Un sistema de posicionamiento de alto rendimiento (HPPS) es un tipo de sistema de posicionamiento que consiste en una pieza de equipo electromecánico (por ejemplo, un conjunto de etapas lineales y etapas giratorias ) que es capaz de mover un objeto en un espacio tridimensional dentro de una envolvente de trabajo. El posicionamiento se puede realizar punto a punto o a lo largo de una trayectoria de movimiento deseada . La posición generalmente se define en seis grados de libertad , incluida la orientación lineal, en un sistema de coordenadas cartesianas x,y,z, y la orientación angular de guiñada, cabeceo y balanceo. Los HPPS se utilizan en muchos procesos de fabricación para mover un objeto (herramienta o pieza) con suavidad y precisión en seis grados de libertad, a lo largo de una trayectoria deseada, en una orientación deseada, con alta aceleración , alta desaceleración , alta velocidad y bajo tiempo de asentamiento . Está diseñado para detener rápidamente su movimiento y colocar con precisión el objeto en movimiento en la posición y orientación final deseada con una mínima inquietud.
HPPS requiere características estructurales de baja masa móvil y alta rigidez. La característica del sistema resultante es un valor alto para la frecuencia natural más baja del sistema. La alta frecuencia natural permite que el controlador de movimiento impulse el sistema con un ancho de banda servo alto , lo que significa que el HPPS puede rechazar todas las frecuencias perturbadoras de movimiento, que actúan a una frecuencia más baja que el ancho de banda. Para perturbaciones de mayor frecuencia, como vibración del piso , ruido acústico , engranajes del motor, fluctuaciones de los rodamientos y traqueteo de los transportadores de cables , HPPS puede emplear materiales compuestos estructurales para amortiguación y soportes de aislamiento para atenuar las vibraciones . A diferencia de los robots articulados, que tienen juntas de revolución que conectan sus enlaces, los enlaces HPPS normalmente constan de juntas deslizantes, que son relativamente más rígidas que las juntas de revolución. Ésa es la razón por la que a los sistemas de posicionamiento de alto rendimiento se les suele denominar robots cartesianos .
Ejemplo de configuración XYZ personalizada con etapas de motor lineal para XY y un husillo de bolas para Z
Actuación
Los HPPS, impulsados por motores lineales, pueden moverse a una alta velocidad combinada del orden de 3 a 5 m/s, altas aceleraciones de 5 a 7 g, con una precisión de posicionamiento de micras o submicras con tiempos de estabilización del orden de milisegundos y un ancho de banda servo de 30-50 Hz. Los actuadores de husillo de bolas, por otro lado, tienen un ancho de banda típico de 10 a 20 Hz y los actuadores accionados por correa de aproximadamente 5 a 10 Hz. El valor del ancho de banda de HPPS es aproximadamente 1/3 de la frecuencia natural más baja en el rango de 90-150 Hz. El tiempo de establecimiento a +/- 1% de velocidad constante, o +/- 1 um de fluctuación, después de una alta aceleración o una alta desaceleración respectivamente, requiere aproximadamente 3 períodos de ancho de banda. Por ejemplo, un ancho de banda servo de 50 Hz, que tiene un período de 1/50 · 1000 = 20 ms, se establecerá con una precisión de posición de 1 um dentro de un estimado de 3 · 20 = 60 ms. La frecuencia natural más baja es igual a la raíz cuadrada de la rigidez del sistema dividida por la inercia del movimiento. Un carril de rodamiento de recirculación lineal típico, de una etapa de posicionamiento de alto rendimiento, tiene una rigidez del orden de 100-300 N/um. Este rendimiento es necesario en equipos de proceso de semiconductores , líneas de ensamblaje de productos electrónicos, máquinas herramienta controladas numéricamente , máquinas de medición de coordenadas , impresión 3D , máquinas de recogida y colocación , ensayos de descubrimiento de fármacos y muchos más. En su rendimiento más alto, los HPPS pueden utilizar una base de granito para estabilidad térmica y superficies planas, cojinetes de aire para un movimiento sin fluctuaciones , motores lineales sin escobillas para accionamiento sin contacto y sin fricción, alta fuerza y baja inercia, e interferómetro láser para retroalimentación de posición submicrónica. Por otro lado, un robot articulado típico de 6 grados de libertad , con un alcance de 1 m', tiene una rigidez estructural del orden de 1 N/um. Es por eso que los robots articulados se emplean mejor como equipos de automatización en procesos que requieren una repetibilidad de posición del orden de 100 micrones, como robots de soldadura , robots de pintura , paletizadores y muchos más.
