Egal wie ausgefeilt Ihr Motion Controller ist, er kann ein schlecht konzipiertes elektromechanisches System nicht überwinden.

Bewegungssteuerungssysteme bestehen aus drei Hauptkomponenten: dem Positionierungsmechanismus, der Motorantriebselektronik und der Bewegungssteuerung. Jede dieser Komponenten sollte sorgfältig ausgewählt werden. Um jedoch die besten Systemergebnisse zu erzielen, planen Sie zunächst den Positionierungsmechanismus. Wenn die Mechanik die Anforderungen nicht erfüllen kann, können Antriebe und Motion Controller den Unterschied nicht ausgleichen.

Der erste Schritt beim Entwurf eines Bewegungssystems besteht darin, den Prozess vollständig zu beschreiben und zu verstehen. Erstellen Sie anhand dieser Beschreibung eine Liste der Leistungsparameter der Komponenten. Diese Liste umfasst Parameter erster Ordnung wie die Anzahl der Achsen, die Verfahrlänge jeder Achse, die Präzision der Bewegung (einschließlich Auflösung, Wiederholbarkeit und Genauigkeit), die Nutzlastkapazität und die physische Größe der Tische. Zu den weniger offensichtlichen, aber ebenso wichtigen Parametern gehören Umgebungseinschränkungen oder -herausforderungen, Antriebsauswahl, Betrieb in mehreren Ausrichtungen, Kabelmanagement in Mehrachsenkonfigurationen, Lebensdauerplanung und einfache Integration. Eine kurze Überprüfung dieser Parameter zeigt, dass sie alle mit dem Positionierungsmechanismus zusammenhängen und daher eine gründliche Bewertung dieser Komponenten für den Projekterfolg von entscheidender Bedeutung ist.

Die Anwendung legt fest, ob der Positionierungstisch linear oder rotierend ist oder eine Kombination von Tischen in ein Mehrachsensystem integriert. Selbst bei relativ einfachen einachsigen Anwendungen gibt es viele Überlegungen. Lasten sind ein wichtiger Aspekt dieses Profils, da Probleme wie das Gewicht der Nutzlast und der Versatz (Schwerpunkt) die Bewegungsanforderungen erheblich beeinflussen können. Berücksichtigen Sie typische und maximale Lastgewichte sowie die maximale und minimale Entfernung, die die Bühne zurücklegen muss, die erforderlichen Fahrgeschwindigkeiten und Beschleunigungen.

Es ist wichtig, die Bühne als integralen Bestandteil des größeren Systems zu betrachten. Die Art und Weise, wie die Bühne montiert ist, und die Montagestruktur haben beispielsweise einen dramatischen Einfluss auf die Bühnenleistung und die Fähigkeit, Spezifikationen zu erfüllen. Beispielsweise sollte bei einer Hochgeschwindigkeitsinspektionsanwendung, bei der Proben unter einer Kamera schnell hin und her schwingen, ein linearer Positionierungstisch auf einer Struktur montiert werden, die dem „Farbschütteleffekt“ der sich bewegenden Last standhalten kann. Ebenso muss ein Lineartisch mit langem Verfahrweg, der für eine hohe Präzision in der Ebenheit ausgewählt wurde, auf einer entsprechend flachen Oberfläche montiert werden, um Verformungen durch die Anpassung des Tisches an eine nicht ebene Oberfläche zu vermeiden.

Berücksichtigen Sie bei der Definition der Phasenspezifikationen auch die Anforderungen an die Lebensdauer des Systems. Wenn sich die Anforderungen im Laufe der Lebensdauer der Maschine ändern, kann dies dazu führen, dass das System außerhalb der Positionierungstoleranz liegt und die Genauigkeit, Produktivität und Zuverlässigkeit der Maschine beeinträchtigt wird. Wie bei jeder beweglichen Komponente können sich die Positionierungsmöglichkeiten bei längerem Gebrauch ändern. Stellen Sie sicher, dass der Tisch für die Bewegungsanforderungen über die vorgesehene Lebensdauer der Maschine ausgelegt ist.

