Система позиционирования с высокими характеристиками

Нейтральность этой статьи оспаривается . Соответствующее обсуждение можно найти на странице обсуждения . Не удаляйте это сообщение, пока не будут выполнены соответствующие условия . ( Март 2021 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Похоже, что один из основных авторов этой статьи имеет тесную связь с ее предметом. Может потребоваться очистка для соответствия политике содержания Википедии, особенно с нейтральной точкой зрения . Пожалуйста, обсудите дальше на странице обсуждения . ( Март 2021 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

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 быть выполнено 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, в желаемой ориентации, с высоким ускорением , высоким замедлением , высокой скоростью и малым временем стабилизации . Он разработан, чтобы быстро останавливать свое движение и точно помещать движущийся объект в желаемое конечное положение и ориентацию 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 , зубцы двигателя, дрожание подшипников и дребезжание держателя кабеля , HPPS может использовать конструкционные композитные материалы для демпфирования и изоляционных опор.для гашения вибрации . В отличие от шарнирных роботов, у которых есть шарнирные соединения , 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 .

Пример нестандартной конфигурации XYZ со ступенями линейного двигателя для XY и шарико-винтовой парой для Z

Производительность [ править ]

HPPS, приводимый в действие линейными двигателями, может перемещаться с комбинированной высокой скоростью порядка 3-5 м / с, высокими ускорениями 5-7 g на микронах.или субмикронная точность позиционирования со 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 определения местоположения 1 мкм в течение приблизительно 3 · 20 = 60 мсек. Самая низкая собственная частота равна квадратному корню из жесткости системы, деленному на движущуюся инерцию. Типичный линейный рециркуляционный несущий рельс высокопроизводительной ступени позиционирования,имеет жесткость порядка 100-300 Н / мкм. Такое исполнение требуется вполупроводниковое технологическое оборудование, электроника сборочные линии , с числовым программным управлением станков , координатно-измерительные машины , 3D печать , перегрузочное место машины , обнаружение наркотиков опробование и многое другое. 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, типичные 6 степеней свободышарнирно-сочлененный робот с 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 [ править ]

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 компания Siemens объединила свою систему ЧПУ с линейными двигателями Anorad, чтобы управлять машиной Maskant длиной 20 м в компании 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 [ править ]

Приложения [ править ]

• 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 столики с линейным двигателем, обеспечивающие плавность 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]

Технические характеристики [ править ]

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.

Окружающая среда [ править ]

• 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 [ править ]

Конфигурация [ править ]

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 [ править ]

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 компонента [ править ]

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, возможно, с помощью сейсмостойких столбов.
• Привод
  • скольжение, основание - высокоточные основания используют 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 сигналов. 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 остановки, кронштейны жесткости, мехов, амортизаторы , система воздушного охлаждения вентиляторов, пределов, прогибов, конечные робот эффекторных захватов, машинное зрение камеры и датчиков для искусственного интеллекта , машинного обучения , мониторинг , такими 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 [ править ]

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]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Слокум, Александр (1992). Прецизионная конструкция машин . Общество производителей. п. 750. ISBN 0872634922.