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Feb 18, 2024

Eine Einführung in Plug

Wenn Sie Maschinen bauen, arbeiten Sie wahrscheinlich jeden Tag mit Aktuatoren und Positionierungstischen. Aber erzielen Sie mit diesen Bewegungsgeräten wirklich die beste Leistung oder die niedrigsten Betriebskosten? Die Antwort

Wenn Sie Maschinen bauen, arbeiten Sie wahrscheinlich jeden Tag mit Aktuatoren und Positionierungstischen. Aber erzielen Sie mit diesen Bewegungsgeräten wirklich die beste Leistung oder die niedrigsten Betriebskosten? Die Antwort entspricht möglicherweise nicht Ihren Erwartungen.

Mike Everman, CTO, | Bell-Everman

Wenn Sie Maschinen bauen, arbeiten Sie wahrscheinlich jeden Tag mit Aktuatoren und Positionierungstischen. Aber erzielen Sie mit diesen Bewegungsgeräten wirklich die beste Leistung oder die niedrigsten Betriebskosten? Die Antwort entspricht möglicherweise nicht Ihren Erwartungen.

Allzu oft denken Ingenieure, dass Tische oder Aktuatoren nur ein weiterer Punkt auf der Stückliste sind. Solange das Bewegungsgerät nominell die gewünschten Positionierungs-, Kraft-, Nutzlast-, Geschwindigkeits- und Kostenanforderungen erfüllt, kann es losgehen.

Bei einfachen Bewegungsanforderungen kann dieser Ansatz zur Tisch- oder Aktuatorauswahl zu akzeptablen Ergebnissen führen. Maschinen mit komplexen mechanischen Bewegungsanforderungen profitieren jedoch von einer eingebetteten Bewegungsdesignstrategie. Anstelle einer Ansammlung elektromechanischer Komponenten, die möglicherweise gut zusammenarbeiten oder auch nicht, fungieren eingebettete Bewegungssysteme als echte Plug-and-Play-Maschinensubsysteme.

Eingebettete Bewegungssysteme sind so konzipiert, dass sie in einen vordefinierten physischen Raum an einer Maschine passen und sich in das Bewegungssteuerungssystem der Maschine einbinden lassen, sodass sie bereit sind, Befehle von einer Computerschnittstelle der obersten Ebene, einer Steuerkarte oder einer SPS anzunehmen. Im einfachsten Fall bestehen eingebettete Bewegungssysteme möglicherweise aus kaum mehr als einem Tisch oder Aktuator, der angeschlossen wurde, um die Drop-In-Installation zu erleichtern. In ihrer komplexesten Form reichen diese Bewegungssubsysteme von der Pinbelegung bis zur Nutzlast. Sie umfassen nicht nur das Bewegungsgerät selbst, sondern auch alles, was es trägt.

ServoBelt-Drehtische werden typischerweise für Präzisionspositionierungsanwendungen verwendet, sie sind aber auch eine ideale Bewegungsplattform für eine neuartige CNC-Maschine.

Im Vergleich zu einem komponentenweisen Ansatz für Maschinenbewegungen bietet eingebettete Bewegung einige überzeugende Vorteile:

Selbst wenn sie denselben Tisch oder Aktuator verwenden, sind eingebettete Bewegungssysteme in der Regel besser als aus Komponenten aufgebaute Bewegungssysteme. Der Grund dafür liegt in der Anwendungs- und Montagekompetenz. Ein guter Anbieter eingebetteter Bewegungssysteme verfügt über jahrelange Erfahrung in der Lösung schwieriger Positionierungsprobleme und verfügt über eine Sammlung bewährter Bewegungsbausteine, die an die jeweilige Aufgabe angepasst werden können. Sie verfügen über ein genaues Verständnis dafür, wie sich die Bühnendynamik, die Architektur der Bewegungssteuerung und die Betriebsumgebung auf die Positionierungsanforderungen auswirken.

Was die Montage betrifft, mangelt es vielen Maschinenbauern an qualifizierten Technikern, speziellen Vorrichtungen, Laserinterferometern und anderen Messsystemen, die zur Ausrichtung der präzisesten mehrachsigen Tische erforderlich sind – bei denen die Ausrichtungstoleranzen von Achse zu Achse häufig im Mikrometerbereich liegen.

