600007 г. Владимир, ул. 16 лет Октября, д. 68А, литер "Ф", этаж 2, помещение 12
+7 (4922) 53-10-31
info@skb-proton.ru

Более тесная интеграция и программирование определяют этапы позиционирования в 21 веке

Преобразователи частоты

4-Newport-Conex-017-motion-stageНемногие технологии перемещения демонстрируют более свежие инновации, чем этапы позиционирования. Их аппаратное и программное обеспечение все чаще адаптируется к конкретным требованиям к производительности, во многом благодаря более тесной интеграции и продвинутому программированию. Неудивительно, что современные системы позиционирования позволяют выполнять перемещения с невероятной точностью; синхронизировать сложные команды по осям; и оптимизировать перемещение с помощью приводов грубой и тонкой настройки в тандеме, 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 новые методы измерений и моделирования, позволяет нам улучшить динамические характеристики. Например, с [истинно механическим] минимальным шагом в 1 нм теперь можно выполнять чрезвычайно маленькие и надежные шаги с существующими конструкциями”, — сказала Беда Эспиноза, менеджер по продукции motion в Newport Corp.

Инновации в области обратной связи и управления также улучшают метрологию, особенно на этапах высокого уровня. “Самые передовые на сегодняшний день энкодеры используют новую оптику, которая обеспечивает разрешение в нанометровом масштабе и повторяемость за счет ступеней с шагом в несколько миллиметров или дюймов. Между тем, алгоритмы управления продвинулись настолько, что даже большие, сильно нагруженные ступени могут выполнять движения с точностью до субмикронных величин”, — сказал Скотт Джордан, директор по технологиям наноавтоматизации в Physik Instrumente (PI) LP.

Вот как работает контроллер, замыкающий цикл обратной связи по одному положению, даже при одновременном курсе и точном срабатывании.

Аналогичным образом, передовые методы метрологии и контроля обеспечивают все более высокие эксплуатационные характеристики благодаря пьезоэлектрическим преобразователям, которые обеспечивают управление с высокой пропускной способностью по нескольким степеням свободы.

“Эти этапы приводят к применению технологий, которые всего несколько лет назад были за пределами воображения: усовершенствованные микроскопы, преодолевающие предел Рэлея; полупроводниковая литография, которая отслеживает закон Мура вплоть до атомного масштаба; производство кремниевой фотоники, которая объединяет изысканные нанооптические структуры с микроэлектроникой следующего поколения; и анализаторы генома, которые являются быстро приближается к доступности на уровне клиники. Все это глубокие разработки, и они являются лишь образцом”, — сказал Стефан Ворндран из Physik Instrumente.

Также имеются достижения в линейных двигателях с звуковой катушкой, которые обеспечивают движение с амплитудой в миллиметр в течение высоких рабочих циклов при точном регулировании усилия. Еще больше после прыжка.

В области исследований компания PI разработала новые классы пьезодвигательных ступеней с большим ходом, которые перемещаются на миллиметры с наноразмерной стабильностью положения в течение длительных интервалов в несколько минут. В сочетании с многоосевыми этапами 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 предварительно спроектированные ступени и декартовых роботов, и эта тенденция отражает потребность в скорости как в промышленных, так и в исследовательских приложениях. Современные инновации развиваются быстро, поскольку новые открытия и технологии постоянно растут как снежный ком, быстро расширяя возможности новых приложений. Неудивительно, что сегодняшним пользователям движущегося оборудования нужны вкладчики, а не поставщики компонентов — с техническим мастерством, основанным на достоверных данных, а не на причудливой шумихе, сказал Джордан.

Улучшения в декартовых настройках формочек для печенья

На крупномасштабных сценах передовой философией является предварительное проектирование для многоосевой штабелируемости, а не возможность штабелирования в качестве запоздалой мысли. Так считает Майк Эверман, директор и главный технический директор Bell Everman. По его словам, многоярусные ступени следует проектировать с самого начала с учетом укладки, а не скреплять болтами отдельные компоненты с помощью громоздких кронштейнов. Например, шасси верхней ступени в штабеле может заменять верхнюю пластину нижней ступени, а не приспосабливаться к ней. Это сокращает количество деталей, их высоту и допуски на укладку. “Менталитет, который гласит: ”Добавьте это, и то, и это со страницы 356 нашего каталога», не очень подходит для оптимизированных решений для движения», — сказал Эверман.

“Мы видим более высокий спрос на интегрированные системы точного перемещения”, — согласился Джордан. Традиционным способом получения многоосевого движения 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 (тангаж) и тета Z (рыскание). “Несмотря на модульность и простоту, этот последовательный кинематический подход не всегда является лучшим. Он может быть громоздким и накапливать ошибки линейного и углового позиционирования, которые становятся большим сюрпризом на выходе в точке, где это наиболее важно для приложения”, — сказал Джордан. Кроме того, последовательная кинематика ограничена их механическими подшипниками с одним центром вращения.

