Система позиционирования высокой производительности (HPPS) представляет собой тип позиционирования системы , состоящую из куска электромеханического оборудования (например, сборка линейных этапов и поворотных этапов ) , который способен перемещать объект в трехмерном пространстве в пределах рабочей зоны. Позиционирование может производиться от точки к точке или вдоль желаемого пути движения . Положение обычно определяется в шести степенях свободы , включая линейную, в декартовой системе координат x, y, z и угловую ориентацию.рыскания, тангажа, крена. HPPS используются во многих производственных процессах для плавного и точного перемещения объекта (инструмента или детали) с шестью степенями свободы по желаемой траектории, с желаемой ориентацией, с высоким ускорением , высоким замедлением , высокой скоростью и малым временем стабилизации . Он предназначен для быстрой остановки движения и точного размещения движущегося объекта в желаемом конечном положении и ориентации с минимальным дрожанием.
HPPS требует конструктивных характеристик низкой подвижной массы и высокой жесткости. Результирующая характеристика системы представляет собой высокое значение для самой низкой собственной частоты системы. Высокая собственная частота позволяет контроллеру движения управлять системой с высокой полосой пропускания сервопривода , что означает, что HPPS может отклонять все частоты, мешающие движению, которые действуют на более низкой частоте, чем полоса пропускания. Для высокочастотных возмущений, таких как вибрация пола , акустический шум , зазубрины двигателя, дрожание подшипников и дребезжание держателя кабеля , HPPS может использовать конструкционные композитные материалы для демпфирования и изоляционные опоры для гашения вибрации . В отличие от шарнирных роботов, у которых есть поворотные шарниры , соединяющие их звенья, звенья HPPS обычно состоят из скользящих шарниров, которые относительно жестче, чем шарниры. По этой причине высокопроизводительные системы позиционирования часто называют декартовыми роботами .
Представление
HPPS, приводимый в действие линейными двигателями, может двигаться с комбинированной высокой скоростью порядка 3-5 м / с, высокими ускорениями 5-7 g, с микронной или субмикронной точностью позиционирования с временем установления порядка миллисекунд и шириной полосы сервопривода 30-50 Гц. С другой стороны, приводы с шарико-винтовой передачей имеют типичную полосу пропускания 10–20 Гц, а приводы с ременным приводом - около 5–10 Гц. Значение полосы пропускания HPPS составляет примерно 1/3 от самой низкой собственной частоты в диапазоне 90–150 Гц. Время установления +/- 1% постоянной скорости или +/- 1 мкм джиттера после высокого ускорения или большого замедления соответственно занимает примерно 3 периода полосы пропускания. Например, ширина полосы сервопривода 50 Гц, имеющая период 1/50 · 1000 = 20 мсек, установится на точность позиционирования 1 мкм в течение приблизительно 3 · 20 = 60 мсек. Самая низкая собственная частота равна квадратному корню из жесткости системы, деленному на инерцию движения. Типичный линейный рециркулирующий подшипниковый рельс высокопроизводительной ступени позиционирования имеет жесткость порядка 100-300 Н / мкм. Такое исполнение требуется в полупроводниковом технологическом оборудовании, электроники сборочных линии , с числовым программным управлением станками , координатно-измерительные машинами , 3D печать , погрузо-место машины , обнаружение наркотиков опробования и многие другая. При их высокой производительности HPPS может использовать гранитную основу для термической стабильности и плоских поверхностей, воздушных подшипников для джиттера свободного движения, бесщеточный линейные двигатели для бесконтактного, приведения в действие трения, высокой и низкой силы инерции, и лазерного интерферометра для обратной связи к югу от положения мкм. С другой стороны, типичный шарнирный робот с 6 степенями свободы и радиусом действия 1 м имеет жесткость конструкции порядка 1 Н / мкм. Вот почему шарнирно-сочлененные роботы лучше всего использовать в качестве оборудования автоматизации в процессах, требующих повторяемости положения порядка 100 микрон, таких как роботизированная сварка , покрасочные роботы , паллетоукладчики и многие другие.