Historia
Los HPPS originales fueron desarrollados en Anorad Corporation (ahora Rockwell Automation ) en la década de 1980, después de la invención de los motores lineales sin escobillas por parte del fundador y director ejecutivo de Anorad, Anwar Chitayat . Inicialmente, los HPPS se utilizaban para procesos de fabricación de alta precisión en aplicaciones de semiconductores como Applied Materials , PCB Inspection Orbotech y High Velocity Machine Tool Ford . [1] Paralelamente, la tecnología de motores lineales y su integración en HPPS se expandió por todo el mundo. Como resultado, en 1996 Siemens integró su CNC con motores lineales Anorad para accionar una máquina Maskant de 20 m de largo en Boeing para el fresado químico de alas de aviones . [2] En 1997, FANUC obtuvo la licencia de la tecnología de motores lineales de Anorad y la integró como una solución completa con su línea de productos CNC. [3] Y en 1998, Rockwell Automation adquirió Anorad para competir con Siemens y Fanuc en el suministro de soluciones completas de motores lineales para impulsar máquinas herramienta de alta velocidad en líneas de transferencia automotrices . [4] Hoy en día, los motores lineales se utilizan en cientos de miles de sistemas de posicionamiento de alto rendimiento, que impulsan los procesos de fabricación en todo el mundo. Se espera que su mercado crezca, según algunos estudios, a un ritmo del 4,4% anual y alcance los 1.500 millones de dólares en 2025. [5]
Sistema de posicionamiento de alto rendimiento: tipo pórtico
Óptica: los microscopios estereoscópicos utilizan etapas de posicionamiento de motor lineal para lograr una gran suavidad de movimiento durante el escaneo [8]
Máquinas herramienta: el mecanizado por descarga eléctrica de alambre se utiliza para cortar metales duros gruesos, como en troqueles (fabricación) . Los sistemas de posicionamiento de motor lineal/cojinete neumático proporcionan una gran suavidad de movimiento. [9]
CMM: la máquina de medición de coordenadas a menudo requiere una base de granito, soportes de aislamiento, actuadores de motor lineal, cojinetes de aire e interferómetro láser. [10]
La especificación del sistema (estándar técnico) es una interfaz oficial entre los requisitos de la aplicación (problema), descritos por el usuario (cliente) y el diseño (solución) optimizado por el desarrollador (proveedor).
Inercia : indica la resistencia de la carga en movimiento (herramienta o pieza) al cambio de velocidad lineal (kg) y angular (kg·m2). Para maximizar la frecuencia natural, la inercia de la carga en movimiento debe ser mínima.
Tamaño: indica las restricciones geométricas de ancho (m), largo (m) y alto (m) del sistema, según sea necesario para su manipulación, transporte e instalación.
Movimiento : indica los tiempos del ciclo del proceso y las restricciones del proceso para cada grado de libertad , incluido el recorrido máximo (m, rad), la velocidad máxima (m/s, rad/s) y la aceleración/desaceleración máxima (m/s2, rad/ s2).
Jitter : indica la amplitud máxima (um) de vibraciones de alta frecuencia permitidas en condiciones de reposo.
Velocidad constante: indica la suavidad de movimiento requerida y las variaciones permitidas en (+/- %) de la velocidad constante requerida (m/s, rad/s) durante el movimiento.
