ステージオングラナイトシステムと統合グラナイトモーションシステムの違い

特定の用途に最適な花崗岩製リニアモーションプラットフォームの選定は、数多くの要因と変数に左右されます。モーションプラットフォームに関して効果的なソリューションを追求するためには、それぞれの用途に固有の要件があり、それらを理解し、優先順位付けすることが不可欠です。

より一般的な解決策の一つは、個別の位置決めステージを花崗岩構造物に取り付ける方法です。もう一つの一般的な解決策は、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方法です。ステージ・オン・グラナイト方式と統合型グラナイトモーション（IGM）プラットフォームのどちらを選択するかは、選定プロセスの初期段階で決定すべき事項の一つです。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メリットとデメリットがあるため、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をより深く理解するために、機械式ベアリングの事例研究という形で、2つの基本的な直線運動プラットフォーム設計（従来型の花崗岩上ステージ方式とIGM方式）の違いを、技術面と財務面の両方の観点から評価します。

背景

IGMシステムと従来のステージオングラナイトシステムの類似点と相違点を検証するために、2つのテストケース設計を作成しました。

• 機械式ベアリング、花崗岩上のステージ
• 機械式ベアリング、IGM

どちらの場合も、各システムは3つの運動軸で構成されています。Y軸は1000mmの移動範囲を持ち、花崗岩構造物の基部に配置されています。アセンブリのブリッジ上に配置されたX軸は400mmの移動範囲を持ち、100mmの移動範囲を持つ垂直Z軸を支えています。この配置は図で示されています。

花崗岩台座上のステージ設計において、Y軸には、この「Y/XZ分割ブリッジ」構成を採用する多くのモーションアプリケーションで共通して使用される、より大きな耐荷重能力を持つPRO560LMワイドボディステージを選定しました。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を選定しました。PRO280LMは、設置面積と、顧客のペイロードを搭載したZ軸を支える能力との間で、実用的なバランスを実現しています。

IGM設計においては、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、花崗岩上にステージを設置する設計に見られるような機械加工された部品のベースがない点です。

どちらの設計ケースにも共通しているのはZ軸で、PRO190SLボールねじ駆動ステージが採用されています。このステージは、十分な積載容量と比較的コンパクトな形状のため、橋梁の垂直方向で使用される軸として非常に人気があります。

図2は、研究対象とした花崗岩上のステージシステムとIGMシステムについて具体的に示している。

技術比較

IGMシステムは、従来の花崗岩上ステージ設計と同様の様々な技術と構成要素を用いて設計されています。そのため、IGMシステムと花崗岩上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。一方で、動作軸を花崗岩構造に直接組み込むことで、IGMシステムは花崗岩上ステージシステムとは異なるいくつかの特徴を備えています。

フォームファクター

おそらく最も明白な共通点は、機械の基礎となる花崗岩から始まるでしょう。ステージオングラナイト方式とIGM方式では、機能や公差に違いはありますが、花崗岩製のベース、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方式とIGM方式で、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ないため、ステージオングラナイト方式に比べていくつかの利点があります。特に、IGMの構造ループにおける部品点数の削減は、軸全体の剛性向上に貢献します。また、グラナイトベースとキャリッジ上面との距離を短縮することも可能です。この事例研究では、IGM設計により作業面の高さが33%低くなっています（120mmに対し80mm）。この作業面の高さの低減は、よりコンパクトな設計を可能にするだけでなく、モーターとエンコーダーからワークポイントまでの機械オフセットを低減し、アッベ誤差を低減することで、ワークポイントの位置決め性能を向上させます。

軸コンポーネント

設計をさらに詳しく見ていくと、ステージオングラナイト方式とIGM方式は、リニアモーターや位置エンコーダーなど、いくつかの重要な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ーを使用することで、位置決めフィードバックの分解能が同一になります。その結果、ステージオングラナイト方式とIGM方式の間で、直線精度と再現性に大きな違いはありません。ベアリングの間隔や公差など、コンポーネントのレイアウトが類似しているため、幾何学的誤差の動き（水​​平方向と垂直方向の直進性、ピッチ、ロール、ヨー）に関して同等の性能が得られます。最後に、ケーブル管理、電気的リミット、ハードストップなど、両方の設計のサポート要素は、外観は多少異なるかもしれませんが、機能的には基本的に同一です。

