Der Unterschied zwischen Stage-on-Granite- und integrierten Granit-Bewegungssystemen

Die Auswahl der am besten geeigneten Linearbewegungsplattform auf Granitbasis für eine bestimmte Anwendung hängt von einer Vielzahl von Faktoren und Variablen ab. Es ist wichtig zu erkennen, dass jede Anwendung ihre eigenen Anforderungen hat, die verstanden und priorisiert werden müssen, um eine effektive Lösung in Bezug auf eine Bewegungsplattform zu finden.

Eine der gängigsten Lösungen besteht darin, einzelne Positioniertische auf einer Granitstruktur zu montieren. Eine andere gängige Lösung integriert die Komponenten der Bewegungsachsen direkt in den Granit. Die Wahl zwischen einer Plattform auf Granit und einer Plattform mit integrierter Granitbewegung (IGM) ist eine der ersten Entscheidungen im Auswahlprozess. Es gibt klare Unterschiede zwischen beiden Lösungstypen, und natürlich hat jeder seine eigenen Vorzüge – und Nachteile –, die sorgfältig verstanden und berücksichtigt werden müssen.

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

Hintergrund

Um die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen IGM-Systemen und herkömmlichen Stage-on-Granite-Systemen zu untersuchen, haben wir zwei Testfalldesigns erstellt:

• Mechanische Lagerung, Bühne auf Granit
• Mechanisches Lager, IGM

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

Für die Tisch-auf-Granit-Konstruktion wählten wir für die Y-Achse einen PRO560LM Widebody-Tisch aufgrund seiner höheren Tragfähigkeit, die für viele Bewegungsanwendungen mit dieser „Y/XZ-Split-Bridge“-Anordnung üblich ist. Für die X-Achse wählten wir einen PRO280LM, der in vielen Anwendungen als Brückenachse eingesetzt wird. Der PRO280LM bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Stellfläche und der Fähigkeit, eine Z-Achse mit Kundennutzlast zu tragen.

Für die IGM-Designs haben wir die grundlegenden Designkonzepte 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 in den Stage-on-Granit-Designs vorhandenen Basen aus bearbeiteten Komponenten fehlen.

Beiden Konstruktionsvarianten gemeinsam ist die Z-Achse, für die ein PRO190SL-Tisch mit Kugelumlaufspindel gewählt wurde. Diese Achse wird aufgrund ihrer großzügigen Nutzlastkapazität und ihres relativ kompakten Formfaktors sehr gerne in vertikaler Ausrichtung auf einer Brücke eingesetzt.

Abbildung 2 veranschaulicht die untersuchten spezifischen Stage-on-Granite- und IGM-Systeme.

Technischer Vergleich

IGM-Systeme werden mit einer Vielzahl von Techniken und Komponenten konstruiert, die denen traditioneller Stage-on-Granite-Systeme ähneln. Daher weisen IGM-Systeme und Stage-on-Granite-Systeme zahlreiche technische Gemeinsamkeiten auf. Umgekehrt bietet die direkte Integration der Bewegungsachsen in die Granitstruktur mehrere Unterscheidungsmerkmale, die IGM-Systeme von Stage-on-Granite-Systemen unterscheiden.

Formfaktor

Die vielleicht offensichtlichste Ähnlichkeit beginnt mit dem Fundament der Maschine – dem Granit. Obwohl es Unterschiede in den Merkmalen und Toleranzen zwischen Stage-on-Granite- und IGM-Konstruktionen gibt, sind die Gesamtabmessungen von Granitbasis, Steigleitungen und Brücke identisch. Dies liegt vor allem daran, dass die Nenn- und Grenzwege bei Stage-on-Granite- und IGM-Konstruktionen identisch sind.

Konstruktion

Der Verzicht auf bearbeitete Achsbasen im IGM-Design bietet gegenüber Tisch-auf-Granit-Lösungen gewisse Vorteile. Insbesondere die Reduzierung der Komponenten im Strukturkreis des IGM trägt zu einer höheren Gesamtachsensteifigkeit bei. Zudem ermöglicht sie einen kürzeren Abstand zwischen der Granitbasis und der Schlittenoberfläche. In dieser Fallstudie bietet das IGM-Design eine um 33 % geringere Arbeitsflächenhöhe (80 mm gegenüber 120 mm). Diese geringere Arbeitshöhe ermöglicht nicht nur ein kompakteres Design, sondern reduziert auch den Maschinenversatz zwischen Motor und Encoder und dem Arbeitspunkt, was zu geringeren Abbe-Fehlern und somit einer verbesserten Arbeitspunktpositionierung führt.