Rigidez : indica la resistencia al cambio de posición en respuesta a una carga externa (N/um, N·m/rad).
Vida útil: indica el tiempo (horas) o recorrido (km) esperado en el que se espera que el grado de libertad más activo del sistema actúe de manera confiable en la operación del proceso.
Mantenibilidad: tiempo medio de reparación (horas), a menudo asociado con manuales del sistema que incluyen operación, programa de mantenimiento y lista de repuestos.
Medio ambiente: indica las condiciones de perturbación esperadas que el sistema puede encontrar durante su funcionamiento dentro de su vida útil, incluidas condiciones térmicas, de humedad, golpes y vibraciones, limpieza y radiación.
Ambiente
Térmica - Indica la temperatura más alta y más baja (°C) que el sistema puede soportar durante su funcionamiento. Efectos deformaciones estructurales y precisión. Puede requerir refrigeración, aislamiento y material de baja conductividad térmica.
Humedad : indica el nivel de vapor de agua en el aire circundante (%). Puede incluir la protección requerida del sistema basada en el código IP . Puede requerir sellos protectores.
Choque (mecánica) y vibración: indica el nivel de vibración del piso y otras alteraciones del proceso. Puede requerir soportes de aislamiento de vibraciones activos o pasivos y material estructural con alta amortiguación. [12]
Limpieza : indica el nivel permitido (tamaño y cantidad por unidad de volumen) de partículas en el aire circundante. Puede requerir operación en sala limpia , filtración del aire entrante y sellos protectores. [13]
Radiación: la interferencia electromagnética puede requerir gestión de cables blindados, material estructural no ferroso y escudos protectores de las placas magnéticas del motor lineal.
Ejemplo de sistema de posicionamiento de alto rendimiento con un modelo de simulación de análisis del sistema.
Solución del sistema
Configuración
La configuración HPPS generalmente se optimiza para obtener la máxima rigidez estructural con máxima amortiguación e inercia mínima, el error de Abbe más pequeño en el punto de interés (POI), con componentes mínimos y máxima mantenibilidad.
XYZ: un conjunto personalizado de etapas individuales, incluida la gestión de cables móviles . El eje Z normalmente se acciona con un husillo de bolas o un motor lineal con contrapeso . Los ejes pueden estar separados para reducir la inercia.
XYZR: los ejes de rotación que incluyen cabeceo, guiñada y balanceo generalmente se agregan en HPPS para orientar la herramienta de extremo del brazo (EOAT) o el efector final del robot .
Pórtico: la configuración de pórtico proporciona un área de trabajo máxima en la configuración XYZ según las restricciones de tamaño determinadas. Dispone de 2 ejes paralelos para x, controlados como un solo eje o maestro/esclavo. Ideal para líneas de transferencia .
Personalizado: es posible que se requieran configuraciones personalizadas de HPPS en el proceso de optimización matemática de integrar los mejores componentes del sistema en el sistema más compacto y con mayor capacidad de respuesta.
Análisis del sistema
El análisis de sistemas es un proceso de comprensión de las relaciones entre los parámetros de diseño, las condiciones operativas, las variables ambientales y el rendimiento del sistema basado en herramientas de análisis y modelado de sistemas.
Exactitud y precisión : estimación de errores estáticos 3D en el punto de interés en función de la rectitud, planitud, cabeceo, guiñada, balanceo, oscilación y salida de los ejes utilizando herramientas de análisis como Mathcad y Microsoft Excel.
Servocontrol : estimación de los filtros necesarios y parámetros de ajuste para los bucles del controlador PID de los ejes del sistema utilizando herramientas de análisis como MATLAB , Simulink
El dimensionamiento de componentes es el proceso de seleccionar piezas estándar de los proveedores de componentes o diseñar una pieza personalizada para su fabricación.
