Der Unterschied zwischen Bühnen-auf-Granit- und integrierten Granit-Bewegungssystemen

Die Auswahl der am besten geeigneten linearen Bewegungsplattform auf Granitbasis für eine bestimmte Anwendung hängt von einer Vielzahl von Faktoren und Variablen ab. Es ist entscheidend zu erkennen, dass jede Anwendung ihre eigenen, spezifischen Anforderungen hat, die verstanden und priorisiert werden müssen, um eine effektive Lösung im Hinblick auf eine Bewegungsplattform zu erzielen.

Eine der gängigsten Lösungen besteht darin, einzelne Positioniertische auf einer Granitstruktur zu montieren. Eine andere verbreitete Lösung integriert die Komponenten der Bewegungsachsen direkt in den Granit selbst. Die Entscheidung zwischen einer Positioniertisch-auf-Granit und einer integrierten Granitbewegungsplattform (IGM) gehört zu den ersten Entscheidungen im Auswahlprozess. Es gibt deutliche Unterschiede zwischen beiden Lösungsarten, und natürlich hat jede ihre eigenen Vorzüge – und Einschränkungen –, die sorgfältig verstanden und abgewogen werden müssen.

Um einen besseren Einblick in diesen Entscheidungsprozess zu ermöglichen, bewerten wir die Unterschiede zwischen zwei grundlegenden Konstruktionen von Linearbewegungsplattformen – einer traditionellen Bühnen-auf-Granit-Lösung und einer IGM-Lösung – sowohl aus technischer als auch aus finanzieller Sicht in Form einer Fallstudie mit mechanischen Lagern.

Hintergrund

Um die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen IGM-Systemen und traditionellen Stufen-auf-Granit-Systemen zu untersuchen, haben wir zwei Testfalldesigns erstellt:

• Mechanisches Lager, Stufe auf Granit
• Mechanisches Lager, IGM

In beiden Fällen besteht jedes System aus drei Bewegungsachsen. Die Y-Achse bietet einen Verfahrweg von 1000 mm und befindet sich am Sockel der Granitstruktur. Die X-Achse, die sich auf der Brücke der Konstruktion befindet und einen Verfahrweg von 400 mm aufweist, trägt die vertikale Z-Achse mit einem Verfahrweg von 100 mm. Diese Anordnung ist bildlich dargestellt.

Für die Konstruktion mit Granitplattform wählten wir für die Y-Achse einen PRO560LM Breitkörper-Tisch aufgrund seiner höheren Tragfähigkeit, die bei vielen Bewegungsanwendungen mit dieser „Y/XZ-Split-Bridge“-Anordnung üblich ist. Für die X-Achse entschieden wir uns für einen PRO280LM, der häufig als Brückenachse eingesetzt wird. Der PRO280LM bietet ein optimales Verhältnis zwischen seiner Stellfläche und seiner Fähigkeit, eine Z-Achse mit Kundenlast zu tragen.

Für die IGM-Konstruktionen haben wir die grundlegenden Konstruktionskonzepte und Layouts der oben genannten Achsen genau nachgebildet. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die IGM-Achsen direkt in die Granitstruktur eingebaut sind und daher die bei den auf Granit stehenden Gerüsten vorhandenen maschinell gefertigten Basiselemente nicht besitzen.

Gemeinsames Merkmal beider Konstruktionen ist die Z-Achse, die als PRO190SL-Kugelgewindetrieb ausgeführt ist. Diese Achse ist aufgrund ihrer hohen Tragfähigkeit und relativ kompakten Bauform besonders für die vertikale Ausrichtung auf Brücken geeignet.

Abbildung 2 veranschaulicht die untersuchten spezifischen Stufen-auf-Granit- und IGM-Systeme.

