Un sistema de posicionamiento de alto rendimiento (HPPS) es un tipo de sistema de posicionamiento que consiste en una pieza de equipo electromecánico (por ejemplo, un conjunto de etapas lineales y etapas giratorias ) que es capaz de mover un objeto en un espacio tridimensional dentro de un entorno de trabajo. El posicionamiento se puede hacer punto a punto oa lo largo de una trayectoria de movimiento deseada . La posición se define típicamente en seis grados de libertad , incluido el lineal, en un sistema de coordenadas cartesianas x, y, z y orientación angularde guiñada, cabeceo, balanceo. Los HPPS se utilizan en muchos procesos de fabricación para mover un objeto (herramienta o pieza) con suavidad y precisión en seis grados de libertad, a lo largo de una trayectoria deseada, en una orientación deseada, con alta aceleración , alta desaceleración , alta velocidad y bajo tiempo de asentamiento . Está diseñado para detener rápidamente su movimiento y colocar con precisión el objeto en movimiento en la posición y orientación finales deseadas con un temblor mínimo.
HPPS requiere características estructurales de baja masa móvil y alta rigidez. La característica del sistema resultante es un valor alto para la frecuencia natural más baja del sistema. La alta frecuencia natural permite que el controlador de movimiento conduzca el sistema a un ancho de banda de servo alto , lo que significa que el HPPS puede rechazar todas las frecuencias perturbadoras de movimiento, que actúan a una frecuencia más baja que el ancho de banda. Para perturbaciones de frecuencia más alta como vibración del piso , ruido acústico , engranaje del motor, vibración de los cojinetes y traqueteo del portador de cable , HPPS puede emplear materiales compuestos estructurales para soportes de amortiguación y aislamiento para atenuar la vibración . A diferencia de los robots articulados, que tienen uniones revolucionarias que conectan sus eslabones, los eslabones HPPS normalmente consisten en uniones deslizantes, que son relativamente más rígidas que las uniones revolucionarias. Esa es la razón por la que los sistemas de posicionamiento de alto rendimiento a menudo se denominan robots cartesianos .
Actuación
HPPS, impulsado por motores lineales, puede moverse a una alta velocidad combinada del orden de 3-5 m / s, altas aceleraciones de 5-7 g, a una precisión de posicionamiento de micrones o submicrones con tiempos de establecimiento del orden de milisegundos y ancho de banda del servo de 30-50 Hz. Los actuadores de husillo de bolas, por otro lado, tienen un ancho de banda típico de 10-20 Hz y los actuadores accionados por correa de aproximadamente 5-10 Hz. El valor de ancho de banda de HPPS es aproximadamente 1/3 de la frecuencia natural más baja en el rango de 90-150 Hz. El tiempo de estabilización a +/- 1% de velocidad constante, o + / - 1 um de jitter, después de una alta aceleración o una alta desaceleración, respectivamente, toma aproximadamente 3 períodos de ancho de banda. Por ejemplo, un ancho de banda de servo de 50 Hz, que tiene un período de 1/50 · 1000 = 20 mseg, se establecerá en una precisión de posición de 1 um dentro de un estimado de 3 · 20 = 60 mseg. La frecuencia natural más baja es igual a la raíz cuadrada de la rigidez del sistema dividida por la inercia en movimiento. Un riel de cojinete de recirculación lineal típico, de una etapa de posicionamiento de alto rendimiento, tiene una rigidez del orden de 100-300 N / um. Se requiere rendimiento Tal en semiconductor equipos de proceso, de electrónica de líneas de montaje , de control numérico de máquinas herramienta , máquinas de medición de coordenadas , impresión 3D , pick-and-place máquinas , el descubrimiento de fármacos ensayar y muchos más. En su rendimiento más alto, los HPPS pueden usar una base de granito para estabilidad térmica y superficies planas, cojinetes de aire para movimiento sin fluctuaciones , motores lineales sin escobillas para sin contacto, actuación sin fricción, alta fuerza y baja inercia, e interferómetro láser para retroalimentación de posición submicrónica. Por otro lado, un robot articulado típico de 6 grados de libertad , con un alcance de 1 m ', tiene una rigidez estructural del orden de 1 N / um. Es por eso que los robots articulados se emplean mejor como equipos de automatización en procesos que requieren una repetibilidad de posición del orden de 100 micrones, como soldadura robotizada , robots de pintura , paletizadores y muchos más.