Achsenkomponenten

Bei genauerer Betrachtung des Designs weisen die Stage-on-Granite- und IGM-Lösungen einige gemeinsame Schlüsselkomponenten auf, z. B. Linearmotoren und Positionsgeber. Die gleiche Auswahl an Treibern und Magnetspuren führt zu gleichwertigen Kraftabgabekapazitäten. Ebenso bietet die Verwendung derselben Encoder in beiden Designs eine identisch feine Auflösung für die Positionsrückmeldung. Infolgedessen unterscheiden sich die lineare Genauigkeit und Wiederholbarkeit zwischen Stage-on-Granite- und IGM-Lösungen nicht signifikant. Eine ähnliche Komponentenanordnung, einschließlich Lagerabstand und Toleranzen, führt zu einer vergleichbaren Leistung hinsichtlich geometrischer Fehlerbewegungen (d. h. horizontale und vertikale Geradheit, Nicken, Rollen und Gieren). Schließlich sind die unterstützenden Elemente beider Designs, einschließlich Kabelmanagement, elektrische Begrenzungen und Festanschläge, in ihrer Funktion grundsätzlich identisch, obwohl sie sich im physischen Erscheinungsbild etwas unterscheiden können.

Lager

Einer der auffälligsten Unterschiede bei diesem speziellen Design ist die Auswahl der Linearführungslager. Obwohl sowohl bei Stage-on-Granite- als auch bei IGM-Systemen Kugelumlauflager zum Einsatz kommen, ermöglicht das IGM-System die Integration größerer, steiferer Lager in das Design, ohne die Arbeitshöhe der Achsen zu erhöhen. Da das IGM-Design auf Granit als Basis und nicht auf einer separaten Basis aus bearbeiteten Komponenten basiert, kann ein Teil des vertikalen Platzes, der sonst von einer bearbeiteten Basis eingenommen würde, zurückgewonnen und mit größeren Lagern gefüllt werden, während gleichzeitig die Gesamthöhe des Schlittens über dem Granit reduziert wird.

Steifheit

Der Einsatz größerer Lager im IGM-Design hat einen erheblichen Einfluss auf die Winkelsteifigkeit. Im Fall der Widebody-Unterachse (Y) bietet die IGM-Lösung eine um über 40 % höhere Rollsteifigkeit, eine um 30 % höhere Nicksteifigkeit und eine um 20 % höhere Giersteifigkeit als eine entsprechende Stage-on-Granite-Konstruktion. Ebenso bietet die Brücke des IGM eine vierfach höhere Rollsteifigkeit, eine doppelt so hohe Nicksteifigkeit und eine um über 30 % höhere Giersteifigkeit als ihr Stage-on-Granite-Pendant. Eine höhere Winkelsteifigkeit ist vorteilhaft, da sie direkt zu einer verbesserten dynamischen Leistung beiträgt, die wiederum entscheidend für einen höheren Maschinendurchsatz ist.

Tragfähigkeit

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

Bewegte Masse

Die größeren Lager in den mechanisch gelagerten IGM-Achsen bieten zwar bessere Winkeleigenschaften und eine höhere Tragfähigkeit, sind aber auch mit größeren, schwereren Schlitten ausgestattet. Zudem sind die IGM-Schlitten so konstruiert, dass bestimmte für eine Stage-on-Granite-Achse notwendige (aber bei einer IGM-Achse nicht erforderliche) Bearbeitungsfunktionen entfernt wurden, um die Teilesteifigkeit zu erhöhen und die Herstellung zu vereinfachen. Diese Faktoren bedeuten, dass die IGM-Achse eine größere bewegte Masse hat als eine entsprechende Stage-on-Granite-Achse. Ein unbestreitbarer Nachteil ist die geringere maximale Beschleunigung des IGM, vorausgesetzt, die Motorleistung bleibt unverändert. Dennoch kann eine größere bewegte Masse in bestimmten Situationen von Vorteil sein, da ihre größere Trägheit eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Störungen bietet, was wiederum mit einer erhöhten Positionsstabilität korrelieren kann.

