고성능 포지셔닝 시스템

High performance positioning system

고성능 위치설정 시스템(HPPS)은 작업용 봉투 내의 3차원 공간에서 물체를 이동할 수 있는 전자공학 장비(예: 선형 단계와 회전 단계의 조립체)의 한 부분으로 구성된 위치설정 시스템의 일종이다. 포지셔닝은 원하는 이동 경로를 따라 포인트 대 포인트로 수행될 수 있다. 위치는 일반적으로 x,y,z 카르테시안 좌표계 및 요, 피치, 롤의 각도 방향을 포함하여 6개의 자유도로 정의된다. HPPS는 많은 제조 공정에서 높은 가속도, 높은 감속도, 높은 속도 및 낮은 안착 시간으로 원하는 경로를 따라 원하는 방향으로 6도의 자유도에서 물체(툴 또는 부분)를 부드럽고 정확하게 이동시키기 위해 사용된다. 최소한의 지터링으로 동작이 빠르게 정지하고 원하는 최종 위치와 방향에 정확하게 움직이는 물체를 배치하도록 설계되었다.

HPPS는 낮은 이동 질량과 높은 강성의 구조적 특성을 요구한다. 결과 시스템 특성은 시스템의 가장 낮은 자연 주파수에 대한 높은 값이다. 고유 주파수가 높으면 모션 컨트롤러가 시스템을 높은 서보 대역폭으로 구동할 수 있으며, 이는 HPPS가 대역폭보다 낮은 주파수에서 작용하는 모든 모션 방해 주파수를 거부할 수 있음을 의미한다. 바닥 진동, 음향 소음, 모터 톱니바퀴, 베어링 지터 및 케이블 캐리어 덜걱거림과 같은 고주파 장애의 경우 HPPS는 진동 감쇠용 구조 복합 재료와 분리 마운트를 사용할 수 있다. 연결고리를 연결하는 회전관절이 있는 관절형 로봇과 달리 HPPS 링크는 일반적으로 회전관절보다 상대적으로 단단한 슬라이딩관절로 구성된다. 고성능 위치추적 시스템을 흔히 데카르트 로봇으로 지칭하는 이유다.

XY의 선형 모터 단계와 Z의 볼 나사를 사용한 사용자 정의 XYZ 구성의 예

퍼포먼스

선형 모터에 의해 구동되는 HPPS는 3-5m/s, 5-7g의 높은 가속도, 마이크론 또는 미크론 이하의 위치결정 정밀도, 밀리초 순서에 따른 안착 시간 및 30-50Hz의 서보 대역폭에서 복합 고속으로 이동할 수 있다. 반면 볼 스크류 액추에이터는 일반적인 대역폭이 10-20 Hz이고 벨트 구동 액추에이터는 약 5-10 Hz이다. HPPS의 대역폭 값은 90-150Hz 범위에서 가장 낮은 자연 주파수의 약 1/3이다. 각각 높은 가속도 또는 높은 감속 후 +/- 1% 등속도 또는 +/ - 1 um 지터에 대한 안착 시간은 약 3개의 대역폭 주기가 필요하다. 예를 들어, 1 / 50 · 1000 = 20 msec 주기를 갖는 50 Hz 서보 대역폭은 추정 3 · 20 = 60 msec 내에서 1 um 위치 정확도로 안정화된다. 가장 낮은 자연 주파수는 움직이는 관성으로 나눈 시스템 강성의 제곱근과 같다. 고성능 위치설정 단계의 일반적인 선형 재순환 베어링 레일은 100-300 N/um의 순서로 강성을 가진다. 이러한 성능은 반도체 공정 장비, 전자 조립 라인, 수치로 제어되는 기계 공구, 좌표 측정 기계, 3D 프린팅, 픽스 앤 플레이스 기계, 약물 발견 검사 등에 필요하다. 최고 성능의 HPPS에서는 열 안정성 및 평탄한 표면을 위한 화강암 베이스, 지터 자유 운동을 위한 공기 베어링, 비접촉을 위한 브러시리스 선형 모터, 마찰 없는 작동, 높은 힘과 낮은 관성, 그리고 미크론 이하의 위치 피드백에 레이저 간섭계를 사용할 수 있다. 반면, 리치 1m의 일반적인 자유도 관절형 로봇은 1N/um의 순서로 구조 강성이 있다. 로봇 용접, 페인트 로봇, 팔레타이저 등 100미크론 단위로 위치 반복성이 요구되는 공정에서 관절형 로봇이 자동화 장비로 가장 잘 채택되는 이유다.