История
Оригинальные HPPS были разработаны в Anorad Corporation (ныне Rockwell Automation ) в 1980-х годах после изобретения бесщеточных линейных двигателей основателем и генеральным директором Anorad Анваром Читаятом . Первоначально HPPS использовались для высокоточных производственных процессов в полупроводниковых приложениях, таких как Applied Materials , PCB Inspection Orbotech и High Velocity Machine Tool Ford . [1] Параллельно технология линейных двигателей и их интеграция в HPPS была распространена по всему миру. В результате, в 1996 году Сименс интегрирован с ЧПУ ее Anorad линейные двигатели для привода 20 м с длинным Maskant машину на Boeing для химического фрезерования из крыльев самолета . [2] В 1997 году FANUC лицензировала технологию линейных двигателей Anorad и интегрировала ее в качестве комплексного решения в свою линейку продуктов с ЧПУ. [3] А в 1998 году Rockwell Automation приобрела Anorad, чтобы конкурировать с Siemens и Fanuc в предоставлении комплексных решений для линейных двигателей для привода высокоскоростных станков на транспортных линиях для автомобилей . [4] Сегодня линейные двигатели используются в сотнях тысяч высокопроизводительных систем позиционирования , которые управляют производственными процессами по всему миру. Согласно некоторым исследованиям, их рынок будет расти на 4,4% в год и достигнет 1,5 млрд долларов в 2025 году [5].
Системные Требования
Приложения
- Полупроводники - Фотолитография - это процесс производства пластин (электроники) на предприятиях по производству полупроводников . Он использует ступени линейного двигателя или ступени магнитолевой подвески для крайнего позиционирования, чтобы перемещать пластинчатый столик. [6]
- Электроника. Технология поверхностного монтажа использует высокопроизводительные линейные двигатели и системы позиционирования для монтажа микросхем интегральных схем на печатных платах . [7]
- Оптика. В стереомикроскопах используются ступени позиционирования с линейным двигателем для обеспечения плавности движения во время сканирования [8]
- Станки - Электроэрозионная обработка проволокой используется для резки толстых твердых металлов, например, при штамповке (производство) . Системы позиционирования линейный двигатель / воздушный подшипник обеспечивают высокую плавность движения. [9]
- КИМ - Координатно-измерительная машина часто требует гранитного основания, изолирующих опор, приводов линейных двигателей, воздушных подшипников и лазерного интерферометра. [10]
- Лабораторная автоматизация - высокопроизводительный процесс скрининга используется в лабораторной автоматизации для открытия лекарств , где позиционирование линейного двигателя обеспечивает высокое ускорение / замедление с коротким временем установления. [11]
Характеристики
Системная спецификация (технический стандарт) - это официальный интерфейс между требованиями приложения (проблемой), описанными пользователем (заказчиком), и проектом (решением), оптимизированным разработчиком (поставщиком).
- Инерция - указывает сопротивление движущейся нагрузки (инструмента или детали) линейному (кг) и угловому (кг · м2) изменению скорости. Чтобы максимизировать собственную частоту, инерция движущейся нагрузки должна быть минимальной.
- Размер - указывает геометрические ограничения ширины (м), длины (м) и высоты (м) системы, которые могут потребоваться при погрузочно-разгрузочных работах, транспортировке в процессе установки.
- Движение - указывает время (с) технологического цикла и ограничения процесса для каждой степени свободы , включая максимальное перемещение (м, рад), максимальную скорость (м / с, рад / с) и максимальное ускорение / замедление (м / с2, рад / s2).
- Точность - Указывает линейное и угловое разрешение измерения положения и движения (гм, úřad), а также общего чтения индикатора по точности и точности для каждой степени свободы.
- Джиттер - указывает максимальную амплитуду (мкм) высокочастотных колебаний, которая допустима в условиях покоя.
- Постоянная скорость - указывает на требуемую плавность движения и допустимые отклонения (+/-%) от требуемой постоянной скорости (м / с, рад / с) во время движения.
- Жесткость - указывает сопротивление изменению положения в ответ на внешнюю нагрузку (Н / мкм, Н · м / рад).
- Срок службы - указывает ожидаемое время (часы) или пробег (км), когда наиболее активная степень свободы системы, как ожидается, будет надежно действовать в процессе эксплуатации.
- Надежность - Среднее время наработки на отказ (часы, циклы), часто связанное с требованиями к режимам отказа, последствиям и диагностическому анализу.
- Ремонтопригодность - Среднее время ремонта (часов), часто связанное с системными руководствами, включая работу, график технического обслуживания и список запасных частей.
- Окружающая среда - указывает на ожидаемые условия помех, с которыми система может столкнуться во время работы в течение срока ее службы, включая температуру, влажность, удары и вибрацию, чистоту и радиацию.