Джордан рекламировал платформы Stewart как превосходный подход к многоосевому движению, по крайней мере, для небольших и чрезвычайно точных перемещений. “Движение роботов-платформ hexapod определяется не линейными и поворотными подшипниками, а математическими алгоритмами в контроллере”, — сказал он. Преимуществами являются определяемый пользователем центр вращения, также называемый точкой поворота; отсутствие накопления ошибок перемещения отдельных осей; отсутствие проблем с управлением кабелями; меньшая инерция и более высокая жесткость, поскольку шесть параллельных приводов поддерживают единую платформу; и открытое отверстие. Конструкций гексаподов предостаточно. Показательный пример: Если большие диапазоны перемещения в плоскости X-Y более важны, чем остальные четыре степени свободы, PI рекомендует низкопрофильную плоскую конструкцию.

“Мы используем опыт в области проектирования, материалов и производства, чтобы обеспечить этапы, которые конечному пользователю было бы дорого производить самостоятельно. В будущем произойдет слияние различных приводных технологий и непрерывная миниатюризация 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.

“С традиционными системами перемещения, параллельными позиционерами, электромагнитными и пьезоэлектрическими двигателями мы можем работать над множеством приложений и извлекать уроки из различных дисциплин и отраслей промышленности”, — сказал Джордан из Physik Instrumente. “Например, конечный пользователь в области геномики может извлечь выгоду из уроков, извлеченных при изготовлении полупроводников, а конечный пользователь в области фотоники может использовать инструменты и технологии, основанные на передовых приложениях в астрономии, и так далее”. В современном мире, который становится все более взаимосвязанным, инновации происходят на перекрестках, добавил он.

Это высокоскоростной линейный двигатель hexapod в действии.

Обратите внимание, что большинству машин требуются “вспомогательные устройства”, подключенные к полезной нагрузке или к следующей оси — воздух для пневматических концевых приводов, сигналы для обратной связи или вакуумные линии, — поэтому добавление кабелей двигателя к системе управления кабелями является ненавязчивым. “Вот почему одним из технических достижений, которое мы внедрили, является конструкция с движущимся двигателем, в которой движущаяся каретка содержит приводной двигатель”, — сказал Эверман.

Более конкретно, Everman ссылается на ServoBelt, ServoNut и другие варианты линейных двигателей с большим ходом на общую длину ступени. Максимизация перемещения по общей длине актуальна, поскольку многие инженеры проектируют машины снаружи внутрь — подход, который неизменно приводит к запросам на сложные спецификации длины перемещения в пределах заданной общей длины, поскольку границы уже установлены. “Здесь этапы каталогизации редко позволяют достичь хороших соотношений. Напротив, установки с движущимися двигателями и машины с несколькими каретками на одной оси (или несколькими мостами на базовых осях портала) дают лучшие результаты”, — сказал Эверман.

Он признал, что обычные винтовые ступени — с двигателем и соединителем на конце ступени — все еще имеют свое место. “Как правило, их проще реализовать, когда нет необходимости доставлять утилиты к полезной нагрузке или общая длина не является проблемой. В этих случаях мы обычно отходим от ступеней с приводным винтом, встраивая соединитель двигателя внутрь ступени, как в большинстве планетарных редукторов”, — сказал он. Это позволяет сцепному устройству занимать то же пространство, что и каретка в конце хода двигателя. Корпуса соединителя нет, поэтому длина двигателя — единственный параметр, который увеличивает общую длину ступени. “Точно так же мы устанавливаем тормоза 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 то, как ступени останавливаются и включаются, независимо от выбора конечным пользователем двигателей сторонних производителей.

Этапы — это сумма частей

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

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

Что делает современные проекты интересными, так это то, что все технологии, используемые поэтапно, продолжают развиваться. Таким образом, теперь всегда есть более компактные и точные устройства обратной связи, более эффективные двигатели и приводы, а также высокопроизводительные подшипники, которые объединяются в более производительные интегрированные ступени. “Например, в наши нанопозиционеры встроены двигатели с прямым приводом. Это позволяет получить упаковку меньшего размера с лучшим терморегулированием и нанометровым позиционированием”, — сказал О’Коннор.

Электроника с обратной связью с низким уровнем шума и улучшенные усилители мощности являются движущей силой высокопроизводительного движения, хотя, возможно, более важной разработкой является постоянно совершенствующийся набор алгоритмов управления, повышающий точность позиционирования и пропускную способность. “Примером комплексного подхода к мехатронике являются наши пьезо-нанопозиционирующие ступени и приводная электроника”, — сказал О’Коннор. Система обратной связи, система подшипников, силовая электроника и методы 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 Moog Animatics разработали Combitronic communications для работы через интерфейс Controller Area Network (CAN), который является тем же базовым оборудованием, используемым в большинстве автомобильных и промышленных сетей, таких как CANopen и DeviceNet. Однако, в отличие от этих протоколов, сеть Combitronic для работы не нуждается в выделенных главном или подчиненном устройствах.

