花崗岩平台 vs. 整合式花崗岩運動系統：技術與成本深度解析
精密運動，基座為本，系統整合創造卓越價值
在追求極致精密度的現代製造與研發領域，運動控制系統的核心——線性運動平台——扮演著舉足輕重的角色，特別是對於需要高穩定性、高精度及優異動態性能的應用，花崗岩基底的運動平台更是不可或缺的解決方案；然而，面對市面上「花崗岩平台」與「整合式花崗岩運動（IGM）系統」這兩種主流設計，工程師們常需在技術規格、成本效益與維護便利性之間權衡取捨。
在精密運動控制領域，高精度與高動態性能往往難以兼得，有限的預算也常讓工程師面臨選擇困境，此外，複雜的系統整合、維護挑戰以及在特定環境下的防護能力，都是擺在工程師面前的實際難題，尤其是 Abbe 誤差，這個影響最終定位精度的關鍵因素，更是工程師們致力克服的痛點。
為了解決這些挑戰，本文將深入探討兩種主流花崗岩運動平台設計：傳統的花崗岩平台解決方案與整合式花崗岩運動（IGM）解決方案，我們將透過詳細的技術比較與經濟效益分析，闡明 IGM 系統如何在結構剛性、負載能力、工作高度降低等方面實現顯著提升，進而降低 Abbe 誤差並提高伺服頻寬與動態性能；同時，我們也將客觀探討兩種系統在維護便利性與操作環境適應性方面的差異，協助工程師們全面評估，選擇最符合專案需求的運動平台，以最低的總體擁有成本，達成卓越的精密運動控制目標。
核心觀點剖析
在選擇最適合特定應用的花崗岩線性運動平台時，需要考量多種因素與變數，理解並優先排序每種應用獨特的需求至關重要，這樣才能找到有效的運動平台解決方案，目前最常見的解決方案之一，是將獨立的定位平台安裝於花崗岩結構上；另一種常見的解決方案，則是將構成運動軸的元件直接整合至花崗岩本身；在選擇過程中，如何權衡花崗岩平台與整合式花崗岩運動（IGM）平台是最初的決策之一，這兩種解決方案類型之間存在顯著差異，且各有優缺點，需要仔細理解與評估。
為了更深入地探討此決策過程，我們將透過機械軸承的案例研究，從技術與財務角度評估兩種基礎線性運動平台設計的差異——傳統的花崗岩平台解決方案與 IGM 解決方案。
運動平台與軸配置圖解
圖 1 清晰描繪了運動平台與其軸的配置。
在花崗岩平台設計中，PRO560LM 寬體平台被選作 Y 軸，原因在於其具備較大的負載能力，這在許多採用「Y/X-Z 分離式橋接」配置的運動應用中十分常見；對於 X 軸，則選用 PRO280LM，此機種通常作為橋接軸應用於多數情況，PRO280LM 在佔用空間與承載 Z 軸及客戶負載的能力之間，提供了實用的平衡。
針對 IGM 設計，其緊密複製了上述軸的基本設計概念與佈局，主要差異點在於 IGM 的軸是直接建置於花崗岩結構中，因此缺少了花崗岩平台設計中所需的精密加工元件底座。
兩種設計共通之處在於 Z 軸，皆選用 PRO190SL 滾珠螺桿驅動平台，該軸因其充裕的負載能力與相對輕巧的尺寸，非常適合在橋接結構上垂直安裝，圖 2 詳細展示了本次研究中使用的特定花崗岩平台與 IGM 系統。
機械軸承運動平台案例分析
圖 2 顯示本次案例研究所使用的機械軸承運動平台：(a) 花崗岩平台解決方案 與 (b) IGM 解決方案。
技術比較
IGM 系統的設計採用多種技術與元件，與傳統的花崗岩平台設計相似，因此，IGM 系統與花崗岩平台系統在許多技術特性上是共通的，相對地，將運動軸直接整合至花崗岩結構中，則提供了數項顯著的特性，使 IGM 系統有別於花崗岩平台系統。
尺寸特性
最明顯的相似之處或許始於機台的基礎——花崗岩，儘管花崗岩平台與 IGM 設計之間在特點與公差方面存在差異，但花崗岩底座、立柱和橋接件的整體尺寸是相同的，這主要是因為花崗岩平台與 IGM 的額定行程與極限行程是相同的。
結構設計
IGM 設計中不含精密加工元件軸底座，這相較於花崗岩平台解決方案提供了某些優勢，特別是，IGM 結構迴路中元件的減少有助於提高整體軸的剛性，此外，它也能縮短花崗岩底座與載台頂面之間的距離；在本案例研究中，IGM 設計的工作表面高度降低了 33%（80 mm 相較於 120 mm），這種較小的工作高度不僅能實現更緊湊的設計，還能減少馬達與編碼器到工作點的機台偏移，進而降低 Abbe 誤差，並提升工作點的定位性能。
軸元件解析
深入探討設計，花崗岩平台與 IGM 解決方案共享一些關鍵元件，例如線性馬達與位置編碼器；相同的動子與磁軌選擇帶來等效的力輸出能力，同樣地，在兩種設計中使用相同的編碼器，可為定位回饋提供相同的精細解析度，因此，花崗岩平台與 IGM 解決方案之間的線性精度與重複性性能並無顯著差異。
相似的元件佈局，包括軸承間距與公差，使得幾何誤差運動（即水平與垂直直線度、俯仰角、滾轉角與偏擺角）的性能表現相當，最後，兩種設計的支撐元件，包括線纜管理、電氣限位與硬限位，在功能上基本相同，儘管其物理外觀可能略有不同。
軸承選用
