Высокопроизводительная система позиционирования

— Высокопроизводительная система позиционирования (HPPS) это тип системы позиционирования , состоящий из электромеханического оборудования (например, сборки линейных и поворотных ступеней ), которое способно перемещать объект в трехмерном пространстве внутри рабочей зоны. Позиционирование может осуществляться от точки к точке или по желаемому пути движения . Положение обычно определяется в шести степенях свободы , включая линейную, в декартовой системе координат x,y,z и угловую ориентацию рыскания, тангажа и 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 , большим 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 минимальными дрожаниями.

HPPS требует конструктивных характеристик с низкой движущейся массой и высокой жесткостью. Результирующая характеристика системы представляет собой высокое значение самой низкой собственной частоты системы. Высокая собственная частота позволяет контроллеру движения управлять системой с широкой полосой пропускания сервопривода , что означает, что HPPS может подавлять все мешающие движения частоты, которые действуют на более низкой частоте, чем полоса пропускания. Для более высокочастотных помех, таких как вибрация пола , акустический шум , заедание двигателя, дрожание подшипников и дребезжание кабельной несущей , HPPS может использовать конструкционные композитные материалы для демпфирования и изолирующие крепления для ослабления вибрации . В отличие от шарнирно-сочлененных роботов, у которых есть вращающиеся соединения , соединяющие их звенья, звенья HPPS обычно состоят из скользящих соединений, которые относительно жестче, чем вращающиеся соединения. Именно по этой причине высокопроизводительные системы позиционирования часто называют декартовыми роботами .

Пример пользовательской конфигурации XYZ с линейными двигателями для XY и шариковой винтовой парой для Z

Производительность

HPPS, приводимый в движение линейными двигателями, может перемещаться с высокой скоростью порядка 3–5 м/с и с большим ускорением 5–7 g, с микронной или субмикронной точностью позиционирования со временем стабилизации порядка миллисекунд и полосой пропускания 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 около 1/3 самой низкой собственной частоты в диапазоне 90–150 Гц. Время установления постоянной скорости +/- 1% или джиттера +/- 1 мкм после сильного ускорения или сильного замедления соответственно занимает примерно 3 периода полосы пропускания. Например, полоса пропускания сервопривода 50 Гц с периодом 1/50 · 1000 = 20 мс обеспечит точность положения 1 мкм в течение примерно 3 · 20 = 60 мс. Самая низкая собственная частота равна квадратному корню из жесткости системы, деленному на инерцию движения. Типичный линейный рециркуляционный подшипниковый рельс высокопроизводительной ступени позиционирования имеет жесткость порядка 100-300 Н/мкм. Такое исполнение требуется в полупроводниковое электроники технологическое оборудование, линии сборки с числовым программным управлением , станки , координатно-измерительные машины , 3D-печать , машины для захвата и размещения , обнаружения лекарств анализ и многое другое. При максимальной производительности HPPS может использовать гранитное основание для термостабильности и плоских поверхностей, воздушные подшипники для обеспечения движения без дрожания , бесщеточные линейные двигатели для бесконтактного срабатывания, без трения, высокой силы и низкой инерции, а также лазерный интерферометр для субмикронной обратной связи по положению. С другой стороны, типичный шарнирный робот с 6 степенями свободы и радиусом действия 1 м имеет структурную жесткость порядка 1 Н/мкм. Вот почему шарнирно-сочлененные роботы лучше всего использовать в качестве оборудования для автоматизации в процессах, требующих повторяемости положения порядка 100 микрон, таких как роботизированная сварка , покрасочные роботы , укладчики на поддоны 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 . Параллельно технология линейных двигателей и их интеграция в HPPS распространялись по всему миру. В результате в 1996 году Siemens интегрировала свое ЧПУ с линейными двигателями Anorad для привода 20-метрового станка Maskant на заводе Boeing для химического фрезерования самолетов крыльев . В 1997 году компания FANUC лицензировала технологию линейных двигателей Anorad и интегрировала ее как комплексное решение в свою линейку продуктов с ЧПУ. А в 1998 году Rockwell Automation приобрела Anorad, чтобы конкурировать с Siemens и Fanuc в предоставлении комплексных решений в области линейных двигателей для привода высокоскоростных станков на автомобильных конвейерных линиях . Сегодня линейные двигатели используются в сотнях тысяч высокопроизводительных систем позиционирования, которые управляют производственными процессами по всему миру. Ожидается, что их рынок будет расти, согласно некоторым исследованиям, на 4,4% в год и достигнет $1,5 млрд в 2025 году.