Среда
- Тепловая - указывает на самую высокую и самую низкую температуру (° C), которую система может выдержать во время работы. Влияет на деформацию конструкции и точность. Может потребоваться охлаждение, изоляция и материал с низкой теплопроводностью.
- Влажность - указывает уровень водяных паров в окружающем воздухе (%). Может включать необходимую защиту системы на основе IP-кода . Могут потребоваться защитные пломбы.
- Удар (механика) и вибрация - указывает уровень вибрации пола и других нарушений технологического процесса. Могут потребоваться активные или пассивные виброизоляционные опоры и конструкционный материал с высоким демпфированием. [12]
- Чистота - указывает допустимый уровень (размер и количество на единицу объема) частиц в окружающем воздухе. Может потребоваться работа в чистом помещении , фильтрация поступающего воздуха и защитные уплотнения. [13]
- Излучение. Электромагнитные помехи могут потребовать использования экранированных кабелей, конструкционных материалов из цветных металлов и защитных экранов магнитных пластин линейного двигателя.
Системное решение
Конфигурация
Конфигурация HPPS обычно оптимизирована для максимальной жесткости конструкции с максимальным демпфированием и минимальной инерцией, минимальной ошибкой Аббе в интересующей точке (POI), с минимальным количеством компонентов и максимальной ремонтопригодностью.
- X - Одна линейная ступень , приводимая в действие линейным двигателем , шарико-винтовой парой или зубчатым ремнем , обычно доступна в качестве стандартного привода (также известного как ползун, ось или стол) от многих поставщиков. [14]
- XYZ - индивидуальная сборка отдельных ступеней, включая перемещение кабелей . Ось Z обычно приводится в действие шарико-винтовой парой или линейным двигателем с противовесом . Оси могут быть разделены для уменьшения инерции.
- XYZR - оси вращения, включая тангаж, рыскание и крен, обычно добавляются в HPPS для ориентации инструмента конца руки (EOAT) или концевого эффектора робота .
- Портальная конфигурация - Портальная конфигурация обеспечивает максимальный рабочий диапазон в конфигурации XYZ при заданных ограничениях размера. Он имеет 2 параллельные оси для x, управляемых как одна ось или как ведущая / ведомая. Идеально подходит для линий передачи .
- Поворотный (тангаж, рыскание, крен) - поворотные ступени могут быть настроены с линейными ступенями в различном порядке, чтобы наилучшим образом соответствовать спецификациям. Обычно в них используется механизм прямого привода , аналогичный линейным двигателям.
- Нестандартная конфигурация HPPS может потребоваться в процессе математической оптимизации интеграции лучших компонентов системы в наиболее компактную и быстро реагирующую систему.
Системный анализ
Системный анализ - это процесс понимания взаимосвязей между проектными параметрами, условиями эксплуатации, переменными окружающей среды и производительностью системы на основе инструментов моделирования и анализа системы.
- Динамика (механика) - Оптимизация профилей линейного движения и вращения , динамической точности, нагрузок на подшипники и мощности двигателя с использованием таких инструментов анализа, как MATLAB , Simulink , Mathcad , Microsoft Excel.
- Анализ вибрации - оценка собственной частоты , полосы пропускания сервопривода , времени установления с использованием инструментов анализа, таких как MATLAB , Simulink , Mathcad , Microsoft Excel
- Точность и точность - оценка статических ошибок 3D в интересующей точке в зависимости от прямолинейности осей, плоскостности, тангажа, рыскания, крена, колебания и биения с помощью таких инструментов анализа, как Mathcad , Microsoft Excel
- Прочность материалов - оценка жесткости осей, рам, опор и монтажных конструкций с использованием инструментов метода конечных элементов, таких как AutoCAD , Nastran
- Тепловое расширение - прогнозирование теплового расширения и оптимизация теплопередачи с использованием изоляции и охлаждения с использованием таких инструментов анализа, как AutoCAD , Nastran
- Гидродинамика - оценка расходов и давления подачи для гидравлических приводов и охлаждения с использованием инструментов анализа, таких как вычислительная гидродинамика.
- Сервоуправление - оценка требуемых фильтров и параметров настройки для контуров ПИД-регулятора осей системы с использованием инструментов анализа, таких как MATLAB , Simulink
- Разработка надежности - оценка средней наработки на отказ системы с использованием инструментов анализа, таких как Mathcad , Microsoft Excel.
Размер компонентов
Определение размеров компонентов - это процесс выбора стандартных деталей от поставщиков компонентов или разработки индивидуальной детали для производства.