Abhängig von den Kundenanforderungen können eingebettete Bewegungssysteme mit Bewegungssteuerungen ausgeliefert werden oder nicht. Eine Steuerungsstrategie sollte jedoch immer Teil der eingebetteten Bewegungsgleichung sein. Ein guter Anbieter eingebetteter Bewegungssysteme verfügt über umfassende Kenntnisse darüber, wie verschiedene Bewegungssteuerungsplattformen und ihre kinematischen Fähigkeiten mit den mechanischen Bewegungssystemen interagieren. Dieses Wissen kann es uns ermöglichen, die Grenzen des Möglichen in Bezug auf dynamische Fähigkeiten, wie z. B. akzeptable Trägheitsfehlanpassungsverhältnisse, zu erweitern.

Basierend auf ServoBelt-Linearaktuatoren wird dieser mehrachsige Tisch als einzelne Einheit zusammengebaut und vollständig getestet, bevor er in eine größere Halbleiterfertigungsmaschine integriert wird.

Bei der Inbetriebnahme eines neuen Antriebssystems treten einige der häufigsten Probleme auf, weil einzelne, scheinbar unbedeutende Komponenten nicht richtig funktionieren – oder nicht richtig miteinander zusammenarbeiten. Beispielsweise kann ein einzelner fehlerhafter Stecker oder ein falscher Draht dazu führen, dass selbst die beste Bewegungsbühne bewegungslos bleibt. Eingebettete Bewegungssysteme vermeiden diese Art von Fehlern, da sie vor der Integration in die Produktionsmaschine als System zusammengebaut und getestet werden. Bei Bewegungssystemen, die aus einzelnen Komponenten bestehen, können kleine Fehler und Inkompatibilitäten unentdeckt bleiben, bis die Produktionsmaschine zusammengebaut ist.

Eingebettete Bewegungssysteme kosten in der Regel 25 bis 50 % weniger als ihre komponentenbasierten Gegenstücke. Teilweise sind diese Einsparungen auf die Möglichkeit zurückzuführen, die Anzahl der Teile zu reduzieren – beispielsweise durch die Konstruktion von Halterungen, Anschlüssen und anderen Komponenten. Die Kostenreduzierung kann deutlich über 50 % betragen, wenn man alle versteckten Kostenkomponenten berücksichtigt, die mit dem Bau und der Installation eines Bewegungssystems verbunden sind. Dazu gehören Kosten im Zusammenhang mit Konstruktion, Lagerbestand, Markteinführungszeit und mehr.

Viele Arten von Anwendungen können von den Vorteilen der eingebetteten Bewegung profitieren. Wir haben diesen Ansatz auf Dutzenden von Halbleiter-, Nassbank-, Laserschneid-, Verpackungs- und Laborautomatisierungsmaschinen implementiert. Die folgenden Fallstudien beleuchten zwei Anwendungen, deren Leistungs- und Kostenanforderungen ohne eine eingebettete Bewegungslösung nicht zu erfüllen gewesen wären. Eines davon ist ein lineares eingebettetes Bewegungssystem für einen Präzisionsvorgang zur Halbleitervereinzelung. Das andere ist ein Drehbewegungssubsystem, das wir für einen einzigartigen CNC-Maschinentyp entwickelt haben.

Gestapelte Bühnen jeglicher Art können unter Ausrichtungs- und Steuerungsproblemen leiden, wenn Sie sie als Ansammlung einzelner Achsen entwerfen und bauen. Wenn dieser gestapelte Tisch anspruchsvolle Positionierungsgenauigkeits- oder Geschwindigkeitsanforderungen erfüllen muss, ist es von entscheidender Bedeutung, dass der Tisch als integriertes System funktioniert. Eine solche Bühne haben wir kürzlich für einen Halbleiter-Vereinzelungsvorgang geliefert.