Historia
Los HPPS originales se desarrollaron en Anorad Corporation (ahora Rockwell Automation ) en la década de 1980, después de la invención de los motores lineales sin escobillas por el fundador y director ejecutivo de Anorad , Anwar Chitayat . Inicialmente, los HPPS se utilizaron para procesos de fabricación de alta precisión en aplicaciones de semiconductores como Applied Materials , PCB Inspection Orbotech y High Velocity Machine Tool Ford . [1] En paralelo, la tecnología de motores lineales y su integración en HPPS se expandió por todo el mundo. Como resultado, en 1996 Siemens integró su CNC con motores lineales Anorad para impulsar una máquina Maskant de 20 m de largo en Boeing para el fresado químico de alas de aviones . [2] En 1997, FANUC obtuvo la licencia de la tecnología de motores lineales de Anorad y la integró como una solución completa con su línea de productos CNC. [3] Y en 1998, Rockwell Automation adquirió Anorad para competir con Siemens y Fanuc en el suministro de soluciones de motor lineal completas para impulsar máquinas herramienta de alta velocidad en líneas de transferencia de automoción . [4] En la actualidad, los motores lineales se utilizan en cientos de miles de sistemas de posicionamiento de alto rendimiento , que impulsan los procesos de fabricación en todo el mundo. Se espera que su mercado crezca, según algunos estudios, a un 4,4% anual y alcance los 1,500 millones de dólares en 2025. [5]
Requisitos del sistema
Aplicaciones
- Semiconductores: la fotolitografía es un proceso de fabricación de obleas (electrónica) en plantas de fabricación de semiconductores . Utiliza etapas de motor lineal o etapas de levitación magnética, para un posicionamiento extremo, para mover su etapa de oblea. [6]
- Electrónica: la tecnología de montaje en superficie utiliza sistemas de posicionamiento de motor lineal de alto rendimiento para montar chips de circuitos integrados en placas de circuitos impresos . [7]
- Óptica: los microscopios estereoscópicos utilizan etapas de posicionamiento de motor lineal para lograr una gran suavidad de movimiento durante el escaneo [8]
- Máquinas herramientas: el mecanizado por descarga eléctrica de alambre se utiliza para cortar metales duros y gruesos como en Troqueles (fabricación) . Los sistemas de posicionamiento de motor lineal / cojinete de aire proporcionan una gran suavidad de movimiento. [9]
- CMM: la máquina de medición de coordenadas a menudo requiere una base de granito, montajes de aislamiento, actuadores de motor lineal, cojinetes de aire e interferómetro láser. [10]
- Automatización de laboratorio: el proceso de detección de alto rendimiento se utiliza en la automatización de laboratorio para el descubrimiento de fármacos , donde el posicionamiento del motor lineal proporciona una alta aceleración / desaceleración con un tiempo de estabilización corto. [11]
Especificaciones
La especificación del sistema (estándar técnico) es una interfaz oficial entre los requisitos de la aplicación (problema), tal como los describe el usuario (cliente) y el diseño (solución) optimizado por el desarrollador (proveedor).
- Inercia : indica la resistencia de la carga en movimiento (herramienta o pieza) al cambio de velocidad lineal (kg) y angular (kg · m2). Para maximizar la frecuencia natural, la inercia de la carga en movimiento debe ser mínima.
