около Том Маккианти, президент, Bell Everman
Внедрение подсистем механического перемещения в машины повышает производительность и снижает затраты.
Если вы создаете машины, вы, вероятно, каждый день работаете с приводами и ступенями позиционирования. Но действительно ли вы получаете наилучшую производительность или минимальную стоимость владения от этих устройств для перемещения? Ответ может оказаться не таким, как вы ожидаете.
Слишком часто инженеры думают о ступенях или исполнительных механизмах просто как об очередном элементе спецификации. Пока устройство перемещения номинально соответствует требуемым требованиям к позиционированию, усилию, полезной нагрузке, скорости и стоимости, можно приступать к работе.
При простых требованиях к движению такой подход к выбору ступени или привода может дать приемлемые результаты. Однако машины со сложными требованиями к механическому перемещению выиграют от встроенной стратегии проектирования движения. Вместо набора электромеханических компонентов, которые могут хорошо работать вместе, а могут и не работать, встроенные системы перемещения функционируют как настоящие подсистемы машин «подключи и работай».
Встроенные системы перемещения спроектированы таким образом, чтобы они помещались в заранее определенное физическое пространство машины и подключались к системе управления движением машины, готовые принимать команды от компьютерного интерфейса верхнего уровня, платы управления или ПЛК. В самом простом варианте встраиваемые системы перемещения могут состоять всего лишь из ступени или привода, оснащенного разъемом для упрощения установки. В своей наиболее сложной форме эти подсистемы движения простираются от распиновки до полезной нагрузки. Они охватывают не только само устройство перемещения, но и все, что оно несет.
По сравнению с покомпонентным подходом к перемещению машины встроенное движение обладает рядом неоспоримых преимуществ:
Механические характеристики. Даже если они используют одну и ту же ступень или привод, встроенные системы перемещения, как правило, превосходят системы перемещения, построенные из компонентов. Причина этого сводится к опыту применения и сборки. Хороший поставщик встроенных систем управления движением будет обладать многолетним опытом решения сложных задач позиционирования и набором проверенных конструкционных блоков управления движением, которые можно настроить под конкретную задачу. У них будет глубокое понимание того, как динамика сцены, архитектура управления движением и операционная среда повлияют на требования к позиционированию.
Что касается сборки, то многим машиностроителям не хватает квалифицированных специалистов, специализированных приспособлений, лазерных интерферометров и других метрологических систем, необходимых для наиболее точного выравнивания многоосевых ступеней, допуски на выравнивание которых часто измеряются в микронах.
Контролирует экспертные знания. Встроенные системы управления движением могут поставляться с элементами управления движением, а могут и не поставляться, в зависимости от требований заказчика. Но стратегия управления всегда должна быть частью встроенного уравнения движения. Хороший поставщик встраиваемых систем управления движением должен обладать обширными знаниями о том, как различные платформы управления движением и их кинематические возможности будут взаимодействовать с механическими системами управления движением. Эти знания могут позволить нам расширить границы возможного с точки зрения динамических возможностей, таких как приемлемые коэффициенты рассогласования инерции (см. ниже).
Надежность. При вводе в эксплуатацию новой системы перемещения некоторые из наиболее распространенных проблем возникают из—за того, что отдельные, казалось бы, незначительные компоненты не работают должным образом — или не взаимодействуют должным образом друг с другом. Например, один неисправный разъем или неправильный провод могут привести к тому, что даже самая лучшая сцена движения останется неподвижной. Встроенное движение позволяет избежать такого рода сбоев, поскольку они собираются и тестируются как единая система перед внедрением на производственном оборудовании. С системами перемещения, состоящими из отдельных компонентов, небольшие сбои и несовместимости могут оставаться незамеченными до тех пор, пока производственная машина не будет собрана воедино.
Снижение затрат. Встраиваемые системы перемещения обычно стоят на 25-50% дешевле, чем их аналоги на основе компонентов. Отчасти эта экономия достигается за счет возможности сократить количество деталей — например, за счет использования кронштейнов, соединителей и других компонентов. Снижение затрат может значительно превысить 50%, если учесть все скрытые компоненты затрат, связанные со строительством и установкой системы движения. Сюда входят затраты, связанные с проектированием, инвентаризацией, выводом продукции на рынок и многое другое (см. ниже).