針對本設計，最顯著的差異之一是線性導引軸承的選擇。儘管循環滾珠軸承同時應用於花崗岩平台與 IGM 系統中，但 IGM 系統使得在不增加軸工作高度的情況下，也能將更大、更堅固的軸承整合到設計中。由於 IGM 設計是利用花崗岩作為其底座，而非獨立的精密加工元件底座，因此能夠回收原本會被精密加工底座佔用的部分垂直空間，並將此空間用於容納更大的軸承，同時仍能降低載台相對於花崗岩的整體高度。
剛性分析
IGM 設計中採用更大的軸承，對角剛性產生深遠影響，以寬體下軸（Y 軸）為例，IGM 解決方案的滾轉剛性比相應的花崗岩平台設計高出 40% 以上，俯仰剛性高出 30%，偏擺剛性高出 20%；同樣地，IGM 的橋接件在滾轉剛性方面提升了四倍，俯仰剛性增加了一倍，偏擺剛性則比其花崗岩平台對應產品高出 30% 以上，更高的角剛性具備優勢，因為它直接有助於提升動態性能，這是實現更高機台產量的關鍵。
負載能力
IGM 解決方案的較大軸承，使其能夠比花崗岩平台解決方案承載顯著更高的負載，儘管花崗岩平台解決方案的 PRO560LM 底座軸的負載能力為 150 kg，但相應的 IGM 解決方案可承受 300 kg 的負載；同樣地，花崗岩平台的 PRO280LM 橋接軸支援 150 kg，而 IGM 解決方案的橋接軸可承載高達 200 kg。
移動品質
IGM 軸搭載的較大軸承，雖然帶來了更好的角度性能與更高的負載能力，但也使得移動載台本身更為龐大與沉重；此外，IGM 載台的設計移除了傳統花崗岩平台軸所需的一些精密加工特徵（這些特徵在 IGM 軸上並不需要），這不僅提高了零件的剛性，也簡化了製造過程。這些綜合因素導致 IGM 軸的移動品質比相應的花崗岩平台軸更大。
不可否認，在馬達力輸出不變的情況下，較大的移動品質會使得 IGM 的最大加速度相對較低，然而，在某些特定應用中，較大的移動品質反而是一種優勢，因為其較高的慣性能夠提供更強的抗擾動能力，這有助於提升系統的定位穩定性。
結構動態特性
IGM 系統更高的軸承剛性與更堅固的載台提供了額外優勢，這些優勢透過使用有限元素分析（FEA）軟體套件進行模態分析後顯而易見；在本研究中，我們檢查了移動載台的第一個共振頻率，因為它會影響伺服頻寬；PRO560LM 載台在 400 Hz 處發生共振，而相應的 IGM 載台在 430 Hz 處發生相同的模態，圖 3 顯示了此結果。
圖 3 為 FEA 輸出結果，顯示了機械軸承系統底座軸的第一個載台振動模式：(a) 花崗岩平台 Y 軸在 400 Hz，以及 (b) IGM Y 軸在 430 Hz。
相較於傳統花崗岩平台，IGM 解決方案更高的共振頻率，部分歸因於更堅固的載台與軸承設計。更高的載台共振頻率，使得更高的伺服頻寬成為可能，進而提升動態性能。
操作環境考量
當存在污染物時，不論是製程本身產生，或是機台環境中既有，運動軸的密封性幾乎都是不可或缺的；在這方面，花崗岩平台解決方案表現出色，因為其軸體設計本質上就是封閉的，舉例來說，PRO 系列線性平台配備了硬蓋與側密封，能有效地保護內部元件，避免受到一定程度的污染，此外，這些平台還能選配桌面刮片，用於在平台移動時，刮除頂部硬蓋上的碎屑。
另一方面，整合式花崗岩運動（IGM）平台的設計本質上是開放的，其軸承、馬達與編碼器都會暴露在外，雖然這在潔淨的環境中並不是問題，但在有污染的場合，就可能造成困擾，儘管可以透過在 IGM 軸設計中加入特殊的風琴式保護罩來提供碎屑防護，但如果這類保護罩的實施不當，可能會在載台進行完整行程運動時，對其施加額外作用力，進而對軸的運動表現產生負面影響。
維護考量
可維護性是區分花崗岩平台與 IGM 運動平台的重要因素，儘管線性馬達軸以其運作穩定性著稱，但偶爾仍需進行維護，有些維護作業相對簡單，無需拆卸或分解軸體即可完成；然而，有時則需要更為徹底的拆解。
對於採用獨立平台安裝於花崗岩上的花崗岩平台解決方案來說，維護工作相當直接，通常只需將平台從花崗岩上卸下，執行必要的維護後再重新安裝即可；甚至可以直接更換一個新的平台，省時又省力。
相較之下，IGM 解決方案的維護有時更具挑戰性，雖然更換線性馬達的單一磁軌相對簡單，但若涉及更複雜的維護或維修，往往需要將構成軸體的多數甚至所有元件完全拆解，這會耗費更多時間，特別是當元件直接安裝在花崗岩上時；此外，在維護後，重新對齊花崗岩基礎的軸也比使用獨立平台的情況更為困難。
花崗岩平台與 IGM 系統特性比較
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特性 |
花崗岩平台系統 |
IGM 系統 |
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底座軸 (Y) |
橋接軸 (X) |
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標準化剛性 |