역사

원래의 HPPS는 아노라드의 설립자 겸 CEO인 안와르 치타야트가 브러시리스 선형 모터를 발명한 후 1980년대에 아노라드 주식회사(현재의 록웰 오토메이션)에서 개발되었다. 당초 HPPS는 응용재료, PCB 검사 오보텍, 고속 기계 공구 포드 등과 같은 반도체 애플리케이션에서 정밀 제조 공정에 사용되었다.[1] 병렬 선형 모터 기술과 HPPS에서의 통합은 전 세계로 확장되었다. 그 결과 1996년 지멘스는 CNC를 아노라드 선형 모터와 통합하여 보잉에서 20m 길이의 마스칸트 기계를 조종하여 항공기 날개의 화학적 밀링에 사용하였다. [2] 1997년 FANUC는 아노라드의 선형 모터 기술을 라이선스하고 CNC 제품군과 완벽한 솔루션으로 통합했다. [3] 그리고 1998년 Rockwell Automation은 아노라드를 인수하여 지멘스 및 Fanuc와 경쟁하여 자동차 트랜스퍼 라인에서 고속 공작기계를 구동할 수 있는 완전한 선형 모터 솔루션을 제공하였다.[4] 오늘날 선형 모터는 전 세계적으로 제조 공정을 주도하는 수십만 개의 고성능 위치 확인 시스템에 사용되고 있다. 일부 연구에 따르면, 그들의 시장은 연간 4.4퍼센트로 성장하고 2025년에는 1.5억 달러에 이를 것으로 예상된다. [5]

고성능 포지셔닝 시스템 - 갠트리 유형

시스템 요구 사항

적용들

  • 반도체 - 포토리스토그래피는 반도체 제조 공장에서 웨이퍼(전자) 제조 공정이다. 극한의 위치설정을 위해 선형 모터 스테이지나 마글레브 스테이지 등을 사용해 웨이퍼 스테이지가 이동한다. [6]
  • 전자 장치 - 표면 장착 기술은 고성능 선형 모터, 위치 지정 시스템을 사용하여 집적 회로 칩을 인쇄 회로 기판에 장착하고 있다. [7]
  • 광학 - 스테레오 현미경은 스캔 중 움직임의 높은 부드러움을 위해 선형 모터 위치 지정 단계를 사용한다.
  • 공작기계 - 다이(제조)와 같은 두꺼운 경질 금속을 자르는 데 와이어 전기 방전 가공이 사용된다. 선형 모터/공기 베어링 포지셔닝 시스템은 높은 움직임의 부드러움을 제공한다. [9]
  • CMM - 좌표계 측정기에는 종종 화강암 베이스, 격리 마운트, 선형 모터 액추에이터, 공기 베어링 및 레이저 간섭계가 필요하다. [10]
  • Lab Automation - 약물 발견을 위한 실험실 자동화에 고투과 스크리닝 프로세스가 사용되며, 여기서 선형 모터 포지셔닝은 정착 시간이 짧은 높은 높은 가속/감속을 제공한다. [11]

사양

시스템 사양(기술 표준)은 사용자(고객)가 기술한 애플리케이션 요건(문제)과 개발자(공급자)가 최적화한 설계(솔루션) 사이의 공식 인터페이스다.