Strukturdynamik

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

Die höhere Resonanz der IGM-Lösung im Vergleich zur herkömmlichen Tisch-auf-Granit-Lösung ist teilweise auf die steifere Schlitten- und Lagerkonstruktion zurückzuführen. Eine höhere Schlittenresonanz ermöglicht eine größere Servobandbreite und damit eine verbesserte dynamische Leistung.

Betriebsumgebung

Die Abdichtung der Achse ist fast immer zwingend erforderlich, wenn Verunreinigungen vorhanden sind, sei es durch den Prozess des Anwenders oder anderweitig in der Maschinenumgebung vorhanden. Lösungen mit Tisch auf Granit eignen sich in diesen Situationen aufgrund der inhärent geschlossenen Achse besonders gut. Lineartische der PRO-Serie sind beispielsweise mit Hartabdeckungen und Seitendichtungen ausgestattet, die die inneren Tischkomponenten weitgehend vor Verunreinigungen schützen. Diese Tische können optional mit Tischplattenwischern ausgestattet werden, um während der Bewegung des Tisches Schmutz von der Hartabdeckung zu entfernen. IGM-Bewegungsplattformen hingegen sind von Natur aus offen, mit freiliegenden Lagern, Motoren und Encodern. Obwohl dies in saubereren Umgebungen kein Problem darstellt, kann es bei Verunreinigungen problematisch werden. Dieses Problem lässt sich durch die Integration einer speziellen Balgführungsabdeckung in die IGM-Achsenkonstruktion lösen, die Schutz vor Verunreinigungen bietet. Bei unsachgemäßer Ausführung kann der Balg jedoch die Bewegung der Achse negativ beeinflussen, indem er externe Kräfte auf den Schlitten über den gesamten Verfahrbereich ausübt.

Wartung

Die Wartungsfreundlichkeit ist ein Unterscheidungsmerkmal zwischen Tischen auf Granit und IGM-Bewegungsplattformen. Linearmotorachsen sind für ihre Robustheit bekannt, dennoch sind manchmal Wartungsarbeiten notwendig. Manche Wartungsarbeiten sind relativ einfach und können ohne Ausbau oder Demontage der betreffenden Achse durchgeführt werden, manchmal ist jedoch eine gründlichere Demontage erforderlich. Wenn die Bewegungsplattform aus einzelnen Tischen besteht, die auf Granit montiert sind, ist die Wartung relativ unkompliziert. Zuerst wird der Tisch vom Granit abmontiert, anschließend werden die erforderlichen Wartungsarbeiten durchgeführt und anschließend wieder montiert. Alternativ kann er einfach durch einen neuen Tisch ersetzt werden.

IGM-Lösungen können bei der Wartung manchmal anspruchsvoller sein. Obwohl der Austausch einer einzelnen Magnetspur des Linearmotors in diesem Fall sehr einfach ist, erfordern kompliziertere Wartungs- und Reparaturarbeiten oft die vollständige Demontage vieler oder aller Komponenten der Achse, was bei direkt auf Granit montierten Komponenten zeitaufwändiger ist. Außerdem ist es nach der Wartung schwieriger, die granitbasierten Achsen neu zueinander auszurichten – eine Aufgabe, die bei diskreten Verstellern deutlich einfacher ist.

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

Wirtschaftlicher Vergleich

Während die absoluten Kosten eines Bewegungssystems von mehreren Faktoren abhängig sind, darunter Verfahrweg, Achsenpräzision, Tragfähigkeit und dynamische Fähigkeiten, deuten die in dieser Studie durchgeführten relativen Vergleiche analoger IGM- und Stage-on-Granite-Bewegungssysteme darauf hin, dass IGM-Lösungen Bewegungen mittlerer bis hoher Präzision zu etwas geringeren Kosten als ihre Stage-on-Granite-Gegenstücke ermöglichen.