Technischer Vergleich

IGM-Systeme werden mithilfe verschiedener Techniken und Komponenten konstruiert, die denen traditioneller Bühnenkonstruktionen auf Granit ähneln. Daher weisen IGM-Systeme und Bühnenkonstruktionen zahlreiche technische Gemeinsamkeiten auf. Die direkte Integration der Bewegungsachsen in die Granitstruktur bietet jedoch einige charakteristische Merkmale, die IGM-Systeme von Bühnenkonstruktionen auf Granit unterscheiden.

Formfaktor

Die wohl offensichtlichste Ähnlichkeit beginnt mit dem Fundament der Maschine – dem Granit. Obwohl es Unterschiede in den Merkmalen und Toleranzen zwischen den Konstruktionen mit Granitfundament und den IGM-Systemen gibt, sind die Gesamtabmessungen des Granitfundaments, der Steigleitungen und der Brücke identisch. Dies liegt vor allem daran, dass die Nenn- und Grenzverfahrwege bei beiden Systemen gleich sind.

Konstruktion

Der Verzicht auf gefräste Achsbasen im IGM-Design bietet gegenüber Lösungen mit Granitplattform gewisse Vorteile. Insbesondere die Reduzierung der Bauteile im Strukturring des IGM trägt zur Erhöhung der Gesamtsteifigkeit der Achse bei. Zudem ermöglicht sie einen geringeren Abstand zwischen der Granitplattform und der Oberseite des Schlittens. In dieser Fallstudie bietet das IGM-Design eine um 33 % niedrigere Arbeitshöhe (80 mm gegenüber 120 mm). Diese geringere Arbeitshöhe ermöglicht nicht nur eine kompaktere Bauweise, sondern reduziert auch die Maschinenabweichungen zwischen Motor und Encoder zum Werkstück. Dies führt zu geringeren Abbe-Fehlern und somit zu einer verbesserten Positioniergenauigkeit am Werkstück.

Achsenkomponenten

Bei genauerer Betrachtung des Designs zeigen die Lösungen mit Granitplattform und IGM einige gemeinsame Schlüsselkomponenten, wie z. B. Linearmotoren und Positionsgeber. Die Verwendung derselben Kraftgeber und Magnetschienen führt zu vergleichbaren Kraftabgabefähigkeiten. Ebenso gewährleistet die Verwendung derselben Geber in beiden Systemen eine identisch hohe Auflösung für die Positionsrückmeldung. Daher unterscheiden sich die lineare Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit zwischen den Lösungen mit Granitplattform und IGM nicht wesentlich. Die ähnliche Komponentenanordnung, einschließlich Lagerabstand und Toleranzen, führt zu vergleichbaren Ergebnissen hinsichtlich geometrischer Bewegungsfehler (d. h. horizontale und vertikale Geradheit, Nick-, Roll- und Gierwinkel). Schließlich sind die unterstützenden Elemente beider Systeme, einschließlich Kabelmanagement, elektrische Endschalter und Anschläge, in ihrer Funktion grundsätzlich identisch, auch wenn sie sich im Aussehen geringfügig unterscheiden können.

Lager

Bei dieser Konstruktion liegt einer der größten Unterschiede in der Wahl der Linearführungslager. Obwohl sowohl bei Systemen mit Granitplattform als auch bei IGM-Systemen Kugelumlauflager zum Einsatz kommen, ermöglicht das IGM-System den Einsatz größerer, steiferer Lager, ohne die Arbeitshöhe der Achse zu erhöhen. Da die IGM-Konstruktion auf der Granitplattform selbst ruht und nicht auf einem separaten, bearbeiteten Sockel, kann ein Teil des sonst für einen solchen Sockel benötigten vertikalen Raums genutzt und mit größeren Lagern ausgefüllt werden, wodurch die Gesamthöhe des Schlittens über der Granitplattform reduziert wird.