Marco: normalmente hecho de soldaduras de tubos huecos de aluminio o acero, posiblemente relleno con un compuesto de hormigón para amortiguar. Montado sobre plataformas niveladoras y asegurado al piso, posiblemente con postes sísmicos.
corredera, base: las bases de alta precisión utilizan granito para lograr planitud y estabilidad térmica. Las etapas estándar de menor precisión utilizan aluminio extruido. Las etapas personalizadas suelen utilizar aluminio acanalado o acero inoxidable mecanizado para lograr una alta rigidez y baja inercia.
rodamiento: las opciones incluyen rodamiento de rodillos transversales para un recorrido relativamente corto, rodamiento de recirculación para mayor rigidez, recorrido más largo y rodamiento de aire con base de granito para una mayor suavidad de movimiento y mayor precisión.
Servomotor : motor eléctrico de CC típicamente lineal sin escobillas para ejes horizontales con corriente sincronizada trifásica en bobina móvil y campo en placas magnéticas estacionarias y de bajo engranaje. Para ejes de motores lineales verticales se puede utilizar un contrapeso. Las etapas rotativas utilizan dos partes similares, un motor de accionamiento directo, que incluye una armadura de bobina estacionaria y un rotor magnético móvil.
retroalimentación: normalmente codificador de alta resolución, codificador óptico, magnético o captativo, analógico o digital, lineal o rotativo, absoluto o incremental con marca de índice para referenciado. Interferometría láser para recorridos largos, precisión submicrónica.
Forzador: las opciones de forzador incluyen husillo de bolas para alta fuerza, piñón y cremallera para recorrido largo y transmisión por correa de distribución para alta velocidad. Sus limitaciones en HPPS son la fricción, la inquietud, el juego, la menor rigidez y el mantenimiento.
Gestión de cables: para transmisión de energía y señal. El eslabón más débil de la cadena de confiabilidad del sistema. El radio de curvatura más bajo para un perfil bajo aumenta la fatiga. Requiere portacables o utiliza cable plano. Introducir inquietud.
servoaccionamiento : amplificación de señales de control de movimiento para accionar servomotores. Desde baja potencia hasta 10s KW. Por ejemplo, 40 KW en el accionamiento de un motor lineal de alta fuerza de 10.000 N que se mueve a 4 m/s. El voltaje de CC varía desde 24 V/48 V seguros hasta más de 400 V. Las altas tasas de actualización del bucle de corriente, de las señales del motor, son del orden de miles de Hz. La comunicación de red popular con el controlador de movimiento se realiza a través de EtherCAT .
Controlador PID de movimiento : las opciones incluyen control numérico por computadora (CNC), eje único, eje múltiple, basado en PC, independiente o integrado con servoaccionamiento y/o PLC, incluidas E/S, ajuste automático, diagnóstico y programación disponibles desde múltiples fuentes. [15]
La prueba del sistema es un proceso iterativo de desarrollo del sistema, destinado a validar el modelado de análisis del sistema, la prueba de conceptos, el factor de seguridad de las especificaciones de rendimiento y las pruebas de aceptación.
Recorrido de movimiento, velocidad máxima, aceleración máxima, sacudida: comúnmente se proporcionan dentro del controlador de movimiento.
Tiempo medio entre fallas , prueba de vida útil: funcionamiento continuo durante un período específico sin fallas en condiciones de operación extremas bajo monitoreo continuo con verificación visual y de sensores frecuentes. [19]
Referencias
^ BROWN, STUART (25 de noviembre de 1996). "El nuevo y rápido mundo de los FLATMOTORS" (PDF) . FORTUNA (Portada) . Archivado desde el original (PDF) el 5 de junio de 2020 . Consultado el 9 de diciembre de 2020 .
^ Czajkowski, Stephen (septiembre de 1996). "Motores lineales: el futuro de las máquinas herramienta de alto rendimiento". Siemens y Anorad Corp. decidieron que se necesitaba información para respaldar el importante papel que desempeñarán los motores lineales de alto rendimiento como actuador principal de las máquinas herramienta.
