く理解して検討する必要があります。

この意思決定プロセスについてより深い洞察を提供するために、私たちは 2 つの基本的な直線運動プラットフォーム設計 (従来の花崗岩ステージ ソリューションと IGM ソリューション) の違いを、技術的および財務的な観点の両方から評価します。ベアリングのケーススタディ。

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査するために、2 つのテスト ケース設計を生成しました。

• メカニカルベアリング、花崗岩ステージ
• メカニカルベアリング、IGM

どちらの場合も、各システムは 3 つの動作軸で構成されます。Y 軸の移動量は 1000 mm で、花崗岩構造の基部に配置されています。X 軸はアセンブリのブリッジ上に 400 mm の移動量で配置され、100 mm の移動量で垂直 Z 軸を支えます。この配置は絵で表されます。

花崗岩上のステージ設計では、Y 軸に 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」配置を使用する多くのモーション アプリケーションで一般的な耐荷重能力が大きいためです。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る PRO280LM を選択しました。PRO280LM は、設置面積と顧客のペイロードを備えた Z 軸を運ぶ能力との間の実用的なバランスを提供します。

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厳密に複製しました。主な違いは、IGM 軸が花崗岩構造に直接組み込まれているため、ステージ上に存在する機械加工コンポーネントのベースが欠けていることです。 -花崗岩のデザイン。

両方の設計ケースに共通するのは、PRO190SL ボールねじ駆動ステージとして選択された Z 軸です。これは、十分な可搬質量と比較的コンパクトなフォームファクタにより、橋の上で垂直方向に使用するのに非常に人気のある軸です。

図 2 は、調査した特定の花崗岩ステージと IGM システムを示しています。

技術的な比較

IGM システムは、従来の花崗岩上のステージ設計に見られるものと同様のさまざまな技術とコンポーネントを使用して設計されています。その結果、IGM システムと花崗岩ステージ システムには多くの共通の技術的特性が存在します。逆に、運動軸を花崗岩構造に直接統合すると、IGM システムを花崗岩上のステージ システムと区別するいくつかの際立った特性が得られます。

フォームファクタ

おそらく最も明白な類似点は、機械の基礎である花崗岩から始まります。ステージオン花崗岩設計と IGM 設計の間には機能や公差に違いがありますが、花崗岩のベース、ライザー、ブリッジの全体の寸法は同等です。これは主に、公称移動量と限界移動量が花崗岩上のステージと IGM の間で同一であるためです。

工事

IGM 設計には機械加工コンポーネントの軸ベースが存在しないため、花崗岩上のステージ ソリューションに比べて一定の利点があります。特に、IGM の構造ループ内のコンポーネントの削減は、軸全体の剛性の向上に役立ちます。また、花崗岩のベースとキャリッジの上面の間の距離を短くすることもできます。この特定のケーススタディでは、IGM 設計により作業面の高さが 33% 低くなります (120 mm と比較して 80 mm)。この低い作業高さにより、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のオフセットが減少し、アッベ誤差が減少し、その結果作業点の位置決め性能が向上します。

軸コンポーネント

設計を詳しく見てみると、Stage-on-Granite 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のいくつかの主要コンポーネントを共有しています。フォーサーとマグネット トラックを共通に選択することで、同等の力出力能力が得られます。同様に、両方の設計で同じエンコーダを使用すると、位置フィードバックに対して同じように細かい分解能が提供されます。その結果、線形精度と再現性のパフォーマンスは、花崗岩上のステージと IGM ソリューションの間で大きな違いはありません。ベアリングの分離や公差を含む同様のコンポーネントのレイアウトにより、幾何学的誤差動作 (つまり、水平および垂直の真直度、ピッチ、ロール、ヨー) に関して同等のパフォーマンスが得られます。最後に、ケーブル管理、電気的制限、ハードストップなどの両方の設計のサポート要素は、物理的な外観が多少異なる場合がありますが、機能的には基本的に同一です。

ベアリング

この特定の設計の最も顕著な違いの 1 つは、リニア ガイド ベアリングの選択です。再循環ボールベアリングはステージオングラナイトシステムと IGM システムの両方で使用されていますが、IGM システムでは軸の作動高さを増やすことなく、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 設計は、別個の機械加工されたコンポーネントのベースではなく、花崗岩をベースとして利用しているため、機械加工されたベースによって消費される垂直方向のスペースの一部を再利用し、本質的にこのスペースをより大きなコンポーネントで埋めることができます。花崗岩上のキャリッジ全体の高さを抑えながら、ベアリングの高さを低く抑えます。