Steifheit

Der Einsatz größerer Lager im IGM-Design hat einen erheblichen Einfluss auf die Winkelsteifigkeit. Bei der breiten unteren Achse (Y) bietet die IGM-Lösung eine um über 40 % höhere Rollsteifigkeit, eine um 30 % höhere Nicksteifigkeit und eine um 20 % höhere Giersteifigkeit als eine vergleichbare Konstruktion mit Granitplattform. Auch die Brücke des IGM bietet eine vierfach höhere Rollsteifigkeit, eine doppelt so hohe Nicksteifigkeit und eine um mehr als 30 % höhere Giersteifigkeit als die entsprechende Granitplattform. Eine höhere Winkelsteifigkeit ist vorteilhaft, da sie direkt zu einer verbesserten Dynamik beiträgt, die wiederum entscheidend für einen höheren Maschinendurchsatz ist.

Tragfähigkeit

Die größeren Lager der IGM-Lösung ermöglichen eine deutlich höhere Nutzlastkapazität als eine Plattform auf Granit. Während die Basisachse PRO560LM der Plattform auf Granit eine Tragfähigkeit von 150 kg aufweist, kann die entsprechende IGM-Lösung eine Nutzlast von 300 kg aufnehmen. Ebenso trägt die Brückenachse PRO280LM der Plattform auf Granit 150 kg, während die Brückenachse der IGM-Lösung bis zu 200 kg tragen kann.

Bewegte Masse

Die größeren Lager der mechanisch gelagerten IGM-Achsen bieten zwar bessere Winkelperformance und höhere Tragfähigkeit, erfordern aber auch größere und schwerere Laufwagen. Zudem sind die IGM-Schlitten so konstruiert, dass bestimmte Bearbeitungsmerkmale, die für eine Tisch-auf-Granit-Achse notwendig sind (aber für eine IGM-Achse nicht erforderlich sind), wegfallen, um die Bauteilsteifigkeit zu erhöhen und die Fertigung zu vereinfachen. Dadurch hat die IGM-Achse eine größere bewegte Masse als eine entsprechende Tisch-auf-Granit-Achse. Ein unbestreitbarer Nachteil ist die geringere maximale Beschleunigung der IGM-Achse, vorausgesetzt, die Motorleistung bleibt unverändert. In bestimmten Situationen kann eine größere bewegte Masse jedoch von Vorteil sein, da ihre größere Trägheit eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Störungen bietet, was mit einer erhöhten Positionsstabilität einhergehen kann.

Strukturdynamik

Die höhere Lagersteifigkeit und der steifere Schlitten des IGM-Systems bieten zusätzliche Vorteile, die sich nach Durchführung einer Modalanalyse mit einer Finite-Elemente-Analyse-Software (FEA) zeigen. In dieser Studie untersuchten wir die erste Resonanz des beweglichen Schlittens aufgrund ihres Einflusses auf die Servobandbreite. Der PRO560LM-Schlitten weist eine Resonanz bei 400 Hz auf, während der entsprechende IGM-Schlitten die gleiche Resonanz bei 430 Hz zeigt. Abbildung 3 veranschaulicht dieses Ergebnis.

Die höhere Resonanz der IGM-Lösung im Vergleich zur herkömmlichen Granit-Bohrbühne lässt sich unter anderem auf die steifere Konstruktion des Schlittens und der Lager zurückführen. Eine höhere Schlittenresonanz ermöglicht eine größere Servobandbreite und somit ein verbessertes dynamisches Verhalten.