Dieser mehrachsige Tisch erforderte ein lineares Antriebssystem, das vielseitig genug ist, um zwei sehr unterschiedliche Arten von Bewegungen auszuführen. Eine davon war eine lange Verfahrbewegung mit 400 mm/Sek. Die andere war eine kurze Hochgeschwindigkeitsbewegung von 13 mm, die sich in 150 Millisekunden auf 10 Mikrometer einpendeln musste. Die bewegte Masse, die von der untersten Achse im System gesehen wurde, betrug 38 kg mit einem bidirektionalen Genauigkeitsziel von ± 5 Mikrometern, basierend auf der Positionierungsreferenz eines optischen 1-Mikrometer-Linearencoders von Renishaw.

Aus Komponenten aufgebaute Bewegungssysteme haben eine Reihe versteckter Kosten, die durch den Embedded-Motion-Ansatz eliminiert werden können, darunter:

Time-to-Market-Kosten. Eingebettete Bewegungssysteme, die von Natur aus Concurrent Engineering unterstützen, können die Entwicklungszeit einer komplexen Maschine um Wochen oder sogar Monate verkürzen.

Programm-, Produktions- und Materialverwaltungskosten. Eingebettete Bewegungssysteme werden als einzelnes Stücklistenelement geliefert, sodass Hunderte von Teilen nicht bestellt, inventarisiert und montiert werden müssen.

Produktionskosten. Präzisionsbewegungssysteme erfordern qualifizierte Montagetechniker und spezielle Produktionsanlagen, deren Kosten sich bei nicht vollständiger Auslastung nur schwer rechtfertigen lassen.

Gewährleistungs- und Ausfallkosten. Ein guter Embedded-Motion-Anbieter garantiert seine Systeme gegen Ausfälle und steht hinter seiner Arbeit, was das Risiko des OEM verringert.

Der Kunde versuchte zunächst, ein vorhandenes XY-Kugelumlaufspindel-Tischdesign zu verwenden. Es gelang bei weitem nicht, die gewünschten Schritte durchzuführen und die Durchsatzanforderungen des Kunden zu erfüllen. Theoretisch war es möglich, eine auf Kugelumlaufspindeln basierende Konstruktion zu entwickeln, die den Bewegungsanforderungen gerecht wird. Ein solches Design würde jedoch teure spielfreie Kugelumlaufspindeln und Encoder erfordern, die die Kostenziele des Projekts überschreiten würden.

Der Kunde wandte sich als nächstes den Linearmotoren zu. Obwohl sie in der Lage waren, die gewünschten Bewegungen auszuführen, wären Linearmotoren für diese Anwendung aufgrund der langen Motorspule, die erforderlich war, um die Anforderungen der Anwendung an eine Dauerkraft von 300 N zu erfüllen, groß und teuer gewesen. Die Länge der Spule hätte weitreichende Änderungen am gesamten Maschinendesign erforderlich gemacht. Und die Kosten für den Linearmotor wären mehr als 50 % höher gewesen als die Kostenziele des Kunden.

Letztendlich entschied sich der Kunde für ein eingebettetes Bewegungssystem auf Basis unserer ServoBelt-Linearantriebe und einer kontraintuitiven Steuerungsstrategie, die eine Dual-Loop-Steuerung zugunsten einer Single-Loop-Steuerung unter ausschließlicher Verwendung des Linear-Encoders ablehnte.

Das ServoBelt-Bewegungssystem übertrifft den teureren Linearmotor durch Folgendes:

Eine spielfreie Lösung. Die einzige Möglichkeit, die schnellen Indexbewegungen in dieser Anwendung zu erreichen, bestand darin, die Servoschleifen mithilfe des Linear-Encoders zu schließen, was eine wirklich spielfreie Antriebsleitung vom Motor zur Nutzlast erfordert. ServoBelt hat kein Spiel, was sich bei der Abstimmung eines Steuerungssystems, das den dynamischen Anforderungen gerecht wird, als wesentlich erwiesen hat.