  • 관성 - 이동 하중(툴 또는 부품)에서 선형(kg)까지 및 각도(kg·m2) 속도 변화를 나타낸다. 자연 주파수를 최대화하려면 이동 부하의 관성이 최소여야 한다.
  • 크기 - 시스템 폭(m), 길이(m) 및 높이(m)의 기하학적 제약조건을 표시하며, 이를 취급하고 설치 시 운송하는 데 필요할 수 있다.
  • 동작 - 최대 이동 시간(m, rad), 최대 속도(m/s, rad/s) 및 최대 가속/감속(m/s2, rad/s2)을 포함하여 각 자유도에 대한 공정 주기 시간(s) 및 공정 구속조건을 나타낸다.
  • 정밀도 - 위치 측정 및 동작(음, 요람)의 선형 및 각도 분해능과 더불어 각 자유도에 대한 정확도와 정밀도의 총 지표 판독값을 나타낸다.
  • 지터 - 스탠드 정지 상태에서 허용되는 고주파 진동의 최대 진폭(um)을 나타낸다.
  • 등속 - 동작의 필요한 부드러움과 동작 중 필요한 등속(m/s, rad/s)의 허용되는 변동을 나타낸다.
  • 강성 - 외부 부하에 대한 위치 변화 저항(N/um, N/m/rad)을 나타낸다.
  • 수명 - 시스템의 자유도가 공정 운영에서 신뢰성 있게 작용할 것으로 예상되는 예상 시간(시간) 또는 이동 거리(km)를 나타낸다.
  • 신뢰성 - 고장 모드, 영향 및 진단 분석 요구 사항과 관련된 고장 사이의 평균 시간(시간, 주기)
  • 유지관리성 - 작동, 유지보수 일정 및 예비 부품 목록을 포함한 시스템 설명서와 관련된 평균 수리 시간(hrs.
  • 환경 - 열, 습도, 충격 및 진동, 청결 및 방사선 등 시스템이 수명 내에 작동 중에 발생할 수 있는 예상 교란 상태를 표시한다.

환경

  • 열 - 시스템이 작동 중에 견딜 수 있는 최고 및 최저 온도(°C)를 표시한다. 구조적 변형 및 정밀도에 영향을 미친다. 냉각, 절연 및 저열 전도성 재료가 필요할 수 있음
  • 습도 - 주변 공기의 수증기 수준(%)을 표시 IP 코드에 기초한 필수 시스템 보호 포함. 보호 씰이 필요할 수 있음
  • 충격(기압) 및 진동 - 바닥 진동 및 기타 공정 장애 정도를 표시한다. 능동형 또는 수동형 진동 격리 마운트와 댐핑이 높은 구조 재료가 필요할 수 있음 [12]
  • 청결도 - 주변 공기 중 입자의 허용 수준(단위 부피당 크기 및 수량)을 표시한다. 클린룸 작동, 유입 공기 여과 및 보호 씰이 필요할 수 있음 [13]
  • 방사선 - 전자파 간섭에는 차폐 케이블 관리, 비철 구조 재료 및 선형 모터 자석 플레이트의 보호 차폐가 필요할 수 있다.
시스템 분석 시뮬레이션 모델을 사용한 고성능 포지셔닝 시스템의 예

시스템 솔루션

배열

HPPS 구성은 일반적으로 최대 댐핑 및 최소 관성, 관심 지점(POI)에서 최소 Abbe 오류, 최소 구성 요소 및 최대 유지 보수성을 가진 최대 구조 강성에 최적화된다.

  • X - 선형 모터, 볼 나사 또는 타이밍 벨트에 의해 구동되는 단일 선형 단계는 일반적으로 많은 공급업체로부터 표준 작동기(슬라이드, 축 또는 테이블)로 제공된다. [14]
  • XYZ - 이동 케이블 관리를 포함한 단일 단계의 사용자 정의 어셈블리. Z축은 일반적으로 볼 스크류나 균형 잡힌 선형 모터로 작동된다. 관성을 줄이기 위해 축을 분리할 수 있다.
  • XYZR - 피치, 요 및 롤링을 포함한 회전 축은 일반적으로 EOAT(End Arm Tool) 또는 로봇 엔드 이펙터의 방향을 설정하기 위해 HPPS에 추가된다.
  • Gantry - Gantry 구성은 주어진 크기 제약조건에 따라 XYZ 구성으로 최대 작업 범위를 제공한다. x를 위한 2개의 병렬 축을 가지고 있으며, 단일 축 또는 마스터/슬레이브로 제어된다. 트랜스퍼 라인에 이상적임.
  • 회전(피치, 요, 롤) - 회전 단계는 사양에 가장 잘 부합하도록 다양한 순서에 따라 선형 단계로 맞춤화할 수 있다. 이들은 일반적으로 선형 모터와 유사한 직접 구동 메커니즘을 사용한다.
  • 사용자 정의 - 최고의 시스템 구성요소를 가장 작고 반응성이 높은 시스템에 통합하는 수학적 최적화 프로세스에서 HPPS의 사용자 정의 구성이 필요할 수 있다.

시스템 분석

시스템 분석은 시스템 모델링 및 분석 도구를 기반으로 설계 매개변수, 작동 조건, 환경 변수 및 시스템 성능 간의 관계를 이해하는 과정이다.