- Tamaño: indica las restricciones geométricas del ancho (m), largo (m) y alto (m) del sistema, según sea necesario para la manipulación, transporte e instalación.
- Movimiento : indica el tiempo del ciclo del proceso y las restricciones del proceso para cada grado de libertad , incluido el recorrido máximo (m, rad), la velocidad máxima (m / s, rad / s) y la aceleración / desaceleración máxima (m / s2, rad / s2).
- Precisión: indica la resolución lineal y angular de la medición de la posición y el movimiento (um, urad), así como la lectura total del indicador de precisión y precisión para cada grado de libertad.
- Jitter : indica la amplitud máxima (um) de vibraciones de alta frecuencia permitida en condiciones de reposo.
- Velocidad constante: indica la suavidad de movimiento requerida y las variaciones permitidas en (+/-%) de la velocidad constante requerida (m / s, rad / s) durante el movimiento.
- Rigidez : indica la resistencia del cambio de posición en respuesta a una carga externa (N / um, N · m / rad).
- Vida útil: indica el tiempo esperado (horas) o el recorrido (km) en el que se espera que el grado de libertad más activo del sistema actúe de manera confiable en la operación del proceso.
- Fiabilidad: tiempo medio entre fallas (horas, ciclos) a menudo asociado con un requisito de modos de falla, efectos y análisis de diagnóstico.
- Capacidad de mantenimiento: tiempo medio de reparación (horas), a menudo asociado con los manuales del sistema, incluido el funcionamiento, el programa de mantenimiento y la lista de piezas de repuesto.
- Entorno: indica las condiciones de perturbación esperadas que el sistema puede encontrar durante el funcionamiento dentro de su vida útil, incluidas las térmicas, la humedad, los golpes y vibraciones, la limpieza y la radiación.
Ambiente
- Térmico: indica la temperatura más alta y más baja (° C) que puede soportar el sistema durante su funcionamiento. Efectos de deformaciones estructurales y precisión. Puede requerir refrigeración, aislamiento y material de baja conductividad térmica.
- Humedad : indica el nivel de vapores de agua en el aire circundante (%). Puede incluir la protección del sistema requerida según el código IP . Puede requerir sellos protectores.
- Choque (mecánica) y vibración: indica el nivel de vibración del piso y otras alteraciones del proceso. Puede requerir montajes de aislamiento de vibraciones activas o pasivas y material estructural con alta amortiguación. [12]
- Limpieza : indica el nivel permitido (tamaño y cantidad por unidad de volumen) de partículas en el aire circundante. Puede requerir operación en sala limpia , filtración del aire entrante y sellos protectores. [13]
- Radiación: las interferencias electromagnéticas pueden requerir una gestión de cables blindados, material estructural no ferroso y pantallas protectoras de las placas magnéticas del motor lineal.
Solución de sistema
Configuración
La configuración de HPPS se optimiza típicamente para máxima rigidez estructural con máxima amortiguación e inercia mínima, el menor error de Abbe en el punto de interés (POI), con componentes mínimos y máxima capacidad de mantenimiento.
- X: una sola etapa lineal , impulsada por un motor lineal , husillo de bolas o correa de distribución , normalmente está disponible como actuador estándar (también conocido como deslizador, eje o mesa) de muchos proveedores. [14]
- XYZ: un conjunto personalizado de etapas individuales, incluida la gestión de cables móviles . El eje Z se acciona típicamente con un husillo de bolas o un motor lineal con contrapeso . Los ejes se pueden separar para reducir la inercia.
- XYZR: los ejes de rotación que incluyen cabeceo, guiñada y balanceo se agregan normalmente en HPPS para orientar la herramienta del extremo del brazo (EOAT) o el efector final del robot .
- Pórtico: la configuración del pórtico proporciona un entorno de trabajo máximo en la configuración XYZ según las restricciones de tamaño dadas. Dispone de 2 ejes paralelos para x, controlados como eje único o maestro / esclavo. Ideal para líneas de transferencia .