Высокопроизводительная система позиционирования – портального типа

Системные требования

Приложения

• Полупроводники. Фотолитография — это процесс производства пластин (электроники) на заводах по производству полупроводников . Для экстремального позиционирования в нем используются ступени линейного двигателя или ступени магнитной подвески для перемещения пластинчатой ​​ступени.
• Электроника. В технологии поверхностного монтажа используются высокопроизводительные линейные двигатели и системы позиционирования для установки интегральных микросхем на печатные платы .
• Оптика. В стереомикроскопах используются этапы позиционирования линейного двигателя для обеспечения высокой плавности движения во время сканирования.
• Станки. Электроэрозионная обработка проволокой используется для резки толстых твердых металлов, например, в штампах (производство) . Системы позиционирования линейных двигателей и пневматических подшипников обеспечивают высокую плавность хода.
• КИМ - Координатно-измерительная машина часто требует гранитного основания, изолирующих креплений, линейных приводов, воздушного подшипника и лазерного интерферометра.
• Автоматизация лабораторий. Высокопроизводительный процесс скрининга используется в лабораторной автоматизации для поиска лекарств , где линейное позиционирование двигателя обеспечивает высокое ускорение/замедление с коротким временем стабилизации.

Технические характеристики

Спецификация системы (технический стандарт) — это официальный интерфейс между требованиями приложения (проблемой), описанными пользователем (заказчиком), и проектом (решением), оптимизированным разработчиком (поставщиком).

• Инерция — указывает на 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), которые могут потребоваться при погрузочно-разгрузочных работах, транспортировке и установке.
• Движение — указывает время цикла процесса (с) 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/с). с2).
• Точность — указывает линейное и угловое разрешение измерения положения и движения (мкм, урад), а также общее показание индикатора точности и прецизионности для каждой степени свободы.
• Джиттер — указывает максимальную амплитуду (мкм) высокочастотных вибраций, которая допускается в состоянии покоя.
• Постоянная скорость — указывает требуемую плавность движения и допустимые изменения (+/- %) требуемой постоянной скорости (м/с, рад/с) во время движения.
• Жесткость – указывает на сопротивление изменению положения в ответ на внешнюю нагрузку (Н/мкм, Н·м/рад).
• Срок службы — указывает ожидаемое время (часы) или путешествие (км), в течение которого наиболее активная степень свободы системы должна надежно действовать в процессе эксплуатации.
• Надежность. Среднее время между отказами (часы, циклы), часто связанное с требованиями к видам отказов, их последствиям и диагностическому анализу.
• Ремонтопригодность — среднее время ремонта (часы), часто связанное с системными руководствами, включая эксплуатацию, график технического обслуживания и список запасных частей.
• Окружающая среда. Указывает ожидаемые условия возмущений, с которыми система может столкнуться во время работы в течение всего срока службы, включая температуру, влажность, удары и вибрацию, чистоту и радиацию.