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 траекториями сразу для нескольких двигателей. Это обеспечивает синхронизированное движение без централизованного процессора, поэтому конечные пользователи могут управлять скоростью 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 движения в качестве дополнительных осей, пропорциональных главной оси. Это позволяет использовать более 100 синхронизированных профилей движения одновременно.

В этом видео представлены 14 приводов Moog Animatics L70, управляемых 14 интеллектуальными двигателями. Последние представляют собой комбинации сервопривод-контроллер движения-двигатель-привод-энкодер-усилитель, которые используют технологию Combitronic по CANbus для вывода синхронизированного управления движением. До 99 интеллектуальных двигателей могут соединяться вместе.

Рынки, определяющие позиционирование — этап инноваций

Множество отраслей промышленности стимулируют изменения в проектировании интегрированных стадий. “В медицинских приложениях, исследованиях в области неврологии и биологии сейчас 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. О’Коннор добавил, что в академических кругах и институтах проводится множество исследований, направленных на понимание технологических параметров и пределов точности изготовления. Системы перемещения лежат в основе машин и метрологических систем, которые характеризуют детали, сходящие с этих машин. “Потребность в более производительных системах требует большего применения мехатронического подхода во всех аспектах”, — сказал он.

Упаковочная промышленность — еще одна ведущая сила. “Похоже, что это основная отрасль, стимулирующая развитие быстрых встраиваемых подсистем”, — сказал Эверман. “У интеграторов, специализирующихся на упаковочных линиях, нет времени или желания выполнять многоосевые функции с нуля, ось за осью. Также непрактично держать такого рода талантливых дизайнеров в течение всего года для удовлетворения эпизодических 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?”

Специальные ЧПУ также находят все большее применение — например, в коронкофрезерных станках в кабинетах стоматологов или 3D-принтерах в учебных классах. Как правило, лучшие производственные линии имеют специальное назначение, например, программируемые устройства с G-кодом, которые сверлят определенное количество отверстий в одной детали в течение всего дня и ночи, объяснил Эверман. Перепрофилирование универсального станка с ЧПУ для решения узкой задачи может в два-три раза превысить затраты на создание специального станка с ЧПУ. Такое соотношение затрат частично обусловлено наличием экономичных систем управления с ЧПУ, которых не было десять лет назад.

“Недавно мы внедрили подсистемы управления движением для улучшения общей конструкции станков в полупроводниковых системах для мокрого монтажа, портативном медицинском оборудовании для визуализации, станках для лазерной резки и системе фрезерования зубных коронок”, — сказал Эверман. “Мы также наблюдаем рост числа широкоформатных приложений, которые используют нашу способность соединять ступени сервоприводных лент без ограничений по длине, компромиссов в повторяемости или трудностей с вводом в эксплуатацию. Выполнение длинноформатных работ с линейными двигателями чрезвычайно дорого, их трудно выполнить точно с помощью реечных передач и практически невозможно выполнить хорошо с помощью винтов или обычных ремней. Я говорю «хорошо», потому что мы видели заявления о длительном перемещении винтов с периодической поддержкой, которые, похоже, никогда не работают в сложных приложениях ”.

По словам Вордрана, трудно представить отрасли, которые не стимулировали бы изменения в дизайне интегрированных стадий. Это эпоха огромных перемен и стремительного прогресса. “Например, в науках о жизни мы наблюдаем быстрый подход персональной медицины, когда методы лечения разрабатываются индивидуально с учетом ДНК пациента. При хранении данных плотность площадей продолжает увеличиваться.”

В производстве полупроводников масштабы устройств продолжают уменьшаться в геометрической прогрессии, и сейчас наступает новая эра кремниевой фотоники, обещающая поэтапное повышение энергоэффективности и пропускной способности центров обработки данных, сказал Джордан. “Новые усовершенствованные микроскопы, такие как те, которые получили Нобелевскую премию в этом году, открывают новые возможности для понимания структуры жизни. Это блестящее время для сверхточного управления движением, которое занимает центральное место во всем этом”, — добавил он.
Показательный пример: PI сотрудничает с компаниями по производству полупроводников и фотоники 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 быструю автоматизацию тестирования и упаковки в рабочий процесс производства полупроводников”, — сказал Джордан. “В этих приложениях используется все, что мы узнали о создании надежных, пригодных для производства узлов автоматизации”.

Заключительные слова дистрибьюторов на сцене

Отвечая на вопрос о меняющихся способах определения этапов конечными пользователями, Эверман сказал, что дистрибьюторы ценят свои привилегии при входе, и клиенты иногда требуют использования дистрибьютора, чтобы сократить число поставщиков и максимизировать скидки за объем. “Тем не менее, учитывая высокоинженерную природу встроенных систем перемещения, нашим дистрибьюторам пришлось стать партнерами, которые плавно переходят от выполнения простых задач к выполнению более сложных инженерных работ”. Что касается производства, Эверман сказал, что всем пришлось стать компактнее, перевозить меньше инвентаря и будьте более отзывчивы к запросам об изменениях объема, функций и ускорении выполнения общих заказов. “Будь ловким или умри”, — заключил он.