- Rotatorio (cabeceo, guiñada, balanceo): las etapas rotativas se pueden personalizar con una etapa lineal en varios órdenes para cumplir mejor con las especificaciones. Por lo general, utilizan un mecanismo de accionamiento directo , análogo a los motores lineales.
- Personalizado: es posible que se requieran configuraciones personalizadas de HPPS en el proceso de optimización matemática de integrar los mejores componentes del sistema en el sistema más compacto y receptivo.
Análisis del sistema
El análisis del sistema es un proceso de comprensión de las relaciones entre los parámetros de diseño, las condiciones de operación, las variables ambientales y el rendimiento del sistema basado en herramientas de análisis y modelado del sistema.
- Dinámica (mecánica) : optimización del movimiento lineal y los perfiles de rotación , la precisión dinámica, las cargas de los rodamientos y la potencia del motor, utilizando herramientas de análisis como MATLAB , Simulink , Mathcad , Microsoft Excel
- Análisis de vibraciones : estimación de la frecuencia natural , el ancho de banda del servo , los tiempos de estabilización, utilizando herramientas de análisis como MATLAB , Simulink , Mathcad , Microsoft Excel
- Exactitud y precisión : estimación de errores estáticos 3D en el punto de interés en función de la rectitud, planitud, inclinación, inclinación, balanceo, oscilación y desviaciones de los ejes mediante herramientas de análisis como Mathcad , Microsoft Excel
- Resistencia de los materiales : estimación de la rigidez de ejes, marcos, soportes y estructuras de montaje, utilizando herramientas del método de elementos finitos como AutoCAD , Nastran
- Expansión térmica : predecir expansiones térmicas y optimizar la transferencia de calor utilizando aislamiento y refrigeración, utilizando herramientas de análisis como AutoCAD , Nastran
- Dinámica de fluidos : estimación de tasas de flujo y presiones de suministro para actuadores de fluidos y refrigeración mediante herramientas de análisis como la dinámica de fluidos computacional
- Servocontrol : estimación de los filtros necesarios y parámetros de ajuste para los lazos del controlador PID de los ejes del sistema mediante herramientas de análisis como MATLAB , Simulink
- Ingeniería de confiabilidad : estimación del tiempo medio del sistema entre fallas utilizando herramientas de análisis como Mathcad , Microsoft Excel
Dimensionamiento de componentes
El dimensionamiento de los componentes es el proceso de seleccionar piezas estándar de los proveedores de componentes o diseñar una pieza personalizada para la fabricación.
- Marco: generalmente hecho de aluminio o soldaduras de acero de tubos huecos, posiblemente rellenos con compuesto de hormigón para amortiguar. Montado sobre almohadillas niveladoras y asegurado al piso posiblemente con postes para terremotos.
- Solenoide
- deslizamiento, base: las bases de alta precisión utilizan granito para obtener planitud y estabilidad térmica. Las etapas estándar de menor precisión utilizan aluminio extruido. Las etapas personalizadas generalmente usan aluminio acanalado o acero inoxidable mecanizado para baja inercia y alta rigidez.
- cojinete - Las opciones incluyen cojinete de rodillos cruzados para un recorrido relativamente corto, cojinete de recirculación para una mayor rigidez de recorrido más largo y cojinete de aire con base de granito para una alta suavidad de movimiento y mayor precisión.
- servomotor: motor eléctrico de CC sin escobillas , típicamente lineal, para ejes horizontales con corriente trifásica sincronizada en bobina móvil y campo en placas magnéticas estacionarias de bajo cogging. Para ejes de motor lineal vertical se puede utilizar un contrapeso. Las etapas rotativas utilizan 2 partes similares, motor de accionamiento directo, que incluyen una armadura de bobina estacionaria y un rotor magnético móvil.