剛性

IGM 設計でのより大きなベアリングの使用は、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) の場合、IGM ソリューションは、対応するステージオン花崗岩設計と比べて、ロール剛性が 40% 以上、ピッチ剛性が 30% 以上、ヨー剛性が 20% 以上向上しています。同様に、IGM のブリッジは、ステージ上の花崗岩のブリッジと比較して、ロール剛性が 4 倍、ピッチ剛性が 2 倍、ヨー剛性が 30% 以上向上しています。角剛性が高いと、機械のスループットを高める鍵となる動的性能の向上に直接寄与するため、有利です。

負荷容量

IGM ソリューションのより大きなベアリングにより、花崗岩上のステージ ソリューションよりも大幅に高いペイロード容量が可能になります。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 150 kg ですが、対応する IGM ソリューションは 300 kg のペイロードに対応できます。同様に、Stage-on-Granite の PRO280LM ブリッジ軸は 150 kg をサポートしますが、IGM ソリューションのブリッジ軸は最大 200 kg まで耐えることができます。

移動質量

メカニカルベアリング IGM 軸のベアリングが大きいほど、角度性能特性が向上し、耐荷重能力が向上しますが、より大型で重いトラックも搭載されます。さらに、IGM キャリッジは、部品の剛性を高め、製造を簡素化するために、花崗岩上のステージ軸に必要な特定の機械加工フィーチャ (ただし、IGM 軸には必要ありません) が削除されるように設計されています。これらの要因は、IGM 軸の移動質量が対応する花崗岩上のステージ軸よりも大きいことを意味します。議論の余地のない欠点は、モーターの力の出力が変わらないと仮定すると、IGM の最大加速度が低いことです。しかし、特定の状況では、より大きな移動質量は、より大きな慣性が外乱に対するより大きな耐性を提供することができ、定位置安定性の向上に相関する可能性があるという観点から有利である可能性があります。

構造力学

IGM システムのより高いベアリング剛性とより剛性の高いキャリッジは、有限要素解析 (FEA) ソフトウェア パッケージを使用してモーダル解析を実行した後に明らかになるさらなる利点をもたらします。この研究では、サーボ帯域幅への影響を考慮して、移動キャリッジの最初の共振を調べました。PRO560LM キャリッジは 400 Hz で共振に遭遇しますが、対応する IGM キャリッジは 430 Hz で同じモードを経験します。図 3 はこの結果を示しています。

従来の花崗岩上のステージと比較した場合、IGM ソリューションのより高い共振は、より硬いキャリッジとベアリングの設計に部分的に起因する可能性があります。キャリッジの共振が大きくなると、サーボ帯域幅が広くなり、動的パフォーマンスが向上します。

動作環境

ユーザーのプロセスを通じて生成されたものであるか、機械の環境に存在するものであるかにかかわらず、汚染物質が存在する場合には、軸の密閉性がほぼ常に必須となります。ステージオン花崗岩ソリューションは、軸が本質的に閉じている性質があるため、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、ステージ内部のコンポーネントをある程度の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、ステージが移動するときに上部のハードカバーから破片を掃き落とすためのオプションの卓上ワイパーを設定することもできます。一方、IGM モーション プラットフォームは本質的にオープンな性質を持っており、ベアリング、モーター、エンコーダーが露出しています。よりクリーンな環境では問題になりませんが、汚染が存在する場合には問題となる可能性があります。この問題は、特殊なベローズ スタイルのウェイ カバーを IGM 軸設計に組み込んで破片から保護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移動範囲全体を移動するときにキャリッジに外力を与え、軸の動きに悪影響を与える可能性があります。

メンテナンス

保守性は、花崗岩上のステージと 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であることでよく知られていますが、場合によってはメンテナンスが必要になることがあります。特定のメンテナンス作業は比較的簡単で、問題の軸を取り外したり分解したりすることなく実行できますが、場合によってはより徹底的な分解が必要になります。モーション プラットフォームが花崗岩に取り付けられた個別のステージで構成されている場合、保守作業はかなり簡単な作業になります。まず、ステージを花崗岩から取り外し、必要なメンテナンス作業を行ってから再度取り付けます。または、単純に新しいステージに置き換えます。