Betriebsumgebung

Die Abdichtung der Achse ist fast immer unerlässlich, wenn Verunreinigungen vorhanden sind, egal ob diese durch den Prozess des Anwenders entstehen oder anderweitig in der Maschinenumgebung vorhanden sind. Lösungen mit Granitplattformen eignen sich in solchen Fällen besonders gut, da die Achse von Natur aus geschlossen ist. Lineartische der PRO-Serie sind beispielsweise mit Hartabdeckungen und Seitendichtungen ausgestattet, die die internen Komponenten des Tisches in angemessenem Maße vor Verunreinigungen schützen. Diese Tische können optional mit Tischabstreifern ausgestattet werden, die während der Verfahrbewegung Ablagerungen von der oberen Hartabdeckung entfernen. IGM-Bewegungsplattformen hingegen sind von Natur aus offen, sodass Lager, Motoren und Encoder freiliegen. In sauberen Umgebungen ist dies zwar kein Problem, kann aber bei Verunreinigungen problematisch sein. Dieses Problem lässt sich durch die Integration einer speziellen Balgabdeckung in die IGM-Achsenkonstruktion beheben, die Schutz vor Verunreinigungen bietet. Wird der Balg jedoch nicht korrekt implementiert, kann er die Achsenbewegung negativ beeinflussen, indem er während des gesamten Verfahrwegs externe Kräfte auf den Schlitten ausübt.

Wartung

Die Wartungsfreundlichkeit ist ein Unterscheidungsmerkmal zwischen Tisch-auf-Granit- und IGM-Bewegungsplattformen. Linearmotorachsen sind für ihre Robustheit bekannt, dennoch ist gelegentlich eine Wartung erforderlich. Manche Wartungsarbeiten sind relativ einfach und können ohne Demontage der betreffenden Achse durchgeführt werden, andere erfordern eine umfassendere Demontage. Besteht die Bewegungsplattform aus einzelnen, auf Granit montierten Tischen, gestaltet sich die Wartung vergleichsweise unkompliziert. Zunächst wird der Tisch von der Granitplatte demontiert, die notwendigen Wartungsarbeiten werden durchgeführt und der Tisch anschließend wieder montiert. Alternativ kann er auch einfach durch einen neuen Tisch ersetzt werden.

Die Wartung von IGM-Lösungen kann mitunter anspruchsvoller sein. Zwar lässt sich in diesem Fall die Magnetschiene des Linearmotors relativ einfach austauschen, doch komplexere Wartungs- und Reparaturarbeiten erfordern oft die vollständige Demontage vieler oder aller Achsenkomponenten. Dies ist zeitaufwändiger, wenn die Komponenten direkt auf Granit montiert sind. Auch die Neuausrichtung der auf Granit basierenden Achsen nach der Wartung gestaltet sich schwieriger – eine Aufgabe, die bei diskreten Stufen deutlich einfacher ist.

Tabelle 1. Eine Zusammenfassung der grundlegenden technischen Unterschiede zwischen mechanisch gelagerten Stufen auf Granit und IGM-Lösungen.

Wirtschaftlicher Vergleich

Während die absoluten Kosten eines jeden Bewegungssystems je nach verschiedenen Faktoren wie Verfahrweg, Achsengenauigkeit, Tragfähigkeit und dynamischen Fähigkeiten variieren, legen die relativen Vergleiche analoger IGM- und Tisch-auf-Granit-Bewegungssysteme, die in dieser Studie durchgeführt wurden, nahe, dass IGM-Lösungen in der Lage sind, Bewegungen mittlerer bis hoher Präzision zu etwas niedrigeren Kosten als ihre Tisch-auf-Granit-Pendants zu bieten.

Unsere Wirtschaftlichkeitsanalyse besteht aus drei grundlegenden Kostenkomponenten: Maschinenteile (einschließlich sowohl gefertigter als auch zugekaufter Teile), die Granitmontage sowie Arbeits- und Gemeinkosten.

Maschinenteile

Eine IGM-Lösung bietet im Vergleich zu einer Tisch-auf-Granit-Lösung erhebliche Einsparungen bei den Maschinenteilen. Dies liegt vor allem daran, dass die IGM-Lösung keine aufwendig bearbeiteten Tischbasen in Y- und X-Richtung benötigt, welche die Komplexität und Kosten der Tisch-auf-Granit-Lösungen erhöhen. Weitere Kosteneinsparungen ergeben sich aus der relativen Vereinfachung anderer bearbeiteter Teile der IGM-Lösung, wie beispielsweise der beweglichen Schlitten. Diese können einfachere Strukturen und etwas größere Toleranzen aufweisen, wenn sie für den Einsatz in einem IGM-System ausgelegt sind.