Многие типы приложений могут воспользоваться преимуществами встроенного движения. Мы внедрили этот подход на десятках полупроводниковых станков, станках для мокрой резки, лазерной резки, упаковки и автоматизации лабораторий. В приведенных ниже примерах рассматриваются два приложения, требования к производительности и стоимости которых было бы невозможно удовлетворить без встроенного решения для перемещения. Одна из них представляет собой линейную встроенную систему перемещения для прецизионной операции выделения полупроводников. Другая — это подсистема вращательного движения, которую мы создали для уникального типа станка с ЧПУ.
Линейный каскад для работы с полупроводниками
Многоярусные ступени любого типа могут испытывать проблемы с выравниванием и управлением, когда вы проектируете и строите их как набор отдельных осей. Если эта многоярусная ступень должна соответствовать сложным требованиям к точности позиционирования или скорости, крайне важно, чтобы ступень функционировала как интегрированная система. Недавно мы поставили именно такой этап для операции выделения полупроводников.
Эта многоосевая ступень требовала линейной приводной системы, достаточно универсальной для выполнения двух совершенно разных типов перемещений. Одним из них было длительное перемещение со скоростью 400 мм/сек. Другим было короткое, высокоскоростное перемещение на 13 мм, которое должно было уменьшиться до 10 микрон за 150 миллисекунд. Движущаяся масса, наблюдаемая по нижней оси системы, составила 38 кг при заданной двунаправленной точности ± 5 микрон, основанной на определении местоположения с помощью 1-микронного оптического линейного энкодера Renishaw.
Заказчик сначала попробовал использовать существующую конструкцию ступени с шариковым винтом XY. С большим отрывом он просто не смог выполнить желаемые действия и удовлетворить требования заказчика к пропускной способности. Теоретически было возможно разработать конструкцию на основе шарикового винта, которая отвечала бы требованиям к движению. Однако для такой конструкции потребовались бы дорогостоящие шариковые винты с нулевым люфтом и энкодеры, что превысило бы целевые показатели стоимости проекта.
Затем заказчик обратился к линейным двигателям. Несмотря на способность совершать желаемые перемещения, линейные двигатели для этого применения были бы большими и дорогими из-за длинной обмотки двигателя, необходимой для удовлетворения требований к постоянному усилию 300 Н. Длина катушки потребовала бы радикальных изменений в общей конструкции машины. А стоимость линейного двигателя была бы более чем на 50% выше целевых показателей заказчика.
В конечном счете заказчик выбрал встроенную систему перемещения, основанную на наших линейных приводах ServoBelt, и нелогичную стратегию управления, которая отказалась от двухконтурного управления в пользу одноконтурного, используя только линейный энкодер.
Система перемещения сервоприводного ремня превосходит более дорогой линейный двигатель, обеспечивая:
Решение с нулевым люфтом. Единственным способом добиться быстрого перемещения указателя в этом приложении было замыкание контуров сервопривода с помощью линейного энкодера, для чего требуется по-настоящему бесшумная приводная линия от двигателя к полезной нагрузке. Сервобелт не имеет люфта, что оказалось необходимым при настройке системы управления, отвечающей динамическим требованиям.
Присущее ему демпфирование. Сервобелт по своей сути обеспечивает превосходное механическое демпфирование, что обеспечивает высокую эффективность настройки — обычно в 4 раза превышающую скорость и позиционный выигрыш, — что приводит к чрезвычайно низкому времени настройки. Линейные двигатели, напротив, должны имитировать это затухание в электронике сервоусилителя, что по своей сути снижает возможный позиционный коэффициент усиления.
Компактная система «подключи и играй». Сцена была спроектирована, собрана и доставлена как единое целое. Мы занимаемся важнейшей настройкой, функциональным тестированием и ускорением работы. Проблемы выявляются в нашем цехе, а не на станках наших клиентов. Проектирование сцены как встроенной системы движения также позволило нам удовлетворить заранее определенные требования к физическому пространству.
Вращательное движение улучшает чистоту поверхности
Трехосевые фрезерные станки с ЧПУ обычно используют системы линейного перемещения для позиционирования режущего инструмента. Мы пошли по другому пути со встроенной платформой с ЧПУ, которую недавно разработали для фрезерования медицинской керамики.
