Немногие технологии перемещения демонстрируют больше инноваций, чем этапы позиционирования. Их аппаратное и программное обеспечение все чаще адаптируется к конкретным требованиям к производительности, во многом благодаря более тесной интеграции и передовому программированию. Неудивительно, что современные системы позиционирования позволяют выполнять перемещения с невероятной точностью, синхронизировать сложные команды управления осями и оптимизировать перемещение с помощью тандема грубых и точных приводов, замыкая цикл на одной общей обратной связи по положению.

Ключом к этим разработкам является постоянное совершенствование механических компонентов. “Более глубокое понимание механических конструкций, которые наилучшим образом используют новейшие методы измерений и моделирования, позволяет нам улучшить динамические характеристики. Например, благодаря [истинно механическому] минимальному поступательному движению в 1 нм теперь можно выполнять чрезвычайно малые и надежные шаги с помощью существующих конструкций”, — сказал Беда Эспиноза, менеджер по продукции motion в Newport Corp.

Инновации в области обратной связи и управления также улучшают метрологию, особенно в высокопроизводительных преобразователях. “В современных самых современных энкодерах используется новая оптика, которая обеспечивает нанометровое разрешение и повторяемость за счет ступеней с шагом в несколько миллиметров или дюймов. Тем временем алгоритмы управления продвинулись настолько, что даже большие, сильно нагруженные ступени могут выполнять движения с точностью до субмикронных величин”, — сказал Скотт Джордан, директор по нанотехнологиям автоматизации в Physik Instrumente (PI) LP.

_{Вот как работает контроллер, чтобы замкнуть цикл обратной связи по одному положению даже при одновременном движении по курсу и точном срабатывании.}

Аналогичным образом, современные методы метрологии и контроля обеспечивают все более высокие эксплуатационные характеристики пьезоэлектрических каскадов, которые обеспечивают высокую пропускную способность при различных степенях свободы.

“На этих этапах создаются приложения, которые всего несколько лет назад были за гранью воображения: усовершенствованные микроскопы, которые преодолевают предел Рэлея; полупроводниковая литография, которая отслеживает закон Мура вплоть до атомного масштаба; производство кремниевой фотоники, которая объединяет изысканные нанооптические структуры с микроэлектроникой нового поколения; и геномные анализаторы, которые являются доступность быстро приближается к уровню клиники. Все это глубокие разработки, и они являются лишь образцом”, — сказал Стефан Вордран из Physik Instrumente.

Также есть разработки в области линейных двигателей с звуковыми катушками, которые обеспечивают движение с амплитудой в миллиметрах в течение длительных рабочих циклов при точном регулировании усилия. Подробнее после скачка.

В области исследований компания PI разработала новые классы пьезодвигательных каскадов с большим ходом, которые перемещаются на миллиметры с наноразмерной стабильностью положения в течение длительных интервалов в несколько минут. В сочетании со ступенями многоосевого нанопозиционирования это помогает новым методам пострелеевской микроскопии еще глубже проникнуть в ранее скрытую механику самой жизни.

Джордан добавил, что все больше конечных пользователей стремятся приобрести готовые рабочие места и декартовых роботов, и эта тенденция отражает потребность в скорости как в промышленных, так и в исследовательских приложениях. Современные инновации развиваются стремительно, поскольку новые открытия и технологии постоянно расширяют возможности новых приложений. По словам Джордана, неудивительно, что сегодняшним пользователям движущегося оборудования нужны разработчики, а не поставщики компонентов, техническое мастерство которых основано на достоверных данных, а не на фантастической рекламе.

Улучшения в декартовых настройках формочек для печенья

На крупномасштабных сценах передовая философия заключается в том, чтобы заранее продумать многоосевую штабелируемость, а не в том, чтобы штабелировать в последнюю очередь. Так считает Майк Эверман, директор и главный технический директор Bell Everman. По его словам, многоярусные ступени следует проектировать с самого начала с учетом их компоновки, а не скреплять болтами отдельные компоненты с помощью громоздких кронштейнов. Например, шасси верхней ступени в штабеле может заменить верхнюю пластину нижней ступени, а не адаптироваться к ней. Это сокращает количество деталей, увеличивает высоту и допускаемые отклонения. “Подход, который гласит: ”Добавьте это, и это, и это со страницы 356 нашего каталога», не подходит для решений, оптимизирующих движение», — сказал Эверман.