ベアリング

この設計において最も注目すべき違いの一つは、リニアガイドベアリングの採用です。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、軸の作業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可能です。IGM設計は、別個の機械加工部品ベースではなく、グラナイトをベースとしているため、機械加工ベースによって占有される垂直方向のスペースを一部再利用でき、グラナイト上のキャリッジ全体の高さを下げつつ、実質的に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。

剛性

IGM設計における大型ベアリングの使用は、角度剛性に大きな影響を与えます。ワイドボディ下部軸（Y軸）の場合、IGMソリューションは、対応するステージオングラナイト設計と比較して、ロール剛性が40%以上、ピッチ剛性が30%、ヨー剛性が20%向上しています。同様に、IGMのブリッジは、ステージオングラナイトの同等品と比較して、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。角度剛性が高いことは、機械のスループット向上に不可欠な動的性能の向上に直接貢献するため、有利です。

耐荷重

IGMソリューションは、大型ベアリングを採用しているため、ステージオングラナイトソリューションよりも大幅に高いペイロード容量を実現しています。ステージオングラナイトソリューションのPRO560LMベース軸の耐荷重は150kgですが、IGMソリューションでは300kgのペイロードに対応可能です。同様に、ステージオングラナイトのPRO280LMブリッジ軸の耐荷重は150kgですが、IGMソリューションのブリッジ軸は最大200kgまで対応できます。

移動する質量

機械式ベアリングを採用したIGM軸は、ベアリングが大きいため、角度特性と耐荷重性能が向上しますが、台車も大型で重くなります。さらに、IGMキャリッジは、ステージオングラナイト軸に必要な（ただしIGM軸には不要な）特定の機械加工部分が省略されており、部品の剛性を高め、製造工程を簡素化しています。これらの要因により、IGM軸は対応するステージオングラナイト軸よりも可動質量が大きくなります。モーター出力が変わらないと仮定すると、IGMの最大加速度は低くなるという明らかな欠点があります。しかし、状況によっては、可動質量が大きい方が有利になる場合もあります。慣性が大きいほど外乱に対する抵抗力が大きくなり、位置決め安定性の向上につながる可能性があるからです。

構造力学

IGMシステムのベアリング剛性が高く、キャリッジの剛性も高いため、有限要素解析（FEA）ソフトウェアパッケージを用いてモード解析を行うと、その利点が明らかになります。本研究では、サーボ帯域幅への影響を考慮して、可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400Hzで共振しますが、対応するIGMキャリッジは同じモードを430Hzで経験します。図3にこの結果を示します。

IGMソリューションの共振周波数が従来の花崗岩製ステージに比べて高いのは、キャリッジとベアリングの設計がより剛性が高いことが一因と考えられます。キャリッジの共振周波数が高いほど、サーボ帯域幅が広がり、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によって発生したものであろうと、機械の環境に存在するものであろうと、軸の密閉性はほぼ常に必須となります。このような状況では、軸が本質的に密閉されているため、ステージ・オン・グラナイト・ソリューションが特に適しています。たとえば、PROシリーズのリニアステージには、内部のステージコンポーネント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、ステージの移動中に上部ハードカバーからゴミを掃き取るオプションのテーブルトップワイパーを取り付けることもできます。一方、IGMモーションプラットフォームは、ベアリング、モーター、エンコーダーが露出しているため、本質的に開放型です。これはクリーンな環境では問題ありませんが、汚染が存在する場合には問題となる可能性があります。この問題に対処するには、IGM軸設計に特殊なベローズ式ウェイカバーを組み込んで、ゴミから保護することができます。しかし、正しく実装されていない場合、ベローズは、キャリッジが全可動範囲を移動する際に外部からの力を加えることで、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