구성 요소 크기 조정

부품 사이징은 부품 공급업체에서 표준 부품을 선택하거나 제조를 위해 맞춤 부품을 설계하는 과정이다.

  • 프레임 - 일반적으로 중공 튜브의 알루미늄 또는 강철 용접으로 만들어지며, 댐핑을 위한 콘크리트 합성물로 채워질 수 있음. 수평 유지 패드에 장착하고 지진 기둥으로 바닥에 고정.
  • 작동기
    • 슬라이드, 베이스 - 고정밀 베이스는 평탄도와 열 안정성을 위해 화강암을 사용한다. 정밀도가 낮은 표준 단계에서는 압출 알루미늄을 사용한다. 사용자 지정 단계에서는 일반적으로 낮은 관성 고강성을 위해 가공된 리브 알루미늄 또는 스테인리스강을 사용한다.
    • 베어링 - 상대적으로 짧은 이동을 위한 크로스 롤러 베어링, 더 높은 강성을 위한 재순환 베어링, 더 긴 이동을 위한 공기 베어링, 높은 움직임의 부드러움, 더 높은 정밀도를 위한 화강암 베이스가 포함된다.
    • 서보 모터 - 일반적으로 3상 동기화된 전류를 사용하는 수평 축의 선형 브러시리스 DC 전기 모터로, 정지 상태의 낮은 톱니 모양의 자석 플레이트. 수직 선형 모터 축의 경우 균형 균형을 사용할 수 있다. 회전 단계에서는 정지 코일 전기자와 움직이는 자기 로터를 포함하여 직접 구동 모터의 유사한 2개 부품을 사용한다.
    • 피드백 - 일반적으로 고해상도 인코더, 광학, 자기 또는 캡티브, 아날로그 또는 디지털, 선형 또는 회전, 절대 또는 증분 인코더(호밍용 색인 표시 포함) 장거리 이동을 위한 레이저 간섭측정법, 서브마이크론 정밀도.
    • 포서 - 포서 옵션에는 고력용 볼 나사, 장시간 주행용 랙 및 피니언, 고속 주행용 타이밍 벨트 구동 등이 포함된다. 그들의 HPPS에서의 한계는 마찰, 지터, 백래시, 낮은 강성과 유지보수가 있다.
  • 케이블 관리 - 전원 및 신호 전송용 시스템 신뢰성 체인의 가장 약한 링크. 낮은 프로필에 대한 굽힘 반경이 낮으면 피로가 증가한다. 케이블 캐리어 또는 플랫 리본 케이블 사용 필요. 지터를 소개하다.
  • 액세서리 - 하드 스톱, 보강 브래킷, 벨로우즈, 쇼크 마운트, 공기 냉각 팬, 한계, 굴곡, 로봇 엔드 이펙터 그리퍼, 인공지능용 머신 비전 카메라 및 센서, 기계 학습, 가속도계, 온도 센서, 자이로스코프 등의 모니터링
  • 서보 구동 - 모션 컨트롤 신호를 서보 모터 구동으로 증폭 저전력에서 10sKW에 이르기까지 다양하다. 예를 들어 4m/s에서 10,000 N의 고력 선형 모터를 구동하는 경우 40KW. DC 전압은 안전한 24V/48V에서 400V 이상이다. 모터 신호의 고전류 루프 업데이트 속도는 1000Hz이다. 모션 컨트롤러와 널리 사용되는 네트워크 통신은 EtherCAT를 통해 이루어진다.
  • 모션 PID 컨트롤러 - 옵션에는 컴퓨터 수치 제어(CNC), 단일 축, 다중 축, PC 기반, 독립형 또는 서보 드라이브 및/또는 PLC와 통합된 I/O, 자동 튜닝, 진단 및 프로그래밍이 포함된다. [15]
  • PLC(Programmable logic controller) - 많은 공급업체에서 제공하는 프로세스 시퀀스 제어를 위한 계층적 제어 시스템의 상위 계층 [16]

시스템 테스트

시스템 시험은 시스템 개발의 반복적인 과정으로, 시스템 분석 모델링, 개념 증명, 성능 규격의 안전 계수 및 허용 시험을 검증하기 위한 것이다.