Среда

• Термический — указывает самую высокую и самую низкую температуру (°C), которую система может выдержать во время работы. Влияет на структурные деформации 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.
• Удары (механика) и вибрация — указывает уровень вибрации пола и других нарушений технологического процесса. Могут потребоваться активные или пассивные виброизоляционные крепления и конструкционный материал с высоким демпфированием.
• Чистота – указывает допустимый уровень (размер и количество на единицу объема) частиц в окружающем воздухе. Может потребоваться работа в чистых помещениях , фильтрация поступающего воздуха и защитные уплотнения.
• Излучение. Электромагнитные помехи могут потребовать использования экранированной прокладки кабеля, конструкционных материалов из цветных металлов и защитных экранов магнитных пластин линейного двигателя.

Пример высокопроизводительной системы позиционирования с имитационной моделью системного анализа

Системное решение

Конфигурация

Конфигурация HPPS обычно оптимизирована для максимальной жесткости конструкции с максимальным демпфированием и минимальной инерцией, наименьшей ошибкой Аббе в интересующей точке (POI), с минимальным количеством компонентов и максимальной ремонтопригодностью.

• X — Одна линейная ступень , приводимая в движение линейным двигателем , шарико-винтовой парой или зубчатым ремнем , обычно доступна в виде стандартного привода (также известного как направляющая, ось или стол) от многих поставщиков.
• XYZ — индивидуальная сборка из отдельных ступеней, включая подвижную прокладку кабелей . Ось Z обычно приводится в действие шариковинтовой 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 на конце руки (EOAT) или концевого эффектора робота .
• Портальная конфигурация — портальная конфигурация обеспечивает максимальную рабочую зону в конфигурации XYZ с учетом заданных ограничений размера. Он имеет 2 параллельные оси для x, управляемые как одна ось или ведущий/ведомый. Идеально подходит для автоматических линий .
• Вращающийся (тангаж, рысканье, крен). Поворотные ступени могут быть оснащены линейными ступенями в различном порядке для наилучшего соответствия спецификациям. Обычно они используют механизм прямого привода , аналогичный линейным двигателям.
• Пользовательские — пользовательские конфигурации HPPS могут потребоваться в процессе математической оптимизации для интеграции лучших компонентов системы в наиболее компактную и быстродействующую систему.

Системный анализ

Системный анализ — это процесс понимания взаимосвязей между параметрами конструкции, условиями эксплуатации, переменными окружающей среды и производительностью системы на основе системы. инструментов моделирования и анализа

• Динамика (механика) — оптимизация линейного движения и профилей 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 таких инструментов анализа, как MATLAB , Simulink , Mathcad , Microsoft Excel.
• Точность и точность — оценка статических 3D-ошибок в интересующей точке в зависимости от прямолинейности, плоскостности осей, угла наклона, отклонения от курса, крена, раскачивания и биений с использованием таких инструментов анализа, как Mathcad , Microsoft Excel.
• Сопротивление 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 помощью изоляции и охлаждения с использованием таких инструментов анализа, как AutoCAD , Nastran.
• Гидродинамика . Оценка скорости потока и давления подачи для гидроприводов и охлаждения с использованием инструментов анализа, таких как вычислительная гидродинамика.
• Сервоуправление — оценка необходимых фильтров и параметров настройки для контуров ПИД-регулятора системных осей с использованием инструментов анализа, таких как MATLAB , Simulink.
• Проектирование надежности — оценка среднего времени наработки системы на отказ с помощью инструментов анализа, таких как Mathcad , Microsoft Excel.