Вместо традиционной трехосевой системы линейного перемещения эта новая настольная машина сочетает в себе поворотные и линейные устройства позиционирования. Поворотные устройства, два из наших блоков ServoBelt 100, обращены друг к другу. Одно из вращающихся устройств оснащено шпинделем с пневматическим приводом со скоростью 150 000 оборотов в минуту. Другой поворотный механизм удерживает заготовку и может поворачивать ее на 180° для обеспечения двусторонней обработки. Линейная ось, приводимая в движение нашим сервоприводом ServoNut, позволяет поворотному устройству с режущими головками перемещаться в осевом направлении относительно поворотного устройства, удерживающего заготовку.
Все три устройства перемещаются синхронно во время операций механической обработки. Линейная ось управляет позиционированием по оси Z, подводя режущий инструмент к торцу заготовки. Два сервоприводных ремня вращаются относительно друг друга, так что режущий инструмент может достигать любой точки на поверхности заготовки размером 40 x 40 x 40 мм.
Поворотная конструкция давала важные технические преимущества. Во-первых, поворотные ступени обладают чрезвычайно высокой жесткостью, что имеет решающее значение для соблюдения допусков на механическую обработку. С другой стороны, ротаторы смазываются на весь срок службы, что экономит затраты на техническое обслуживание и снижает вероятность загрязнения. И, наконец, поворотные ступени обеспечили простое герметизирующее решение, защищающее компоненты механизма от смазочно-охлаждающей жидкости и летящей керамической пыли. Обе поворотные ступени проходят через простые поворотные уплотнения в стенке режущей камеры. Система XYZ motion, напротив, потребовала бы менее элегантных вариантов уплотнения, таких как сильфоны и крышки armadillo.
Координированное движение в этой системе потребовало переосмысления кинематики ЧПУ — в значительной степени потому, что вращательное позиционирование режущего инструмента и заготовки требует использования полярных координат, а не декартовых. Контроллер по-прежнему принимает команды в G-коде XYZ, но преобразует их в полярные координаты в режиме реального времени, что является непростой задачей.
Так зачем же прилагать такие усилия? Вращательное движение имеет неотъемлемое преимущество перед линейным в обеспечении гладкой поверхности керамических деталей. Причина сводится к “грохоту”, который могут издавать даже самые лучшие линейные подшипники и шариковые винты, когда шарики в нагруженном состоянии циркулируют между канавками подшипника и выходят из них. Этот грохот мяча отразился бы от системы перемещения и передался бы детали в виде периодических изменений качества поверхности. Благодаря поворотным подшипникам большого диаметра поворотные ступени ServoBelt по своей сути полностью устраняют проблему грохота шариков.
Этот нетрадиционный станок с ЧПУ обладает всеми признаками идеального встраиваемого приложения для перемещения. Это требовало:
Как средства управления, так и опыт в области механики.Объединение механической системы с элементами управления и усилителями, поддерживающими сложную кинематику полярного движения, потребовало системного подхода и месяцев испытаний. Нам также пришлось разработать набор методов центровки и инструментов для создания этой новой системы ЧПУ.
Компактная конструкция, простая интеграция. На этом настольном станке с ЧПУ большое значение имело пространство. Конструкция ServoBelt Rotary, отличающаяся большим сквозным отверстием, позволяющим эффективно использовать имеющееся пространство. Сквозные отверстия диаметром 100 мм позволили легко подводить воздух непосредственно к шпинделю, встроить указатель материала со стороны заготовки и выполнить все необходимые подключения питания.
Сдерживание затрат. Одним из интересных аспектов этой встроенной системы перемещения является то, что она не сложнее, чем должна быть. Основное функциональное требование касалось отделки поверхности, а не точности позиционирования. Потребности в позиционировании на самом деле довольно скромны, по крайней мере, по нашим стандартам. Таким образом, мы смогли отказаться от кодеров прямого считывания и запустить всю систему в режиме разомкнутого контура. Это сэкономило нашему заказчику тысячи долларов на каждой машине.
Начало работы со встроенным движением
Переход от покомпонентных систем управления движением к встроенным системам управления движением может показаться невероятным. В конце концов, вы передадите управление движением на аутсорсинг поставщику.
Однако, если вы выберете правильного поставщика, аутсорсинг окупится повышением производительности и надежности. Затраты также снизятся, поскольку подсистемы управления движением прибудут на ваше предприятие полностью протестированными, с гарантией и готовыми к установке на ваше оборудование.
Белл Эванс
www.bell-everman.com
Свежие комментарии