- Рама - обычно изготавливается из алюминиевых или стальных сварных конструкций из полых труб, возможно, заполненных бетонным композитом для демпфирования. Устанавливается на выравнивающих опорах и крепится к полу с помощью сейсмостойких столбов.
- Привод
- слайд, основание - В высокоточных основаниях используется гранит для обеспечения ровности и термостойкости. Стандартные ступени более низкой точности используют экструдированный алюминий. На заказных ступенях обычно используется ребристый алюминий или нержавеющая сталь, обработанные для обеспечения низкой инерции и высокой жесткости.
- Подшипник - Опции включают поперечно-роликовый подшипник для относительно короткого хода, рециркуляционный подшипник для большей жесткости и большего хода и воздушный подшипник с гранитным основанием для высокой плавности движения и большей точности.
- серводвигатель - Обычно линейный бесщеточный электродвигатель постоянного тока для горизонтальных осей с 3-фазным синхронизированным током в движущейся катушке и полем в неподвижных магнитных пластинах с низким зацеплением. Для вертикальных осей линейных двигателей может использоваться противовес. Роторные ступени используют аналогичные 2 части, двигатель с прямым приводом, включая якорь со стационарной катушкой и подвижный магнитный ротор.
- обратная связь - обычно энкодер высокого разрешения, оптический, магнитный или захватывающий, аналоговый или цифровой, линейный или поворотный, абсолютный или инкрементный энкодер с индексной меткой для возврата в исходное положение . Лазерная интерферометрия для больших перемещений, субмикронная точность.
- Forcer - Опции Forcer включают шариковинтовую передачу для высокого усилия, зубчатую рейку для большого хода и ременной привод ГРМ для высокой скорости. Их ограничения в HPPS - это трение, дрожание, люфт, меньшая жесткость и обслуживание.
- управление кабелем - для передачи энергии и сигнала. Самое слабое звено в цепочке надежности системы. Меньший радиус изгиба для низкого профиля увеличивает утомляемость. Требуется держатель кабеля или плоский ленточный кабель. Добавьте джиттер.
- Аксессуары - жесткие упоры, кронштейны жесткости, сильфоны, амортизаторы , вентиляторы воздушного охлаждения , ограничители, изгибы, захваты концевых эффекторов роботов , камера машинного зрения и датчики для искусственного интеллекта , машинного обучения , мониторинга, такие как акселерометры , датчики температуры и гироскопы .
- сервопривод - усиление сигналов управления движением для привода серводвигателей. В диапазоне от малой мощности до 10 кВт. Например, 40 кВт при приводе в движение линейного двигателя большой мощности 10 000 Н, движущегося со скоростью 4 м / с. Напряжение постоянного тока колеблется от безопасных 24 В / 48 В до более 400 В. Частота обновления сигналов двигателя в контуре высокого тока составляет порядка 1000 Гц. Популярная сетевая связь с контроллером движения осуществляется через EtherCAT .
- ПИД-регулятор движения - варианты включают числовое программное управление (ЧПУ), одноосное, многоосное, на базе ПК, автономное или интегрированное с сервоприводом и / или ПЛК, включая ввод / вывод, автонастройку, диагностику и программирование, доступные из различных источников. [15]
- Программируемый логический контроллер (ПЛК) - более высокий уровень иерархической системы управления для управления последовательностью процессов, предоставляемый многими поставщиками. [16]
Системное тестирование
Системное тестирование - это итеративный процесс разработки системы, предназначенный для проверки правильности моделирования системного анализа, подтверждения концепций, коэффициента безопасности технических характеристик и приемлемого тестирования.
- Ход движения, максимальная скорость, максимальное ускорение, рывок - обычно обеспечивается в контроллере движения.
- Линейная точность, повторяемость, плоскостность, прямолинейность, рыскание, тангаж - Лазерный интерферометр . [17]
- Угловая точность, повторяемость, биение, биение - автоколлиматор .
- Время цикла, время установления, дрожание, постоянная скорость - обычно предоставляется в контроллере движения.
- Термическая стабильность - датчики температуры, установленные в нескольких местах, для наблюдения за теплопередачей.
- Инерция, жесткость - шкалы, индикаторы часового типа и измеритель силы .
