Okt 28 2017

Positionierlösung Mechanik Antriebstechnik Ansteuerung

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Für Positionier- und Handlinganwendungen z. B. in der Halbleiterfertigung, bei der präzisen Materialbearbeitung, in Inspektionssystemen und Montageanwendungen oder beim Digitaldruck müssen industrielle Motion-Control-Lösungen viele Anforderungen erfüllen: Sie sollten robust und zuverlässig sein, ebenso unerlässlich sind Genauigkeiten bis in den Sub-Mikrometerbereich, eine exakte Reproduzierbarkeit der Positionen, hohe Dynamik und Durchsatzraten. Nicht zuletzt im Zusammenhang mit Industrie 4.0 spielen dann auch noch Sicherheit und einfache Vernetzungsmöglichkeiten eine wichtige Rolle. Diese Anforderungen lassen sich nur erfüllen, wenn Mechanik, Antriebstechnik und Ansteuerelektronik der Positioniersysteme perfekt aufeinander abgestimmt sind.

Präzise, mehrachsige Positionierlösungen, die in industrieller Umgebung arbeiten sollen, muss man als Gesamtsystem betrachten, denn ihre Leistungsfähigkeit hängt nicht nur von der Mechanik und der gewählten Antriebsart ab, sondern auch von deren Ansteuerung. Ein industriegerechter Motion Controller muss die einzelnen Achsen synchronisieren, mehrdimensionale Bewegungsprofile fahren, schnell auf sich verändernde Regelparameter reagieren und sich komfortabel in die übergeordnete Automatisierungsumgebung integrieren lassen.

Maßgeschneiderte Komplettsysteme aus einer Hand

Technologieübersicht: Breites Spektrum an Antriebstechnologien und Positioniersystemen mit bis zu sechs Bewegungsachsen. Quelle: PI

Das Karlsruher Unternehmen Physik Instrumente (PI Firmenkasten) hat daher die Mehrheitsanteile an ACS Motion Control (Firmenkasten) übernommen, einem weltweit führenden Entwickler und Hersteller modularer Motion Controller für mehrachsige und hochpräzise Antriebssysteme. Damit hat PI eine wichtige Voraussetzung geschaffen, maßgeschneiderte Komplettsysteme für industrielle Anwendungen mit höchsten Anforderungen an Präzision und Dynamik bedienen zu können und seine umfangreichen Erfahrungen mit High-End-Projekten auf der ganzen Welt in Industrieanwendungen einzubringen, die Präzision, Produktivität und Zuverlässigkeit miteinander verbinden sollen. Die Positioniersysteme aus Karlsruhe haben sich bereits in vielen Anwendungen der Halbleiterindustrie, Elektronikfertigung, Montage, Bio- und Medizintechnik, im Digitaldruck sowie der Laserbearbeitung bewährt.

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Leistungsfähige Motion Controller

Die ASC Motion Controller Plattform arbeitet als EtherCAT Master, der alle Knoten (Servocontroller-, I/O- und Sensormodule) im EtherCAT Netzwerk koordiniert. Die Controller sind modular aufgebaut, skalierbar und kommunizieren mit der übergeordneten Maschinen- oder Anlagensteuerung über verschiedene Ethernet-Protokolle. Universelle Controller-Module (UCM) sind für die Servosteuerung verantwortlich. Alle Strom-, Geschwindigkeits- und Positionsschleifen werden mit einer Frequenz von 20 kHz unabhängig von der Anzahl der Achsen verarbeitet, was die Voraussetzung für eine hohe Synchronisation und Dynamik mit minimalen Fehlern ist.

Die Motion Controller optimieren das stabile Halten der Position ebenso wie die Step- und Settle-Zeiten durch leistungsfähige Regelalgorithmen, wie die ServoBoost™-Funktion und das Profile Shaping, das beispielsweise Systemschwingungen zuverlässig unterdrückt. Spezielle patentierte Controllerfeatures wie NanoPWM™ und die DRBoost-Funktion™ ermöglichen eine dynamische Reichweite von über 100.000:1. Dadurch werden Trackingfehler beim Waferscannen auf Nanometer begrenzt und in der Messtechnik wird die Position im Subnanometerbereich gehalten. Dazu kommen umfangreiche Trigger-Funktionalitäten z. B. für Laseranwendungen oder Inspektionsfunktionen. Eine integrierte 3D-Kompensation von Positionierfehlern sowie die Kompensation des Gierens bei Gantrylösungen ermöglichen die Realisierung von Anwendungen mit höchsten Genauigkeitsanforderungen.

