モーションコントローラーがどれほど洗練されていても、設計されていない電気機械システムを克服することはできません。

モーションコントロールシステムは、ポジショニングメカニズム、モータードライブエレクトロニクス、モーションコントローラーの3つの主要なコンポーネントで構成されています。これらの各コンポーネントは慎重に選択する必要がありますが、最良のシステム結果を得るには、最初に位置決めメカニズムを計画します。メカニズムが要件を満たすことができない場合、ドライブとモーションコントローラーは違いを補うことができません。

モーションシステムを設計する最初のステップは、プロセスを完全に説明および理解することです。この説明からコンポーネントパフォーマンスパラメーターのリストを作成します。このリストには、軸数、各軸の移動長、動きの精度（解像度、再現性、精度を含む）、ペイロード容量、ステージの物理サイズなどの1次パラメーターが含まれます。それほど明白ではあるが同様に重要なパラメーターには、環境の制約または課題、ドライブの選択、複数の方向での操作、マルチアクシス構成のケーブル管理、生涯計画、統合の容易さが含まれます。これらのパラメーターの簡単なレビューは、それらがすべてポジショニングメカニズムに関連していることを示しているため、これらのコンポーネントを徹底的に評価することは、プロジェクトの成功に不可欠です。

アプリケーションは、位置決め段階が線形、回転、または段階の組み合わせがマルチアクシスシステムに組み込まれているかどうかを定義します。かなり簡単な単一軸アプリケーションでさえ、多くの考慮事項があります。ペイロード重量やオフセット（重心）などの問題がモーション要件に劇的に影響を与える可能性があるため、負荷はこのプロファイルの重要な側面です。典型的な負荷重みと最大負荷の重み、およびステージが移動する必要がある最大距離と最小距離、必要な移動速度、加速を考えてください。

ステージをより大きなシステムの不可欠な部分として考慮することが重要です。たとえば、ステージの取り付け方法と取り付け構造は、ステージのパフォーマンスと仕様を満たす能力に劇的な影響を与えます。たとえば、サンプルがカメラの下をすばやく前後に振動する高速検査アプリケーションでは、移動荷重の「塗装シェーカー効果」に耐えることができる構造に線形位置を取り付ける必要があります。同様に、平らな高精度のために選択された長距離線形段階を適切に平らな表面に取り付けて、非フラット表面に適合するステージからの歪みを避ける必要があります。

また、ステージ仕様を定義するときは、システムの生涯要件を検討してください。要件が機械の寿命にわたって変化した場合、システムを位置決め段階の許容範囲外に置き、機械の精度、生産性、信頼性を低下させる可能性があります。他の移動コンポーネントと同様に、ポジショニング機能は拡張された使用とともに変化する場合があります。マシンの意図したサービス寿命をめぐるモーション要件を満たすようにステージが評価されていることを確認してください。

その他の影響には、システムのサイズと環境の制約が含まれます。水平方向と垂直サイズの両方の制約を考慮してください。システムのフットプリント全体に影響を与える可能性のある要因には、ドライブメカニックが外部または内部であるかどうか、およびケーブルの管理方法が含まれます。環境の制約には、マシンの可動部分がほとんど微粒子、または汚れた環境を生成する必要があるクリーンルームアプリケーションを含めることができます。周囲の微粒子は、ステージ内で過度の摩擦を引き起こし、信頼性とパフォーマンスに衝撃を与える可能性があります。動作温度は、ステージのパフォーマンスに劇的に影響を与える可能性のある重要な環境問題です。わずか2〜3度の温度変化は、段階の耐性を変えるのに十分な拡張を引き起こす可能性があります。

多くのアプリケーションでは、複数軸の動きが必要です。 Multiaxisシステムでは、さまざまな方向に動きを積み重ねる必要があります。たとえば、シリコンワーファー検査システムは、線形を提供する必要がある場合がありますXそしてY動きと回転シータ。このようなシステムでは、システムの残りの部分のジオメトリがどのように許容度に影響するかを考慮することが重要です。たとえば、2つのステージが互いに積み重ねられているため、上部は旅行の終わりに偏向できます。トップステージのたわみは、下部ステージのカンチレバー荷重の関数です。このたわみを考慮に入れる必要があります。そうしないと、別の構成を考慮する必要があります。ステージメーカーは、積み重ねられたステージの仕様がアプリケーション要件を満たしていることを確認する必要があります。