“Мы видим растущий спрос на интегрированные системы точного перемещения”, — согласился Джордан. Традиционным способом получения многоосевого перемещения было объединение отдельных линейных ступеней в комбинации X-Y-Z. Затем, если машине требуется больше степеней свободы, разработчик добавляет угломеры и ступени поворота для тета-X (крен), тета-Y (шаг) и тета-Z (рыскание). “Несмотря на модульность и простоту, такой последовательный кинематический подход не всегда является лучшим. Он может быть громоздким и накапливать ошибки линейного и углового позиционирования, которые на выходе становятся большой неожиданностью в том месте, где это наиболее важно для применения”, — сказал Джордан. Кроме того, кинематика серийных устройств ограничена их механическими подшипниками с одним центром вращения.

Джордан рекламировал платформы Stewart как превосходный подход к многоосевому перемещению, по крайней мере, для небольших и чрезвычайно точных перемещений. “Движение роботов на платформе hexapod определяется не линейными и поворотными подшипниками, а математическими алгоритмами в контроллере», — сказал он. Преимущества заключаются в определяемом пользователем центре вращения, также называемом точкой поворота; отсутствии накопления ошибок при перемещении отдельных осей; отсутствии проблем с управлением кабелями; меньшей инерции и большей жесткости, поскольку шесть параллельных приводов поддерживают единую платформу; и открытом отверстии. Существует множество конструкций Hexapod. Показательный пример: если большие диапазоны перемещения в плоскости X-Y более важны, чем другие четыре степени свободы, PI рекомендует использовать плоскостную конструкцию с низким профилем.

“Мы используем наш опыт в области проектирования, материалов и производства, чтобы обеспечить этапы, самостоятельное изготовление которых было бы дорогостоящим для конечного пользователя. В будущем мы увидим слияние различных приводных технологий и непрерывную миниатюризацию многоосевых систем, таких как hexapods”, — согласился Эспиноза из Newport.

_{Эта конструкция PI SpaceFAB имеет больший диапазон позиционирования по оси X-Y и более низкий профиль, чем аналогичные платформы Stewart.}

“Используя традиционные системы перемещения, параллельные позиционеры, электромагнитные и пьезоэлектрические двигатели, мы можем работать с множеством приложений и извлекать уроки из различных дисциплин и отраслей промышленности”, — сказал Джордан из Physik Instrumente. “Например, конечный пользователь, занимающийся геномикой, может извлечь выгоду из уроков, извлеченных в области производства полупроводников, а конечный пользователь, занимающийся фотоникой, может использовать инструменты и технологии, основанные на передовых приложениях в области астрономии, и т.д.”. В современном мире, который становится все более взаимосвязанным, инновации происходят на стыках», — добавил он.

_{Это высокоскоростной линейный двигатель hexapod в действии.}

Обратите внимание, что большинству машин требуются “коммуникации”, подключенные к полезной нагрузке или следующей оси — воздух для пневматических конечных устройств, сигналы обратной связи или вакуумные линии, — поэтому подключение кабелей двигателя к системе управления кабелями не требует особых усилий. “Вот почему одним из технических достижений, которые мы внедрили, является конструкция с подвижным двигателем, в которой подвижная каретка содержит приводной двигатель”, — сказал Эверман.

В частности, компания Everman рекомендует использовать СервоБелт, сервонут и другие варианты линейных двигателей с большим ходом на общую длину ступени. Оптимизация хода в расчете на общую длину актуальна, поскольку многие инженеры проектируют машины «снаружи внутрь» — подход, который неизменно приводит к запросам на сложные спецификации длины хода в рамках заданной общей длины, поскольку границы уже установлены. “В данном случае на этапах каталогизации редко удается достичь хороших соотношений. Напротив, установки с движущимися двигателями и станки с несколькими каретками на одной оси (или несколькими мостами на базовых осях портала) дают лучшие результаты”, — сказал Эверман.

Он признал, что традиционные винтовые ступени — с двигателем и соединительной муфтой на конце ступени — все еще имеют свое место. “Их, как правило, проще реализовать, когда нет необходимости подводить инженерные коммуникации к полезной нагрузке или когда общая длина не является проблемой. В таких случаях мы обычно отказываемся от ступеней с приводным винтом, встраивая соединитель двигателя внутрь ступени, как в большинстве планетарных редукторов”, — сказал он. Это позволяет соединителю занимать то же пространство, что и каретке в конце хода двигателя. Корпус соединителя отсутствует, поэтому длина двигателя — это единственное, что увеличивает общую длину ступени. “Аналогично, мы устанавливаем тормоза для отключения питания внутри ступеней на свободном конце винта, а не на двигателе. Это сокращает длину и устраняет технические проблемы, связанные с тормозными двигателями”, — сказал Эверман. Кроме того, это позволяет производителю взять на себя ответственность за остановку и приведение в движение ступеней независимо от выбора конечным пользователем двигателей сторонних производителей.