Определение размеров 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 подушках и крепится к полу, возможно, с помощью сейсмостойких стоек.
• Привод
  • направляющая, основание. В высокоточных основаниях используется гранит, обеспечивающий плоскостность и термическую стабильность. В стандартных столиках более низкой точности используется экструдированный алюминий. В нестандартных ступенях обычно используется ребристый алюминий или нержавеющая сталь, обработанная для обеспечения низкой инерции и высокой жесткости.
  • Подшипник - Опции включают поперечный роликовый подшипник для относительно короткого хода, рециркуляционный подшипник для большей жесткости и большего хода, а также пневматический подшипник с гранитным основанием для высокой плавности хода и более высокой точности.
  • серводвигатель . Обычно линейный бесщеточный электродвигатель постоянного тока для горизонтальных осей с трехфазным синхронизированным током в подвижной катушке и возбуждением в стационарных магнитных пластинах с низким уровнем зубцов. Для вертикальных осей линейного двигателя можно использовать противовес. Во вращающихся ступенях используются аналогичные две части: двигатель с прямым приводом, включая неподвижный якорь катушки и подвижный магнитный ротор.
  • обратная связь — обычно энкодер высокого разрешения, оптический, магнитный или пленочный, аналоговый или цифровой, линейный или поворотный, абсолютный или инкрементальный энкодер с индексной меткой для возврата в исходное положение. Лазерная интерферометрия для дальнего перемещения и субмикронной точности.
  • нажимной механизм. Варианты нажимного устройства включают в себя шариковый винт для высокой силы, рейку и шестерню для большого перемещения и ременный привод ГРМ для высокой скорости. Их ограничениями в HPPS являются трение, джиттер, люфт, низкая жесткость и необходимость обслуживания.
• прокладка кабеля - Для передачи энергии и сигнала. Самое слабое звено в цепочке надежности системы. Меньший радиус изгиба при низком профиле увеличивает усталость. Требуется кабельный держатель или плоский ленточный кабель. Введение джиттера.
• Аксессуары — жесткие упоры, кронштейны жесткости, сильфоны, амортизаторы , вентиляторы воздушного охлаждения , ограничители, изгибы, захваты концевых эффекторов роботов , камера машинного зрения и датчики для искусственного интеллекта , машинное обучение , мониторинг, такие как акселерометры , датчики температуры и гироскопы .
• сервопривод — усиление сигналов управления движением для привода серводвигателей. От малой мощности до 10кВт. Например, мощность 40 кВт при приводе линейного двигателя большой силы 10 000 Н, движущегося со скоростью 4 м/с. Напряжение постоянного тока варьируется от безопасных 24 В/48 В до более 400 В. Высокая скорость обновления токовой петли сигналов двигателя составляет порядка тысяч Гц. Популярная сетевая связь с контроллером движения осуществляется через EtherCAT .
• движения ПИД-регулятор — варианты включают в себя числовое программное управление (ЧПУ), одноосное, многоосное, на базе ПК, автономное или интегрированное с сервоприводом и/или ПЛК, включая ввод-вывод, автоматическую настройку, диагностику и программирование, доступные из нескольких источников.
• Программируемый логический контроллер (ПЛК) — более высокий уровень иерархической системы управления для управления последовательностью процессов, предоставляемый многими поставщиками.

Тестирование системы

Тестирование системы — это итеративный процесс разработки системы, предназначенный для проверки моделирования системного анализа, проверки концепций, коэффициента безопасности технических характеристик и приемочного тестирования.

• Ход движения, максимальная скорость, максимальное ускорение, рывок — обычно предоставляются в контроллере движений.
• Линейная точность, повторяемость, плоскостность, прямолинейность, отклонение от курса, шаг - Лазерный интерферометр .
• Угловая точность, повторяемость, биение, вобуляция – Автоколлиматор .
• Время цикла, время стабилизации, джиттер, постоянная скорость — обычно предоставляются в контроллере движения.
• Термическая стабильность — датчики температуры установлены в нескольких местах для наблюдения за теплообменом.
• Инерция, жесткость – шкалы, циферблатные индикаторы и датчик силы .
• Собственная частота , полоса пропускания сервопривода — обычно поставляется с контроллером движения, имеющим инструменты частотной характеристики .
• Среднее время наработки на отказ , Испытание на долговечность – непрерывная работа в течение определенного периода времени без сбоев в экстремальных условиях эксплуатации при постоянном мониторинге с частой визуальной проверкой и проверкой датчиков.

Дальнейшее чтение

• Слокам, Александр (1992). Прецизионное проектирование машин . Общество Производителей. п. 750. ИСБН  0872634922 .