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

Maschinenteile

Eine IGM-Lösung bietet im Vergleich zu einer Plattform-auf-Granit-Lösung erhebliche Einsparungen bei den Maschinenteilen. Dies liegt vor allem daran, dass IGMs keine aufwendig bearbeiteten Tischbasen auf der Y- und X-Achse aufweisen, die die Komplexität und Kosten von Plattform-auf-Granit-Lösungen erhöhen. Weitere Kosteneinsparungen sind auf die relative Vereinfachung anderer bearbeiteter Teile der IGM-Lösung zurückzuführen, wie beispielsweise der beweglichen Schlitten, die bei der Auslegung für den Einsatz in einem IGM-System einfachere Merkmale und etwas geringere Toleranzen aufweisen können.

Granitbaugruppen

Obwohl die Granitsockel-Steigrohr-Brücken-Baugruppen sowohl im IGM- als auch im Bühnen-auf-Granit-System einen ähnlichen Formfaktor und ein ähnliches Erscheinungsbild aufweisen, ist die IGM-Granitbaugruppe geringfügig teurer. Dies liegt daran, dass der Granit in der IGM-Lösung die bearbeiteten Bühnensockel in der Bühnen-auf-Granit-Lösung ersetzt, was in kritischen Bereichen generell engere Toleranzen und sogar zusätzliche Merkmale wie beispielsweise extrudierte Schnitte und/oder Gewindeeinsätze aus Stahl erfordert. In unserer Fallstudie wird die zusätzliche Komplexität der Granitstruktur jedoch durch die Vereinfachung der Maschinenteile mehr als ausgeglichen.

Arbeits- und Gemeinkosten

Aufgrund der vielen Ähnlichkeiten bei der Montage und Prüfung der IGM- und Stage-on-Granite-Systeme gibt es keinen signifikanten Unterschied bei den Arbeits- und Gemeinkosten.

Wenn alle diese Kostenfaktoren berücksichtigt werden, ist die in dieser Studie untersuchte spezielle IGM-Lösung mit mechanischer Lagerung etwa 15 % weniger kostspielig als die Lösung mit mechanischer Lagerung und Bühne auf Granit.

Die Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsanalyse hängen natürlich nicht nur von Eigenschaften wie Verfahrweg, Präzision und Tragfähigkeit ab, sondern auch von Faktoren wie der Wahl des Granitlieferanten. Darüber hinaus ist es ratsam, die mit der Beschaffung einer Granitstruktur verbundenen Versand- und Logistikkosten zu berücksichtigen. Besonders hilfreich bei sehr großen Granitsystemen, aber auch bei allen Größen, kann die Wahl eines qualifizierten Granitlieferanten in der Nähe des Endmontagestandorts zur Kostenminimierung beitragen.

Es ist außerdem zu beachten, dass diese Analyse die nachträglichen Kosten nicht berücksichtigt. Nehmen wir beispielsweise an, dass eine Wartung des Bewegungssystems durch Reparatur oder Austausch einer Bewegungsachse erforderlich ist. Ein System mit Bühnenkonstruktion kann durch einfaches Entfernen und Reparieren/Austauschen der betroffenen Achse gewartet werden. Aufgrund des modulareren Bühnendesigns ist dies trotz der höheren Anschaffungskosten relativ einfach und schnell möglich. Obwohl IGM-Systeme im Allgemeinen günstiger sind als ihre Pendants mit Bühnenkonstruktion, können ihre Demontage und Wartung aufgrund ihrer integrierten Konstruktion schwieriger sein.

Abschluss

Natürlich bietet jede Art von Bewegungsplattform – Stage-on-Granite und IGM – individuelle Vorteile. Es ist jedoch nicht immer offensichtlich, welche für eine bestimmte Bewegungsanwendung die beste Wahl ist. Daher ist es äußerst vorteilhaft, mit einem erfahrenen Anbieter von Bewegungs- und Automatisierungssystemen wie Aerotech zusammenzuarbeiten, der einen anwendungsorientierten, beratenden Ansatz bietet, um Lösungsalternativen für anspruchsvolle Bewegungssteuerungs- und Automatisierungsanwendungen zu erkunden und wertvolle Einblicke zu gewinnen. Das Verständnis nicht nur der Unterschiede zwischen diesen beiden Arten von Automatisierungslösungen, sondern auch der grundlegenden Aspekte der Probleme, 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.