Weitere Einflüsse sind die Größe und die Umgebungsbedingungen des Systems. Berücksichtigen Sie sowohl horizontale als auch vertikale Größenbeschränkungen. Zu den Faktoren, die die Gesamtfläche des Systems beeinflussen können, gehören unter anderem, ob die Antriebsmechanik extern oder intern ist und wie die Verkabelung verwaltet wird. Zu den Umgebungsbedingungen können Reinraumanwendungen gehören, bei denen die beweglichen Teile der Maschine nur wenige Partikel erzeugen dürfen, oder schmutzige Umgebungen, in denen Umgebungspartikel zu übermäßiger Reibung innerhalb der Bühne führen und die Zuverlässigkeit und Leistung beeinträchtigen können. Die Betriebstemperatur ist ein zentrales Umweltproblem, das sich dramatisch auf die Bühnenleistung auswirken kann. Eine Temperaturänderung von nur zwei oder drei Grad kann zu einer ausreichenden Ausdehnung führen, um die Stufentoleranz zu verändern.

Viele Anwendungen erfordern eine mehrachsige Bewegung. In einem Mehrachsensystem müssen die Tische für Bewegungen in verschiedene Richtungen gestapelt werden. Beispielsweise muss ein Siliziumwafer-Inspektionssystem möglicherweise lineare Ergebnisse liefernXUndYBewegung sowie RotationTheta. In solchen Systemen ist es wichtig zu berücksichtigen, wie sich die Geometrie auf Toleranzen im restlichen System auswirkt. Wenn beispielsweise zwei Tische übereinander gestapelt sind, kann sich der oberste Tisch am Ende seines Hubs durchbiegen. Die Durchbiegung der oberen Stufe ist eine Funktion der Auslegerlast auf der unteren Stufe. Diese Durchbiegung muss berücksichtigt werden oder es sollte eine andere Konfiguration in Betracht gezogen werden. Der Bühnenhersteller sollte sicherstellen, dass die Spezifikationen der gestapelten Bühnen den Anwendungsanforderungen entsprechen.

In mehrstufigen Systemen kann das Kabelmanagement zu einem Logistik- und Zuverlässigkeitsproblem werden. Kabel werden oft übersehen, können jedoch die Lebensdauer, Geometrie und Leistung des Systems beeinträchtigen. Wenden Sie sich an den Bühnenhersteller für innovative Verkabelungslösungen. Dazu kann die interne Integration von Kabeln gehören, um Reibung und Widerstand zu reduzieren, oder die Verwendung einer einzigen externen Kabelschnittstelle anstelle externer Kabelanschlüsse für mehr Flexibilität.

Die Entscheidung über das Systemlaufwerk ist ein Schlüsselelement. Die beiden häufigsten Antriebsarten sind Kugelumlaufspindel- und Linearmotorantriebe. Kugelgewindetriebe sind kostengünstig und leicht zu verstehen. Durch die natürliche Dämpfung sind sie leicht zu steuern und eine Bremse lässt sich problemlos nachrüsten. Andererseits kann mechanische Reibung es schwierig machen, eine konstante Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise bei extremer Temperatur oder Luftfeuchtigkeit, kann sich die Steigung der Kugelumlaufspindel ändern und die Genauigkeit beeinträchtigen. Wenn thermische Effekte ein Problem darstellen, ist möglicherweise ein Linearencoder erforderlich oder ein Linearmotortisch ist möglicherweise die bessere Wahl.

Linearmotor-Antriebsstränge bestehen aus einer Magnetbahn und einer Spulenanordnung. Die Magnetspur ist typischerweise stationär und besteht aus einer Reihe von Permanentmagneten, die auf einem Stahlsubstrat montiert sind. Die Spulenbaugruppe enthält alle Kupferwicklungen und wird normalerweise am verschiebbaren Tischschlitten montiert. Um die Verkabelung zu vereinfachen, verfügen einige Linearmotortische über Permanentmagnete auf der Schlittenbaugruppe, die Länge der Magnete begrenzt jedoch den Hubweg dieser Systeme.