Eigendämpfung. ServoBelt bietet von Natur aus eine hervorragende mechanische Dämpfung, die sehr hohe Abstimmungsgewinne ermöglicht – typischerweise das Vierfache der Geschwindigkeits- und Positionsgewinne – was sich in extrem kurzen Einschwingzeiten niederschlägt. Linearmotoren hingegen müssen diese Dämpfung in der Servoverstärkerelektronik nachbilden, was zwangsläufig die mögliche Positionsverstärkung reduziert.

Ein kompaktes Plug-and-Play-System. Die Bühne wurde als eine Einheit entworfen, montiert und geliefert. Wir kümmern uns um die entscheidende Ausrichtung, die Funktionsprüfung und die Einarbeitungsarbeiten. Probleme werden in unserer Werkstatt erkannt, nicht an der Maschine unserer Kunden. Durch die Gestaltung der Bühne als eingebettetes Bewegungssystem konnten wir außerdem vordefinierte räumliche Anforderungen erfüllen.

Die meisten CNC-Fräsmaschinen basieren auf linearen Bewegungskomponenten. Durch die Drehbewegung kann die Maschine jedoch strenge Anforderungen an die Oberflächengüte erfüllen.

Dreiachsige CNC-Fräsmaschinen basieren in der Regel auf linearen Bewegungssystemen zur Positionierung des Schneidwerkzeugs. Mit einer eingebetteten CNC-Plattform, die wir kürzlich für das Fräsen medizinischer Keramik entwickelt haben, sind wir einen anderen Weg gegangen.

Anstelle eines herkömmlichen dreiachsigen Linearbewegungssystems kombiniert diese neue Maschine in Tischgröße rotierende und lineare Positionierungsgeräte. Die Drehvorrichtungen, zwei unserer ServoBelt 100-Einheiten, liegen einander gegenüber. Eines der Rotationsgeräte trägt eine luftbetriebene Spindel mit 150.000 U/min. Der andere Drehkopf hält das Werkstück und kann es um 180 Grad drehen, um eine beidseitige Bearbeitung zu ermöglichen. Die von unserem ServoNut-Antrieb angetriebene Linearachse ermöglicht es der Drehvorrichtung mit den Schneidköpfen, sich axial relativ zum Werkstückhaltedreh zu verschieben.

Alle drei Geräte bewegen sich während der Bearbeitung synchron. Die Linearachse übernimmt die Z-Achsen-Positionierung und bringt das Schneidwerkzeug an die Oberfläche des Werkstücks. Die beiden ServoBelts drehen sich relativ zueinander, so dass das Schneidwerkzeug jeden Punkt der Werkstückoberfläche in einem Volumen von 40x40x40 mm erreichen kann.

Das Rotationsdesign bot wichtige technische Vorteile. Zum einen weisen die Drehtische eine extrem hohe Steifigkeit auf, was entscheidend ist, um die Bearbeitungstoleranzen der Anwendung einzuhalten. Zum anderen sind die Rotoren lebensdauergeschmiert, was Wartungskosten spart und die Möglichkeit einer Kontamination verringert. Und schließlich stellten die Drehtische eine einfache Dichtungslösung dar, die die Bewegungskomponenten vor Schneidflüssigkeit und herumfliegendem Keramikstaub schützt. Beide Drehstufen erstrecken sich durch einfache Drehdichtungen in der Wand der Schneidkammer. Im Gegensatz dazu hätte ein XYZ-Bewegungssystem weniger elegante Dichtungsszenarien wie Faltenbälge und Armadillo-Abdeckungen erfordert.

Die koordinierte Bewegung dieses Systems erforderte ein Umdenken in der CNC-Kinematik – vor allem, weil die Drehpositionierung des Schneidwerkzeugs und des Werkstücks die Verwendung von Polarkoordinaten anstelle von kartesischen Koordinaten erfordert. Die Steuerung nimmt weiterhin XYZ-G-Code-Befehle auf, wandelt sie jedoch in Echtzeit in Polarkoordinaten um, was keine leichte Aufgabe ist.