- retroalimentación - Normalmente codificador de alta resolución, óptico, magnético o captativo, analógico o digital, lineal o rotativo, absoluto o incremental con marca de índice para la referencia. Interferometría láser para viajes largos, precisión submicrónica.
- forcer - Las opciones de Forcer incluyen husillo de bolas para alta fuerza, cremallera y piñón para viajes largos y transmisión por correa de distribución para alta velocidad. Sus limitaciones en HPPS son la fricción, la fluctuación, el juego, la menor rigidez y el mantenimiento.
- gestión de cables: para transmisión de potencia y señales. El eslabón más débil de la cadena de confiabilidad del sistema. El radio de curvatura más bajo para un perfil bajo aumenta la fatiga. Requiere transportador de cable o cable plano plano. Introduce nerviosismo.
- Accesorios: topes rígidos, soportes de refuerzo, fuelles, soportes de amortiguación , ventiladores de enfriamiento de aire , límites, flexiones, pinzas efectores terminales de robot , cámara de visión artificial y sensores para inteligencia artificial , aprendizaje automático , monitoreo como acelerómetros , sensores de temperatura y giroscopios .
- servoaccionamiento : amplificación de las señales de control de movimiento para impulsar los servomotores. Que van desde baja potencia hasta 10s KW. Por ejemplo, 40 KW en el accionamiento de un motor lineal de alta fuerza de 10.000 N moviéndose a 4 m / s. El voltaje de CC varía desde una seguridad de 24 V / 48 V hasta más de 400 V. Las altas tasas de actualización del bucle de corriente, de las señales del motor, son del orden de miles de Hz. La comunicación de red más común con el controlador de movimiento se realiza a través de EtherCAT .
- Controlador PID de movimiento : las opciones incluyen control numérico por computadora (CNC), eje único, eje múltiple, basado en PC, independiente o integrado con servodrive y / o PLC, incluyendo E / S, ajuste automático, diagnóstico y programación disponibles de múltiples fuentes. [15]
- Controlador lógico programable (PLC): nivel superior en el sistema de control jerárquico para el control de la secuencia de procesos, proporcionado por muchos proveedores. [dieciséis]
Prueba del sistema
La prueba del sistema es un proceso iterativo de desarrollo del sistema, destinado a validar el modelado del análisis del sistema, la prueba de conceptos, el factor de seguridad de las especificaciones de rendimiento y las pruebas de aceptación.
- Recorrido de movimiento, velocidad máxima, aceleración máxima, tirón: generalmente se proporciona dentro del controlador de movimiento.
- Precisión lineal, repetibilidad, planitud, rectitud, guiñada, inclinación: interferómetro láser . [17]
- Precisión angular, repetibilidad, descentramiento, oscilación - Autocolimador .
- Tiempo de ciclo, tiempo de estabilización, fluctuación, velocidad constante: generalmente se proporciona dentro del controlador de movimiento.
- Estabilidad térmica: sensores de temperatura montados en varias ubicaciones para observar la transferencia de calor.
- Inercia, rigidez: escalas, comparadores y medidor de fuerza .
- Frecuencia natural , ancho de banda del servo : generalmente se proporciona con un controlador de movimiento que tiene herramientas de respuesta de frecuencia . [18]
- Tiempo medio entre fallos , prueba de vida útil: funcionamiento continuo durante un período especificado sin fallos en condiciones de funcionamiento extremas bajo supervisión continua con frecuentes comprobaciones visuales y de los sensores. [19]
Referencias
- ^ BROWN, STUART (25 de noviembre de 1996). "El Nuevo Mundo Rápido de FLATMOTORS" (PDF) . FORTUNE (portada) .
- ^ Czajkowski, Stephen (septiembre de 1996). "Motores lineales: El futuro de las máquinas-herramienta de alto rendimiento" .
Siemens y Anorad Corp. decidieron que se necesitaba información para respaldar el papel principal que desempeñarán los motores lineales de alto rendimiento como el principal actuador de la máquina herramienta.