Linearmotorantriebe eignen sich in der Regel am besten für leichte bis mittlere Lasten in Hochgeschwindigkeits-, Konstantgeschwindigkeits- oder Langhubanwendungen. Linearmotorantriebe haben eine wesentlich längere Hubkapazität als Kugelumlaufspindelantriebe, da sie bei zunehmender Hublänge nicht durchhängen. Sie können eine bessere Geschwindigkeitssteuerung ermöglichen, aber die Elektronik mit beweglicher Spule und linearem Encoder macht das Kabelmanagement komplexer. Darüber hinaus sind große Linearantriebe schwerer und können mit zunehmender Verfahrlänge und Magnetgröße teurer werden.

Ein wichtiger Aspekt bei der Auswahl eines Antriebstyps ist die Stoppfähigkeit und die Montageausrichtung. Linearmotorantriebe sind ohne Strom frei beweglich, wohingegen Kugelumlaufspindelantriebe Reibung haben, um die Bewegung zu dämpfen. Dies ist besonders wichtig bei Anwendungen, bei denen der Antrieb vertikal montiert werden muss. Da ein Linearmotortisch praktisch reibungsfrei ist, kann der Schlitten bei einem Stromausfall frei fallen. Zudem muss stets die Schwerkraft überwunden werden, was einen großen Dauerkraftbedarf an den Motor stellt. Kugelumlaufspindelantriebe eignen sich besser für vertikale Anwendungen, da Linearmotoren bei vertikalem Betrieb schnell überhitzen können oder möglicherweise ein Gegengewicht erfordern.

Bei der Auswahl eines Motors können auch Kompromisse eingegangen werden. Herkömmliche Rotationsmotoren sind die kostengünstigste Option, erhöhen jedoch den Platzbedarf des Antriebssystems. Linearmotoren nehmen weniger Platz ein, sind aber teurer, da sie über mehr Magnete als ein Rotationsmotor verfügen und einen Linearencoder erfordern. Bei Tischen mit Kugelumlaufspindelantrieb können lineare Encoder verwendet werden, Drehgeber am Motor und an der Kugelumlaufspindel funktionieren jedoch oft genauso gut und kosten weniger. Mit der Verwendung von Schrittmotoren oder Servomotoren sind auch Kompromisse verbunden. Schrittmotoren sind kostengünstiger, Servomotoren bieten jedoch eine bessere Hochgeschwindigkeitsleistung.

Eine Option für einen Tisch mit Kugelumlaufspindelantrieb ist ein rahmenloser Motor. Ein rahmenloser Motor ist ein standardmäßiger bürstenloser Motor, der in die Bühne eingebaut ist. Die Rotormagnete sind direkt mit der Kugelumlaufspindelwelle verbunden und die Statorwicklungen sind in das Ende der Stufe integriert. Durch diese Konfiguration entfällt die Motorkupplung, wodurch mehrere Zentimeter Platz gespart werden. Das Fehlen der Kupplung verringert die Hysterese und das Aufdrehen der Motor-Kugelumlaufspindel-Verbindung, was die Leistung verbessert. Bühnenhersteller sollten Fachwissen zu Motoren und Encodern bereitstellen, um bei der Definition der besten Gesamtlösung für die Anwendung zu helfen.

Sobald die mechanischen und elektrischen Aspekte der Systembewegung gut verstanden und die Stufen ausgewählt sind, können die Details des Steuerungssystems geklärt werden. Ein Steuerungssystem sollte mit der Antriebselektronik kompatibel sein, wobei besonders darauf zu achten ist, dass nicht alle Antriebe Rückmeldungsinformationen über ihre Anschlüsse bereitstellen. Idealerweise sollte der Controller ohne zusätzliche Hardware eine direkte Schnittstelle zu Wandler- und Aktorsignalen haben. Der Controller sollte außerdem über genügend Leistung verfügen, um die Regelkreise innerhalb der natürlichen Datenraten des Systems zu schließen oder die Bewegung mehrerer Bewegungsachsen bei Bedarf gleichzeitig zu koordinieren.