Leistungsfähiger, modular aufgebaute Motion Controller mit zahlreichen Skalierungsmöglichkeiten. Quelle: PI

Der eigene ServoBoost™ Algorithmus detektiert Störungen in Echtzeit, identifiziert die Ursache und minimiert den Effekt. Er erleichtert die Inbetriebnahme und die Optimierung der Performance bei wechselnden Lasten oder bei Wechselwirkungen mehrerer Achsen auf demselben Rahmen. Das Resultat ist eine sehr stabile und robuste Regelung mit hoher Positioniergenauigkeit und extrem kurzen Einschwingzeiten. In Kombination mit den Linear- und Rotationsachsen, Parallelkinematiken und Planarscannern sind diese Controller Teil einer kundenspezifisch auslegbaren Komplettlösung von PI.
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Luftgelagerter Planartisch für die Waferinspektion

Luftgelagerter Planartisch für die Waferinspektion. Quelle: PI

Ein Beispiel dafür liefert ein luftgelagerter, zweiachsiger Lineartisch, der für die Wafer-Inspektion entwickelt wurde. Über einen Stellweg von bis zu 500 x 1000 mm arbeitet er mit einer Geradheit/Ebenheit von ±10 nm pro 10 mm Stellweg.. Zur exakten rechtwinkligen Ausrichtung regelt der Motion Controller das Gieren der Achsen über die X-Achse. Schwingungen werden über den Profile Shaping Algorithmus ebenfalls vom Controller aktiv gedämpft.

Der von magnetischen Direktantrieben bewegte, luftgelagerte Planartisch ist modular aufgebaut, d.h. die Hübe sind skalierbar und je nach erforderlicher Positioniergenauigkeit lassen sich unterschiedliche Encoder einbauen. Der Tisch trägt Lasten bis 24,5 kg. Dabei sorgt die verschleißfreie Luftlagerung nicht nur für extrem ebene Bewegungen, sondern auch für eine lange Lebensdauer. Über die EtherCat-Schnittstelle des Controllers lässt sich das Positioniersystem zudem einfach in die übergeordnete Steuerungsumgebung integrieren.

Hochgenaues Positioniersystem für die Laserbearbeitung

Hochgenaues XY-System für Laserschneidanwendungen.
Quelle: PI

Auch bei der Laserbearbeitung haben sich solche Präzisionslineartische bereits bewährt. Für Laserschneidanwendungen beispielsweise gibt es ein hochgenaues XY-System, das über den gesamten Stellweg von 200 mm eine Geradheit/Ebenheit von ±3 µm bietet, wobei die unidirektionale Wiederholgenauigkeit bei 0,2 µm liegt. Der als Kreuzrollentisch aufgebaute Positionierer mit eisenlosem magnetischem Direktantrieb eignet sich für Lasten bis 20 kg und lässt sich dank der flachen, kompakten Bauform gut in die Anwendung integrieren. Der bei diesem System eingesetzte Controller unterstützt sowohl ein positions- als auch geschwindigkeitsabhängiges Lasertriggern. Bewegung und Laserpulse lassen sich beim Schneiden von Ecken oder Bögen optimal synchronisieren.

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Ecken lassen sich mit hoher Präzision schneiden.
Quelle: ASC

Beim Eckenschneiden bestimmen die Rundheit der Punkte und der Abstand zwischen ihnen die Qualität der Schnittlinie. Im Controller ist ein spezieller Algorithmus hinterlegt, der die Bewegung so mit den Laserpulsen synchronisiert, dass auch in einer Ecke die Punktgröße und der Mittellinienabstand benachbarter Punkte konstant bleiben. Dazu wird bei gleichbleibender Laserleistung die Geschwindigkeit der Bewegung entsprechend angepasst. Gleiches gilt fürs Schneiden von Bögen und Kreisen. Auch werden Ungenauigkeiten, verursacht durch mögliche Diskontinuitäten im Beschleunigungsverhalten beim Bogenfahren, vermieden. Rundheit und Bogenschnitt sind nicht mehr von Bewegungsparametern abhängig. Ähnliche Genauigkeitssteigerungen lassen sich auch in anderen Anwendungsbereichen erreichen, bei denen die industriegerechten Positioniersysteme aus Karlsruhe zum Einsatz kommen.

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Autoren

Dipl.-Ing. (FH) Franz Oebels Produktbereichsleiter „Magnetische Direktantriebe“ bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

 

Autorin: Ellen-Christine Reiff, Redaktionsbüro Stutensee

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Physik Instrumente (PI)

Das Unternehmen Physik Instrumente (PI) ist für die hohe Qualität seiner Produkte bekannt und nimmt seit vielen Jahren eine Spitzenstellung auf dem Weltmarkt für präzise Positioniertechnik ein. Seit über 40 Jahren entwickelt und fertigt PI Standard- und OEM-Produkte mit Piezo- oder Motorantrieben. Mit vier Standorten in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebs- und Serviceniederlassungen ist die PI Gruppe international vertreten. Weitere Informationen finden Sie unter www.pi.de

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ACS Motion Control

ACS ist einer der weltweit führenden Hersteller von Motion Controllern und Verstärkern. Das Unternehmen wurde im Jahre 1985 gegründet; es entwickelt, fertigt und vertreibt leistungsfähige Controller- und Verstärkerlösungen für mehrachsige Antriebssysteme basierend auf der EtherCAT® Technologie. ACS hat seinen Hauptsitz in Migdal Ha´Emek, Israel, mit Vertriebs- und Supportzentren in den USA, Deutschland, China und Südkorea. Weitere Informationen finden Sie unter www.acsmotioncontrol.com

Weitere Informationen zum Thema

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