Granit-Baugruppen

Obwohl die Granitsockel-Steg-Brücken-Baugruppen sowohl im IGM- als auch im Bühnen-auf-Granit-System eine ähnliche Form und ein ähnliches Erscheinungsbild aufweisen, ist die Granitbaugruppe des IGM-Systems geringfügig teurer. Dies liegt daran, dass der Granit im IGM-System die bearbeiteten Bühnensockel des Bühnen-auf-Granit-Systems ersetzt. Dadurch muss der Granit in kritischen Bereichen engere Toleranzen aufweisen und gegebenenfalls zusätzliche Merkmale wie beispielsweise extrudierte Schnitte und/oder Gewindeeinsätze aus Stahl aufweisen. In unserer Fallstudie wird die zusätzliche Komplexität der Granitstruktur jedoch durch die Vereinfachung der Maschinenteile mehr als kompensiert.

Arbeitskosten und Gemeinkosten

Aufgrund der vielen Ähnlichkeiten beim Aufbau und der Prüfung sowohl des IGM- als auch des Stage-on-Granite-Systems gibt es keinen signifikanten Unterschied bei den Arbeits- und Gemeinkosten.

Unter Berücksichtigung all dieser Kostenfaktoren ist die in dieser Studie untersuchte spezifische IGM-Lösung mit mechanischer Lagerung etwa 15 % kostengünstiger als die Lösung mit mechanischer Lagerung und Stufenfundament auf Granit.

Die Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsanalyse hängen natürlich nicht nur von Merkmalen wie Transportlänge, Präzision und Tragfähigkeit ab, sondern auch von Faktoren wie der Wahl des Granitlieferanten. Darüber hinaus sollten die Transport- und Logistikkosten für die Beschaffung einer Granitkonstruktion berücksichtigt werden. Insbesondere bei sehr großen Granitsystemen, aber auch für alle anderen Größen, kann die Wahl eines qualifizierten Granitlieferanten in der Nähe des Montageorts die Kosten minimieren.

Es ist außerdem zu beachten, dass diese Analyse die Kosten nach der Implementierung nicht berücksichtigt. Angenommen, es wird beispielsweise notwendig, das Bewegungssystem durch Reparatur oder Austausch einer Bewegungsachse zu warten. Bei einem Bühnensystem auf Granitplatte kann die Wartung durch einfaches Entfernen und Reparieren/Austauschen der betroffenen Achse durchgeführt werden. Dank der modulareren Bühnenbauweise ist dies trotz der höheren Anschaffungskosten relativ einfach und schnell möglich. Obwohl IGM-Systeme im Allgemeinen kostengünstiger als ihre Bühnensystem-Pendants auf Granitplatte sind, kann ihre Demontage und Wartung aufgrund der integrierten Bauweise aufwendiger sein.

Abschluss

Beide Arten von Bewegungsplattformen – Bühnenplattformen auf Granitbasis und IGM – bieten jeweils spezifische Vorteile. Die optimale Lösung für eine bestimmte Bewegungsanwendung ist jedoch nicht immer offensichtlich. Daher ist die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Anbieter von Bewegungs- und Automatisierungssystemen wie Aerotech von großem Vorteil. Aerotech verfolgt einen anwendungsorientierten, beratenden Ansatz, um wertvolle Einblicke in alternative Lösungen für anspruchsvolle Bewegungssteuerungs- und Automatisierungsanwendungen zu gewinnen. Das Verständnis der Unterschiede zwischen den beiden Automatisierungslösungen sowie der grundlegenden Problemstellungen, die sie lösen sollen, ist der Schlüssel zum Erfolg bei der Auswahl eines Bewegungssystems, das sowohl die technischen als auch die finanziellen Ziele des Projekts erfüllt.

Von AEROTECH.