IGM ソリューションは、メンテナンスを実行する際に、より困難になる場合があります。この場合、リニア モーターの単一のマグネット トラック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には、多くの場合、軸を構成するコンポーネントの多くまたはすべてを完全に分解する必要があり、コンポーネントを花崗岩に直接取り付ける場合には、さらに時間がかかります。また、メンテナンスを実行した後に花崗岩ベースの軸を相互に再調整することもより困難になります。この作業は、個別のステージを使用するとはるかに簡単になります。

表 1. 花崗岩上のメカニカルベアリング ステージと IGM ソリューションの基本的な技術的な違いの概要。

経済比較

モーション システムの絶対コストは、移動長、軸精度、負荷容量、動的能力などのいくつかの要因によって異なりますが、この研究で行われた類似の IGM と花崗岩ステージ上のモーション システムの相対比較は、IGM ソリューションが次のようなものであることを示唆しています。花崗岩上のステージよりも適度に低いコストで中高精度の動作を提供できます。

私たちの経済調査は、機械部品 (製造部品と購入部品の両方を含む)、花崗岩のアセンブリ、人件費と間接費という 3 つの基本的なコスト要素で構成されています。

機材

IGM ソリューションは、ステージ上の花崗岩ソリューションに比べて、機械部品の点で顕著な節約を実現します。これは主に、IGM には Y 軸および X 軸上に複雑に機械加工されたステージ ベースがないため、花崗岩上のステージ ソリューションの複雑さとコストが増大します。さらに、コスト削減は、可動キャリッジなど、IGM ソリューション上の他の機械加工部品が相対的に簡素化されたことに起因すると考えられます。IGM システムで使用するように設計された場合、これらの部品はより単純な機能と多少緩和された公差を持つことができます。

花崗岩のアセンブリ

IGM とステージオン花崗岩システムの両方の花崗岩ベース、ライザー、ブリッジ アセンブリは同様のフォーム ファクターと外観を備えているように見えますが、IGM 花崗岩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、ステージオン花崗岩ソリューションの機械加工されたステージ ベースの代わりとなるためです。そのため、花崗岩には、重要な領域で一般的により厳しい公差が必要であり、押し出しカットや/などの追加の機能も必要になります。またはネジ付きスチールインサートなど。ただし、私たちのケーススタディでは、花崗岩の構造がさらに複雑になったことは、機械部品の簡素化によって十分に相殺されています。

労力と諸経費

IGM システムと花崗岩ステージ上のシステムの両方の組み立てとテストには多くの類似点があるため、人件費と諸経費に大きな違いはありません。

これらのコスト要素をすべて組み合わせると、この研究で検討した特定のメカニカル ベアリング IGM ソリューションは、メカニカル ベアリングのステージオン花崗岩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、耐荷重などの属性だけでなく、花崗岩サプライヤーの選択などの要因にも依存します。さらに、花崗岩構造の購入に関連する輸送コストと物流コストを考慮することが賢明です。すべてのサイズに当てはまりますが、非常に大規模な花崗岩システムの場合は特に役立ちますが、最終的なシステム アセンブリの場所に近い認定花崗岩サプライヤーを選択すると、コストも最小限に抑えることができます。

この分析では導入後のコストが考慮されていないことにも注意してください。たとえば、運動軸を修理または交換して運動システムを保守する必要が生じたとします。ステージオン花崗岩システムは、影響を受けた軸を取り外して修理/交換するだけで保守できます。よりモジュラーなステージスタイルの設計のため、システムの初期コストは高くなりますが、これは比較的簡単かつ迅速に実行できます。IGM システムは一般に、花崗岩上のステージに比べて低コストで入手できますが、構造が統合されているため、分解や保守がより困難になる場合があります。

結論

明らかに、各タイプのモーション プラットフォーム設計 (花崗岩ステージと IGM) には、それぞれ異なる利点があります。ただし、特定のモーション アプリケーションにとってどれが最も理想的な選択であるかは、必ずしも明らかではありません。したがって、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 システムのサプライヤーと提携することは、非常に有益です。エアロテックは、明確にアプリケーション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 コントロールおよびオートメーション アプリケーションに対する代替ソリューションを探索し、貴重な洞察を提供します。これら 2 種類の自動化ソリューションの違いだけでなく、それらが解決する必要がある問題の基本的な側面も理解することが、プロジェクトの技術的目標と財務的目標の両方に対処するモーション システムの選択を成功させるための根本的な鍵となります。

エアロテックより。