Warum also die Mühe machen? Die Rotationsbewegung hat gegenüber der Linearbewegung einen inhärenten Vorteil, da sie eine glatte Oberfläche der Keramikteile erzeugt. Der Grund dafür ist das „Rumpeln“, das selbst bei den besten Linearlagern und Kugelumlaufspindeln auftreten kann, wenn die Kugeln in einem belasteten Zustand zwischen den Lagerrillen hin und her zirkulieren. Dieses Kugelrollen wäre durch das Bewegungssystem zurückgestrahlt und hätte sich als periodische Schwankungen in der Oberflächenqualität auf das Teil übertragen. Mit ihren Rotationslagern mit großem Durchmesser vermeiden ServoBelt-Rotationstische das Problem des Kugelrumpelns von Natur aus vollständig.

Diese nicht-traditionelle CNC-Maschine verfügt über alle Merkmale einer idealen Embedded-Motion-Anwendung. Es war erforderlich:

Sowohl Kontrollen als auch mechanisches Fachwissen. Die Verbindung des mechanischen Systems mit den Steuerungen und Verstärkern, die die komplexe Kinematik für die Polarbewegung unterstützen, erforderte einen Systemansatz und monatelange Tests. Für den Aufbau dieses neuen CNC-Systems mussten wir außerdem eine Reihe von Ausrichtungstechniken und -werkzeugen entwickeln.

Kompaktes Design, einfache Integration. Auf dieser CNC-Maschine im Desktop-Format war der Platz knapp. Das Design des ServoBelt Rotary, das über ein großes, ungehindertes Durchgangsloch verfügt, ermöglichte uns eine effiziente Nutzung des verfügbaren Platzes. Durch die 100-mm-Durchgangslöcher war es einfach, die Luftzufuhr direkt an die Spindel zu bringen, einen Materialindexierer auf der Werkstückseite einzubetten und alle erforderlichen Stromanschlüsse herzustellen.

Kostendämpfung. Ein interessanter Aspekt dieses eingebetteten Bewegungssystems ist, dass es nicht komplexer ist als nötig. Die Hauptfunktionsanforderung betraf die Oberflächenbeschaffenheit und nicht die Positionierungsgenauigkeit. Der Positionierungsbedarf ist eigentlich recht bescheiden, zumindest nach unseren Maßstäben. So konnten wir auf direkt ablesende Encoder verzichten und das gesamte System im Open-Loop-Modus betreiben. Das hat unserem Kunden Tausende von Dollar pro Maschine gespart.

ServoBeltTM Linear ist in zwei verschiedenen Schlittenausführungen erhältlich. Der Standardwagen ist kompakter und nutzt unsere Doppelriemen-Antriebstechnologie. Dieser Wagentyp ist für die meisten Anwendungen geeignet. Beim LoopTrack-Wagen handelt es sich um eine Konstruktion, bei der sich der obere Antriebsriemen kontinuierlich innerhalb des Wagens selbst umläuft. Es verhindert das Durchhängen des Bandes bei umgekehrten oder freitragenden Anwendungen.

Der Sprung von komponentenweisen Bewegungssystemen zu eingebetteten Bewegungssystemen mag wie ein Vertrauensvorschuss erscheinen. Schließlich lagern Sie die Bewegungssteuerung an einen Anbieter aus.

Wenn Sie jedoch den richtigen Anbieter auswählen, zahlt sich das Outsourcing durch eine verbesserte Leistung und Zuverlässigkeit aus. Auch die Kosten sinken, da die Bewegungssubsysteme vollständig getestet und mit Garantie in Ihrem Werk eintreffen und bereit sind, in Ihre Maschine eingebaut zu werden.

Bell-Everman stellt Bewegungsgeräte her, die erstklassige Präzision, Qualität und Wert bieten. Unsere Bewegungssteuerungstechnologien sind in eine Vielzahl von Automatisierungs- und Messsystemen integriert, darunter solche in der Luft- und Raumfahrt-, Biomedizin-, Halbleiter-, Elektronikmontage-, Laser- und Wasserstrahlschneide-, CNC-Bearbeitungs- und Verpackungsindustrie. Unsere Produktpalette umfasst Präzisionslinearlager, Linearbewegungspositionierungsgeräte, Drehtische und komplette mehrachsige Robotersysteme. Alle Produkte werden in unserem eigenen Werk in Südkalifornien entworfen und hergestellt.

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