メンテナンスのしやすさは、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大きな違いです。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なものもあり、対象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、より徹底的な分解が必要になる場合もあります。モーションプラットフォームがグラナイト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、メンテナンスは比較的簡単な作業です。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実行してから再度取り付けます。または、単に新しいステージと交換します。

IGMソリューションは、メンテナンスを行う際に、時に困難を伴う場合があります。この例では、リニアモーターの単一のマグネットトラックを交換するの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、軸を構成する多くの、あるいはすべてのコンポーネントを完全に分解する必要があり、コンポーネントが花崗岩に直接取り付けられている場合は、より多くの時間を要します。また、メンテナンス後に花崗岩ベースの軸を互いに再調整することも難しく、これは個別のステージを使用する場合よりもはるかに容易な作業です。

表1．花崗岩上の機械式支保工法とIGM工法の基本的な技術的相違点の概要。

経済比較

モーションシステムの絶対的なコストは、移動距離、軸精度、耐荷重、動的性能など、いくつかの要因によって変動しますが、本研究で実施した類似の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システムよりもやや低いコストで中～高精度のモーションを提供できることが示唆されます。

当社の経済分析は、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、および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。

機械部品

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と比較して、機械部品の面で顕著なコスト削減を実現します。これは主に、IGMではY軸とX軸に複雑な加工を施したステージベースが不要であるためです。ステージオングラナイトソリューションでは、これらのベースが複雑さとコストを増大させています。さらに、IGMソリューションでは、可動キャリッジなどの他の加工部品も比較的簡素化できるため、コスト削減につながります。可動キャリッジは、IGMシステムで使用するために設計される場合、よりシンプルな形状とやや緩やかな公差で済むからです。

花崗岩製アセンブリ

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いて、花崗岩製のベース・ライザー・ブリッジアセンブリは形状や外観が似ているように見えますが、IGMシステムの花崗岩アセンブリの方がわずかに高価です。これは、IGMシステムの花崗岩がステージ・オン・グラナイトシステムにおける機械加工されたステージベースの代わりとなるため、花崗岩の重要な部分で一般的に厳しい公差が求められ、押し出し加工やねじ込み鋼製インサートなどの追加機能が必要となるためです。しかし、今回のケーススタディでは、花崗岩構造の複雑さが増す分、機械加工部品の簡素化によって十分に相殺されています。

労務費および間接費

IGMシステムとステージオングラナイトシステムは、組み立てとテストの手順に多くの類似点があるため、人件費や間接費に大きな差はありません。

これらのコスト要因をすべて考慮すると、本研究で検討した特定の機械式ベアリングを用いたIGMソリューションは、機械式ベアリングを用いた花崗岩上ステージソリューションよりも約15%コストが低いことがわかります。

もちろん、経済分析の結果は、移動距離、精度、積載量といった属性だけでなく、花崗岩供給業者の選定といった要素にも左右されます。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、あらゆる規模のシステムに当てはまりますが、最終的なシステム組立場所に近い、信頼できる花崗岩供給業者を選ぶことで、コストを最小限に抑えることができます。

また、この分析では導入後のコストは考慮されていない点にも留意すべきである。例えば、モーションシステムの軸を修理または交換して保守する必要が生じたとしよう。ステージオングラナイトシステムの場合、影響を受ける軸を取り外して修理または交換するだけで保守が可能である。ステージスタイルのモジュール式設計のため、初期システムコストは高いものの、比較的容易かつ迅速に保守を行うことができる。IGMシステムは一般的にステージオングラナイトシステムよりも低コストで入手できるが、構造が一体化しているため、分解や保守がより困難になる場合がある。

結論

ステージオングラナイトとIGMという、それぞれのモーションプラットフォーム設計には、それぞれ異なる利点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とってどちらが最適な選択肢であるかは、必ずしも明確ではありません。そのため、Aerotechのような、アプリケーションに特化し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自動化アプリケーションに対するソリューションの代替案を検討し、貴重な洞察を提供する、経験豊富なモーションおよび自動化システムサプライヤーと提携することが非常に有益です。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上での成功の鍵となります。

AEROTECH社より。