- Собственная частота , полоса пропускания сервопривода - обычно поставляется с контроллером движения, который имеет инструменты частотной характеристики . [18]
- Среднее время наработки на отказ , испытание на ресурс - непрерывная работа в течение указанного периода без сбоев в экстремальных условиях эксплуатации при постоянном мониторинге с частыми визуальными проверками и проверкой датчиков. [19]
Рекомендации
- ^ BROWN, СТЮАРТ (25 ноября 1996). "Быстрый новый мир FLATMOTORS" (PDF) . FORTUNE (титульный лист) .
- ^ Чайковский, Стивен (сентябрь 1996 г.). «Линейные двигатели: будущее высокопроизводительных станков» .
Siemens и Anorad Corp. решили, что информация необходима для подтверждения той важной роли, которую высокопроизводительные линейные двигатели будут играть в качестве основного привода для станков.
- ^ Эйдельберг, Боаз (октябрь 2020 г.). «В память о великом технологическом лидере» . LinkedIn.
- ^ «Rockwell Automation покупает Anorad, видит расширение линейных двигателей» . Техника управления . 1 октября 1998 г.
- ^ «Объем рынка линейных двигателей до 2025 года» . ТРЕНДОВАТЕЛЬНЫЕ НОВОСТИ РЫНКА ФРАКТОВИИ. 23 декабря 2020 г.
CAGR 4,4 %% ... 1508,1 млн долларов США к 2025 г.
- ^ «В передовых литографических машинах ASML сочетаются скорость и точность» . ASML.
Магнитно-левитирующие вафельные столики, которые ускоряются быстрее, чем истребитель? .. с точностью до 60 пикометров ... Все это часть экстремальной механики в машинах ASML.
- ^ «Технологии платформы Fuzion для повышения производительности, гибкости и доходности» . Универсальные инструменты.
Система позиционирования линейного двигателя VRM, высокая точность (разрешение 1 мкм) ... Высокое ускорение - до 2,5G
- ^ «Точные и воспроизводимые результаты Сканирующий стол Leica LMT260 XY» . Leica Microsystems.
... Сканирующий столик XY использует ... два линейных двигателя для получения таких точных и воспроизводимых результатов со стереомикроскопами.
- ^ «Wire EDM Сверхточная обработка и чистовая обработка поверхности для малых / тонких проволочных операций» . Макино.
... достижение субмикронной точности уровня ... с использованием станков, пневматических направляющих для статического давления и технологии линейного движения двигателя
- ^ «Высококачественная измерительная машина для максимальной точности» . ZEISS.
... линейные приводы по всем осям. Преимущества: высокие скорости, очень быстрое ускорение, высокая точность позиционирования и приводы без усилия сдвига.
- ^ «Новое видео демонстрирует прорыв в проектировании автоматизации лабораторий» . HEIDENHAIN. 5 февраля 2019 г.
Достижение высокой производительности и исключительной точности, необходимых для автоматизации лаборатории.
- ^ « Загрузить MIL-STD-810H » . ИЭСТ . 31 янв 2019.
- ^ «Проектирование машин для чистых помещений» . Технология чистых помещений . 6 октября 2004 г.
- ^ «Поставщики линейных направляющих и линейных ступеней» . GlobalSpec Engineering 360.
484 поставщика линейных направляющих и линейных ступеней
- ^ «Управление движением онлайн» . MCMA Motion Control & Motor Association.
Компании, производящие системы управления движением, двигатели, программное обеспечение или сопутствующие товары и оборудование
- ^ «Поставщики программируемых логических контроллеров (ПЛК)» . GlobalSpec Engineering 360 .
Найдите поставщиков 656 программируемых логических контроллеров (ПЛК) с помощью Engineering360
- ^ «Лазерная система XL-80» .
Лазерный интерферометр Renishaw XL-80 обеспечивает высочайшие характеристики измерения и калибровки систем движения, включая КИМ и станки.
- ^ «Анализатор частотной характеристики» . ACS Motion Control.
Увеличьте пропускную способность с помощью электромеханического частотного анализа и оптимизации
- ^ Кенслер, Дженнифер (21 марта 2014 г.). «Передовая практика планирования испытаний на надежность для определения среднего времени наработки на отказ» (PDF) . STAT T&E COE-Report-09-2013.
Цель ... состоит в том, чтобы помочь в разработке строгих, оправданных стратегий тестирования для более эффективной количественной оценки и характеристики производительности системы и предоставления информации, которая снижает риск.
дальнейшее чтение
- Слокум, Александр (1992). Прецизионная конструкция машин . Общество производителей. п. 750. ISBN 0872634922.