Этапы — это сумма частей

Интеграция является ключом к получению максимальной отдачи от этапов производства, а это означает, что разработчики оборудования должны адаптировать элементы управления к конкретным областям применения.

“С точки зрения технологических достижений для более высокопроизводительных приложений, мы видим, что интегрированная мехатроника необходима, и достижения во всех областях мехатроники действительно являются ключевыми движущими силами инноваций. В конце концов, система хороша настолько, насколько хорошо ее самое слабое звено. Таким образом, если у дизайнера есть отличное сценическое решение и плохие средства управления и приводы, конечным результатом является неэффективная система”, — сказал Брайан О’Коннор, менеджер по продукции Aerotech.

Что делает современные разработки интересными, так это то, что все технологии, используемые в ступенях, продолжают развиваться. Поэтому сейчас всегда есть более компактные и точные устройства обратной связи, более эффективные двигатели и приводы, а также более эффективные подшипники, которые объединяются в более эффективные интегрированные ступени. “Например, в наши нанопозиционеры встроены двигатели с прямым приводом. Это позволяет уменьшить габариты корпуса, улучшить управление температурой и позиционирование на нанометровом расстоянии”, — сказал О’Коннор.

Электроника с обратной связью с пониженным уровнем шума и улучшенные усилители мощности обеспечивают высокую производительность при движении, хотя, возможно, более важной разработкой является постоянно совершенствующийся набор алгоритмов управления, повышающий точность позиционирования и производительность. “Примером комплексного мехатронического подхода являются наши пьезоэлектрические нанопозиционеры и приводная электроника”, — сказал О’Коннор. Система обратной связи, подшипниковая система, силовая электроника и средства управления были разработаны с нуля. “Этот подход, хотя и более затратный в разработке, действительно обеспечивает разрешение позиционирования на атомарном уровне, повторяемость и точность”, — добавил он.

Элементы управления также предоставляют инженерам больше возможностей, чем когда-либо, для сетевого позиционирования осей сцены. Рассмотрим, как инженеры из Moog Animatics разработали Combitronic Communications для работы через интерфейс Controller Area Network (CAN), который представляет собой то же базовое оборудование, которое используется в большинстве автомобильных и промышленных сетей, таких как CANopen и DeviceNet. Однако, в отличие от этих протоколов, для работы сети Combitronic не требуются выделенные ведущие или подчиненные устройства.

Вместо этого все сетевые сервоустройства взаимодействуют как устройства с равным рангом для совместного использования информации и ресурсов обработки.

Автономные алгоритмы линейной интерполяции связи позволяют любому из интеллектуальных двигателей сети управлять интерполированными путями между несколькими двигателями одновременно. Это обеспечивает синхронизированное движение без централизованного процессора, так что конечные пользователи могут управлять скоростью движения по траектории, ускорением, замедлением и целевыми точками в трех декартовых измерениях.

Для больших портальных станков с параллельными осями синхронизированные команды позволяют пользователям комбинировать до трех пар двигателей для полного управления осями X, Y и Z. В любой момент могут быть добавлены дополнительные оси перемещения, пропорциональные главной оси. Это позволяет использовать более 100 синхронизированных профилей движения одновременно.

_{В этом видео представлены 14 приводов Moog Animatics L70, управляемых 14 смарт-двигателями. Последние представляют собой комбинации сервопривода, контроллера движения, двигателя, привода, энкодера и усилителя, которые используют технологию Combitronic по каналу CANbus для синхронного управления движением. Одновременно могут быть подключены до 99 интеллектуальных двигателей.}

Позиционирование на рынке — этап инноваций

Множество отраслей промышленности вносят изменения в конструкцию интегрированных систем. “В медицинских приложениях, для исследований в области неврологии и биологии сегодня требуются системы позиционирования с уровнем производительности, который был недостижим 10 лет назад”, — сказал О’Коннор из Aerotech. Еще одной областью, привлекающей большое внимание, является аддитивное производство. В научных кругах и институтах проводится множество исследований, направленных на понимание технологических параметров и пределов точности изготовления, добавил О’Коннор. Системы управления движением лежат в основе машин и метрологических систем, которые характеризуют детали, выходящие из этих машин. “Потребность в системах с более высокой производительностью требует более широкого применения мехатроники во всех аспектах”, — сказал он.