- ^ Eidelberg, Boaz (octubre de 2020). "En memoria de un gran líder tecnológico" . LinkedIn.
- ^ "Rockwell Automation compra Anorad, ve la expansión del motor lineal" . Ingeniería de control . 1 de octubre de 1998.
- ^ "Tamaño del mercado de motores lineales 2025" . NOTICIAS DE TENDENCIAS DEL MERCADO DE FRACTOVIA. 23 de diciembre de 2020.
TCAC de 4.4 %% ... USD 1508.1 millones para 2025
- ^ "Velocidad y precisión se encuentran en las avanzadas máquinas de litografía de ASML" . ASML.
¿Tablas de obleas levitando magnéticamente que aceleran más rápido que un avión de combate? ... con una precisión de 60 picómetros ... Todo es parte de la mecánica extrema en las máquinas ASML.
- ^ "Tecnologías de plataforma Fuzion para rendimiento, flexibilidad y rendimiento" . Instrumentos universales.
Sistema de posicionamiento de motor lineal VRM, alta precisión (resolución de 1 μm) ... Alta aceleración: hasta 2.5G
- ^ "Resultados precisos y reproducibles Leica LMT260 XY Scanning Stage" . Leica Microsystems.
... XY Scanning Stage utiliza ... dos motores lineales para producir resultados tan precisos y reproducibles con microscopios estereoscópicos
- ^ "Wire EDM Mecanizado ultrapreciso y acabado superficial para operaciones con alambre pequeño / fino" . Makino.
... logrando una precisión de nivel submicrométrico ... utilizando las máquinas, guías de presión estática neumática y tecnología de movimiento de motor lineal
- ^ "Máquina de medición de alta gama para la máxima precisión" . ZEISS.
... accionamientos lineales en todos los ejes. Los beneficios: altas velocidades, aceleración muy rápida, alta precisión de posicionamiento y accionamientos sin fuerza de corte
- ^ "Nuevo video ilustra el avance en el diseño de automatización de laboratorio" . HEIDENHAIN. 5 de febrero de 2019.
Lograr el alto rendimiento y la extraordinaria precisión necesarios para la automatización del laboratorio.
- ^ " Descarga MIL-STD-810H " . IEST . 31 de enero de 2019.
- ^ "Diseño de máquinas para salas blancas" . Tecnología de sala limpia . 6 de octubre de 2004.
- ^ "Proveedores de Guías Lineales y Etapas Lineales" . GlobalSpec Engineering 360.
484 proveedores de guías lineales y etapas lineales
- ^ "Control de movimiento en línea" . Asociación de motores y control de movimiento mcma.
Empresas que fabrican control de movimiento, motores, software o productos y equipos relacionados.
- ^ "Proveedores de Controladores Lógicos Programables (PLC)" . Ingeniería 360 de GlobalSpec .
Encuentre 656 proveedores de controladores lógicos programables (PLC) con Engineering360
- ^ "Sistema láser XL-80" .
El interferómetro láser Renishaw XL-80 ofrece lo último en medición y calibración de alto rendimiento para sistemas de movimiento, incluidas MMC y máquinas herramienta
- ^ "Analizador de funciones de respuesta de frecuencia" . Control de movimiento ACS.
Aumente el rendimiento con optimización y análisis de frecuencia electromecánica
- ^ Kensler, Jennifer (21 de marzo de 2014). "Mejor práctica de planificación de pruebas de confiabilidad para el tiempo medio entre fallas" (PDF) . STAT T&E COE-Report-09-2013.
El objetivo ... es ayudar a desarrollar estrategias de prueba rigurosas y defendibles para cuantificar y caracterizar de manera más eficaz el rendimiento del sistema y proporcionar información que reduzca el riesgo.
Otras lecturas
- Slocum, Alexander (1992). Diseño de máquinas de precisión . Sociedad de Fabricación. pag. 750. ISBN 0872634922.