^ Eidelberg, Boaz (octubre de 2020). "En memoria de un gran líder tecnológico". LinkedIn.
^ "Rockwell Automation compra Anorad y prevé una expansión del motor lineal". Ingeniería de control . 1 de octubre de 1998.
^ "Tamaño del mercado de motores lineales en 2025". NOTICIAS DE TENDENCIA DEL MERCADO DE FRACTOVIA. 23 de diciembre de 2020. CAGR de 4.4%% ...USD 1508.1 millones al 2025[ enlace muerto permanente ]
^ "La velocidad y la precisión se encuentran en las avanzadas máquinas de litografía de ASML". ASML. ¿Mesas de oblea que levitan magnéticamente y aceleran más rápido que un avión de combate?... con una precisión de 60 picómetros... Todo es parte de la mecánica extrema de las máquinas ASML.
^ "Tecnologías de plataforma Fuzion para rendimiento, flexibilidad y rendimiento". Instrumentos universales. Archivado desde el original el 30 de noviembre de 2020 . Consultado el 25 de diciembre de 2020 . Sistema de posicionamiento de motor lineal VRM, alta precisión (resolución de 1 μm)... Alta aceleración: hasta 2,5 G
^ "Resultados precisos y reproducibles Etapa de escaneo Leica LMT260 XY". Microsistemas Leica. ... La etapa de escaneo XY utiliza ... dos motores lineales para producir resultados tan precisos y reproducibles con microscopios estereoscópicos
^ "Mecanizado ultrapreciso y acabado superficial de electroerosión por hilo para operaciones de alambre pequeño/fino". Makino. ... logrando una precisión de nivel submicrónica... utilizando las máquinas Guías neumáticas de presión estática y tecnología de movimiento de motor lineal
^ "Máquina de medición de alta gama para máxima precisión". ZEISS. ... accionamientos lineales en todos los ejes. Las ventajas: altas velocidades, aceleración muy rápida, alta precisión de posicionamiento y accionamientos sin fuerzas de corte
^ "Un nuevo vídeo ilustra un gran avance en el diseño de automatización de laboratorios". HEIDENHAIN. 5 de febrero de 2019. Lograr el alto rendimiento y la extraordinaria precisión necesarios para la automatización del laboratorio
^ "Descargar MIL-STD-810H". IEST . 31 de enero de 2019.
^ "Diseño de máquinas para salas blancas". Tecnología de sala limpia . 6 de octubre de 2004.[ enlace muerto permanente ]
^ "Proveedores de guías lineales y etapas lineales". GlobalSpec Engineering 360. 484 proveedores de guías lineales y etapas lineales
^ "Control de movimiento en línea". control de movimiento mcma y asociación motora. Empresas que fabrican control de movimiento, motores, software o productos y equipos relacionados.
^ "Proveedores de controladores lógicos programables (PLC)". Ingeniería de especificaciones globales 360 . Encuentre proveedores de 656 controladores lógicos programables (PLC) con Engineering360
^ "Sistema láser XL-80". El interferómetro láser Renishaw XL-80 ofrece lo último en medición y calibración de alto rendimiento para sistemas de movimiento, incluidas CMM y máquinas herramienta.
^ "Analizador de función de respuesta de frecuencia". Control de movimiento ACS. Aumente el rendimiento con análisis y optimización de frecuencia electromecánica
^ Kensler, Jennifer (21 de marzo de 2014). "Mejores prácticas de planificación de pruebas de confiabilidad para el tiempo medio entre fallas" (PDF) . STAT T&E COE-Informe-09-2013. El objetivo... es ayudar a desarrollar estrategias de prueba rigurosas y defendibles para cuantificar y caracterizar más eficazmente el rendimiento del sistema y proporcionar información que reduzca el riesgo.
Otras lecturas
Slocum, Alejandro (1992). Diseño de máquinas de precisión. Sociedad de Fabricación. pag. 750.ISBN 0872634922.