  • 모션 이동, 최대 속도, 최대 가속도, 저크 - 모션 컨트롤러 내에서 일반적으로 제공됨
  • 선형 정확도, 반복성, 평탄도, 직선성, 요, 피치 - 레이저 간섭계 [17]
  • 각도 정확도, 반복성, 런아웃, 흔들림 - 자동 콜리메이터
  • 사이클 시간, 안착 시간, 지터, 등속 - 일반적으로 모션 컨트롤러 내에서 제공됨
  • 열 안정성 - 열 전달을 관찰하기 위해 여러 위치에 장착된 온도 센서
  • 관성, 강성 - 체중계, 다이얼 표시기 및 힘 게이지
  • 고유 주파수, 서보 대역폭 - 주파수 응답 도구가 있는 모션 컨트롤러와 함께 일반적으로 제공됨 [18]
  • 고장 간 평균 시간, 수명 테스트 - 육안 및 센서 점검이 빈번한 지속적인 모니터링을 통해 극한 작동 조건에서 고장 없이 지정된 기간 동안 비정지 작동. [19]

참조

  1. ^ BROWN, STUART (November 25, 1996). "The Fast New World of FLATMOTORS" (PDF). FORTUNE (cover page).
  2. ^ Czajkowski, Stephen (September 1996). "Linear motors: The future of high-performance machine tools". Siemens and Anorad Corp. decided information was needed to support the major role high-performance linear motors will play as the prime machine-tool actuator.
  3. ^ Eidelberg, Boaz (October 2020). "In memory of a great technology leader". LinkedIn.
  4. ^ "Rockwell Automation buys Anorad, sees linear motor expansion". Control Engineering. October 1, 1998.
  5. ^ "Linear Motors Market Size 2025". FRACTOVIA MARKET TRENDING NEWS. December 23, 2020. CAGR of 4.4%% ...USD 1508.1 million by 2025
  6. ^ "Speed and precision meet in ASML's advanced lithography machines". ASML. Magnetically levitating wafer tables that accelerate faster than a fighter jet?.. with an accuracy of 60 picometers... It’s all part of the extreme mechanics in ASML machines.
  7. ^ "Fuzion Platform Technologies for Performance, Flexibility & Yield". Universal Instruments. VRM Linear Motor Positioning System, High-accuracy (1μm resolution)... High acceleration – up to 2.5G
  8. ^ "Accurate and Reproducible Results Leica LMT260 XY Scanning Stage". Leica Microsystems. ... XY Scanning Stage uses ... two linear motors to produce such accurate and reproducible results with stereo microscopes
  9. ^ "Wire EDM Ultra-precise machining and surface finish for small/fine wire operations". Makino. ... achieving sub-micron level accuracy... using the machines Pneumatic Static Pressure Guideways and Linear Motor motion technology
  10. ^ "High-end measuring machine for maximum precision". ZEISS. ... linear drives on all axes. The benefits: high speeds, very fast acceleration, high positioning accuracy and shear force-free drives
  11. ^ "New video illustrates breakthrough in lab automation design". HEIDENHAIN. February 5, 2019. Achieving the high throughput and extraordinary accuracy necessary for lab automation
  12. ^ "Download MIL-STD-810H". IEST. 31 Jan 2019.
  13. ^ "Designing machines for cleanrooms". Cleanroom Technology. October 6, 2004.
  14. ^ "Linear Slides and Linear Stages Suppliers". GlobalSpec Engineering 360. 484 Linear Slides and Linear Stages suppliers
  15. ^ "Motion Control Online". mcma motion control & motor association. Companies that manufacture motion control, motors, software or related products and equipment
  16. ^ "Programmable Logic Controllers (PLC) Suppliers". GlobalSpec Engineering 360. Find 656 Programmable Logic Controllers (PLC) suppliers with Engineering360
  17. ^ "XL-80 laser system". The Renishaw XL-80 laser interferometer offers the ultimate in high performance measurement and calibration for motion systems, including CMMs and machine tools
  18. ^ "Frequency Response Function Analyzer". ACS Motion Control. Increase Throughput with Electromechanical Frequency Analysis and Optimization
  19. ^ Kensler, Jennifer (March 21, 2014). "Reliability Test Planning for Mean Time Between Failures Best Practice" (PDF). STAT T&E COE-Report-09-2013. The goal...is to assist in developing rigorous, defensible test strategies to more effectively quantify and characterize system performance and provide information that reduces risk

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