複数のステージシステムでは、ケーブル管理はロジスティクスと信頼性の問題になる可能性があります。ケーブルはしばしば見落とされがちですが、システムの生命、ジオメトリ、パフォーマンスに影響を与える可能性があります。革新的なケーブル化ソリューションについては、ステージメーカーにご覧ください。これらには、摩擦やドラッグを減らすために内部的にケーブルを統合すること、または外部ケーブルコネクタではなく、単一の外部ケーブルインターフェイスを使用して柔軟性を高めることが含まれます。

システムドライブを決定することが重要な要素です。最も一般的な2つのドライブタイプは、ボールシュー線と線形モータードライブです。ボールスクリュードライブは安価で理解しやすいです。自然な減衰を使用すると、簡単に制御でき、ブレーキを簡単に追加できます。一方、機械的摩擦により、一定の速度を維持することが困難になる可能性があります。温度や湿度などのいくつかの条件下では、ボールスクリューのピッチが変化し、精度に影響を与える可能性があります。熱効果が問題である場合、線形エンコーダーが必要になる場合があります。または、線形モーター段階がより良い選択である場合があります。

線形モータードライブトレインは、磁気トラックとコイルアセンブリで構成されています。磁気トラックは通常、静止しており、鋼基板に取り付けられた一連の永久磁石で構成されています。コイルアセンブリにはすべての銅巻線が含まれており、通常はスライドステージキャリッジに取り付けられます。一部の線形モーターステージには、ケーブルを簡素化する手段として、スライディングキャリッジアセンブリに永久磁石がありますが、磁石の長さはこれらのシステムの移動を制限します。

線形モータードライブは、通常、高速、一定の速度、または長期的なアプリケーションの光から中程度の負荷に最適です。線形モータードライブは、移動の長さが増加するにつれて垂れ下がらないため、ボールシュー社のドライブトレインよりもはるかに長い移動能力を持っています。より良い速度制御を提供できますが、移動コイルと線形エンコーダーエレクトロニクスにより、ケーブル管理により複雑になります。さらに、大きな線形ドライブは重く、移動の長さと磁石のサイズが増加するにつれて高価になる可能性があります。

ドライブタイプを選択する際の重要な考慮事項は、能力を停止し、方向を取り付けることです。線形モータードライブは電力なしで自由に移動しますが、ボールスクリュードライブは動きを減衰させる摩擦を持っています。これは、ドライブが垂直にマウントする必要があるアプリケーションで特に重要です。線形モーターステージは事実上摩擦がないため、電力の損失により、キャリッジが自由に落ちるようになります。さらに、重力を常に克服する必要があり、それはモーターに大きな連続力要件を置きます。線形モーターは垂直に実行されるとすぐに過熱するか、カウンターバランスが必要になる可能性があるため、垂直アプリケーションにはボールシュー線式ドライブが適しています。

モーターを選択するには、トレードオフが含まれる場合があります。一般的なロータリーモーターは最も高価なオプションですが、ドライブシステムスペースの要件に追加されます。線形モーターはより少ないスペースを占有しますが、回転モーターよりも多くの磁石があり、線形エンコーダーが必要なため、より高価です。ボールシュー線型のステージはリニアエンコーダーを使用できますが、モーターとボールのネジ上の回転エンコーダーは、多くの場合も同様に機能し、コストが低くなります。ステッパーモーターまたはサーボモーターの使用に関連するトレードオフもあります。ステッパーは安価ですが、サーボモーターは高速性能が向上しています。

ボールスクリュー駆動ステージのオプションは、フレームレスモーターです。フレームレスモーターは、ステージに組み込まれた標準的なブラシレスモーターです。ローターマグネットはボールシュー社のシャフトに直接接着され、ステーター巻きはステージの端に統合されています。この構成により、モーターカプラーが排除され、数インチのスペースが節約されます。カプラーが存在しないと、モーターとボールの接続のヒステリシスと巻き上げが減少し、パフォーマンスが向上します。舞台メーカーは、アプリケーションに最適な合計ソリューションを定義するのに役立つモーターとエンコーダーに関する専門知識を提供する必要があります。

システムの動きの機械的および電気的側面がよく理解され、段階が選択されると、制御システムの詳細を解決できます。すべてのドライブがコネクタに関するフィードバック情報を提供するわけではないという事実に特に注意して、制御システムはドライブエレクトロニクスと互換性がある必要があります。理想的には、コントローラーは、追加のハードウェアなしでトランスデューサーとアクチュエータの信号に直接インターフェイスする必要があります。また、コントローラーは、システムの自然データレート内の制御ループを閉じるのに十分なパフォーマンスを持つか、必要に応じて複数のモーション軸の動きを同時に調整する必要があります。