Упаковочная промышленность является еще одной ведущей отраслью. ”Похоже, что она является основной отраслью, в которой создаются быстрые встраиваемые подсистемы», — сказал Эверман. “У интеграторов, специализирующихся на упаковочных линиях, нет времени или желания выполнять многоосевые функции с нуля, ось за осью. Кроме того, нецелесообразно использовать такого рода талантливых дизайнеров в течение всего года для удовлетворения разовых потребностей, поэтому интеграторы упаковки предпочли бы, чтобы все операции на линии сводились к двум вопросам: «Могу ли я поговорить с этим роботом?» и «Может ли мой продукт проходить по линии от одного конца до другого».?”

Специализированные ЧПУ также находят все большее применение — например, в коронкофрезерных станках в кабинетах стоматологов или 3D—принтерах в учебных аудиториях. Как правило, лучшие производственные линии имеют специальное назначение, например, программируемые устройства с G-кодом, которые просверливают отверстия определенного типа в одной детали в течение всего дня и ночи, пояснил Эверман. Перепрофилирование универсального станка с ЧПУ для решения узких задач может в два-три раза превысить затраты на создание специализированного станка с ЧПУ. Это соотношение затрат частично обусловлено наличием экономичных систем управления с ЧПУ, которых не было десять лет назад.

“Недавно мы внедрили подсистемы перемещения для улучшения общей конструкции станков в полупроводниковых системах с мокрым покрытием, портативном медицинском оборудовании для визуализации, станках для лазерной резки и системе фрезерования зубных коронок”, — сказал Эверман. “Мы также наблюдаем рост числа крупноформатных приложений, которые используют нашу способность соединять ступени сервомотора без ограничений по длине, компромиссов в повторяемости и трудностей с вводом в эксплуатацию. Выполнение широкоформатных работ с линейными двигателями обходится чрезвычайно дорого, их трудно выполнить точно с помощью реечных механизмов и практически невозможно выполнить качественно с помощью винтов или обычных ремней. Я говорю «хорошо», потому что мы сталкивались с жалобами на длительный ход винтов, на перебои в работе, которые, похоже, никогда не работают в сложных условиях”.

По словам Вордрана, трудно представить себе отрасли, которые не поощряли бы изменения в дизайне интегрированных стадий. Это эпоха огромных перемен и стремительного прогресса. “Например, в области наук о жизни мы наблюдаем стремительный рост персональной медицины, когда методы лечения разрабатываются индивидуально с учетом ДНК пациента. При хранении данных плотность областей продолжает увеличиваться”.

В производстве полупроводников масштабы устройств продолжают экспоненциально уменьшаться, и сейчас наступает новая эра кремниевой фотоники, которая обещает постепенное повышение энергоэффективности и пропускной способности центров обработки данных, сказал Джордан. “Новые усовершенствованные микроскопы, такие как те, за которые в этом году была присуждена Нобелевская премия, позволяют по-новому взглянуть на структуру жизни. Настало замечательное время для сверхточного управления движениями, которое занимает центральное место во всем этом”, — добавил он.
Наглядный пример: PI сотрудничает с компаниями, производящими полупроводники и фотонику, для решения быстро возникающих задач автоматизации производства, тестирования и упаковки, поскольку фотонные устройства внедряются на кремниевые пластины наряду с интегральными схемами. “Это действительно новая эра для производителей полупроводников, и ставки очень высоки. Требования к тестированию чрезвычайно высоки, а время тестирования обходится очень дорого. Чтобы решить эти проблемы, мы изобрели технологию автоматизации выравнивания, которая позволяет экономично интегрировать быстрое тестирование и автоматизацию упаковки в рабочий процесс производства полупроводников”, — сказал Джордан. — В этих приложениях используется все, что мы узнали о создании надежных и пригодных для производства узлов автоматизации”.

Заключительные слова дистрибьюторов на сцене

Отвечая на вопрос о новых способах определения этапов конечными пользователями, Эверман сказал, что дистрибьюторы ценят свои привилегии при входе, и клиенты иногда требуют привлечения дистрибьютора, чтобы сократить число поставщиков и максимизировать скидки за объем. “Однако, учитывая высокую технологичность встраиваемых систем управления движением, нашим дистрибьюторам пришлось стать партнерами, которые плавно переходят от решения простых задач к выполнению более сложных инженерных работ”. Что касается производства, Эверман сказал, что всем пришлось стать компактнее, перевозить меньше инвентаря и будьте более чутки к запросам об изменениях объема, функций и оперативности выполнения общих заказов. “Будь ловок или умри”, — заключил он.