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垂直 |
1.0 |
1.0 |
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橫向 |
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俯仰 |
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滾轉 |
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偏擺 |
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負載能力 (kg) |
150 |
150 |
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移動質量 (kg) |
25 |
14 |
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工作檯面高度 (mm) |
120 |
120 |
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密封性 |
硬蓋和側密封提供防止碎屑進入軸體的保護。 |
IGM通常是開放式設計，密封需要額外加裝風琴式保護罩或類似裝置。 |
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可維護性 |
元件平台可拆卸並易於維修或更換。 |
軸體本身內建於花崗岩結構中，使得維修更加困難。 |
經濟效益分析
雖然任何運動系統的絕對成本會依據多種因素而異，包括行程長度、軸精度、負載能力與動態性能，但本研究中對類似 IGM 與花崗岩平台運動系統進行的相對比較表明，IGM 解決方案能夠以比花崗岩平台對應產品適度更低的成本提供中高精度運動。
我們的經濟研究包含三個基本成本組成部分：機台零件（包括製造零件與採購元件）、花崗岩組件以及人工與管理費用。
機台零件成本優勢
IGM 解決方案在機台零件方面，相較於花崗岩平台解決方案可提供顯著的節省，這主要歸因於 IGM 的 Y 軸與 X 軸不含精密加工的平台底座，這些底座增加了花崗岩平台解決方案的複雜性與成本；此外，成本節省還可歸因於 IGM 解決方案上其他精密加工零件（例如移動載台）的相對簡化，這些載台在為 IGM 系統設計時，可以具有更簡單的特徵與更寬鬆的公差。
花崗岩組件成本考量
儘管 IGM 與花崗岩平台系統中的花崗岩底座-立柱-橋接組件在外形與外觀上相似，但 IGM 花崗岩組件的成本略高，這是因為 IGM 解決方案中的花崗岩取代了花崗岩平台解決方案中的精密加工平台底座，這要求花崗岩在關鍵區域通常具有更嚴格的公差，甚至需要額外特徵，例如：擠壓切口或螺紋鋼嵌件等；然而，在案例研究中，花崗岩結構增加的複雜性，已完全被機台零件的簡化所抵消。
人工與管理費用
由於組裝與測試 IGM 和花崗岩平台系統存在許多相似之處，因此在人工與管理費用方面並沒有顯著差異；將所有這些成本因素結合後，本研究中檢視的特定機械軸承 IGM 解決方案，相較於機械軸承花崗岩平台解決方案，成本約低 15%。
當然，經濟分析的結果不僅取決於行程長度、精度與負載能力等屬性，也取決於花崗岩供應商的選擇等因素；此外，考量與採購花崗岩結構相關的運輸與物流成本也是審慎的做法。特別是對於非常大型的花崗岩系統，即使對所有尺寸都適用，選擇距離最終系統組裝地點較近的合格花崗岩供應商，也有助於將成本降至最低。
還應注意的是，此分析並未考量建置後的成本，例如，假設需要透過修理或更換運動軸來維護系統，花崗岩平台系統可以透過簡單地移除並修理/更換受影響的軸來進行維護，由於其更具模組化的平台式設計，儘管初始系統成本較高，但這可以相對輕鬆且快速地完成，雖然 IGM 系統通常可以比其花崗岩平台對應產品以更低的成本獲得，但由於其結構的整合性質，拆卸與維護可能更具挑戰性。
結論：選擇最適合的運動平台
顯然，每種類型的運動平台設計——花崗岩平台與 IGM——都能提供獨特的優勢，然而，哪種是特定運動應用最理想的選擇，卻不總是顯而易見，因此，與經驗豐富的運動與自動化系統供應商（例如 Aerotech）合作，將會帶來極大助益，Aerotech 提供以應用為中心，能協助使用者選擇具挑戰性的運動控制與自動化應用替代解決方案，了解這兩種自動化解決方案之間的差異，以及它們需要解決的問題核心，是選擇同時滿足專案技術與財務目標的運動系統的關鍵。
關於作者
Brian Fink 是 Aerotech 負責平台、馬達、六軸平台與其他機械裝置的產品經理，他在精密運動控制領域擁有超過 15 年的經驗，曾擔任研發、應用工程、銷售與行銷等職務，Fink 擁有匹茲堡大學的機械工程與工商管理碩士學位。