Choisir le bon actionnement de scène pour dynamique

Dec 16, 2023

Par Lisa Eitel | 26 novembre 2018

Lorsque des mesures sont effectuées sur un produit discret à la volée, il est essentiel que le système de mouvement minimise les erreurs et corrige le reste.

Brian Handerhan | Responsable développement commercial • Sciences de la viePatrick Lehr | Chef de produit • Mécanique de précisionDivision Electromécanique & Drives • Parker Hannifin Corp.

La métrologie dynamique est la collecte de données sur des objets se déplaçant sur des axes de machine en mouvement. Il est de plus en plus courant avec les inspections laser et la spectrométrie, et principalement pour la fabrication de semi-conducteurs et d'électronique qui utilise le balayage en ligne de produits discrets au cours de divers processus. Les applications des sciences de la vie telles que l'analyse cellulaire ou le séquençage de l'ADN et des gènes - qui nécessitent un débit élevé de collecte de données - utilisent également la métrologie dynamique. Encore une autre application est la découpe laser de précision.

Étant donné que les étages transportant le produit sont en mouvement pendant les mesures, ils doivent présenter des erreurs linéaires minimales, des erreurs d'Abbe et des erreurs planaires. Les sources de ces erreurs abondent - et comprennent les incohérences d'usinage des glissières linéaires et des assemblages, les incohérences de roulement, le frottement, la déviation, la fluctuation thermique, la rétroaction incohérente et l'enroulement mécanique.

Plus de détails sur les trois types d'erreurs peuvent être trouvés sur blog.parker.com entrée et recherche métrologie dynamique. Réduire au minimum les erreurs signifie minimiser leurs sources, notamment les incohérences d'usinage et de roulement, les frottements, les déviations, les fluctuations thermiques, les retours incohérents et les enroulements mécaniques.

Pour les dispositifs de positionnement linéaire, l'industrie quantifie une telle erreur de huit manières différentes. Les erreurs d'Abbe se produisent dans les directions de tangage, de lacet et de roulis; ils contribuent de manière significative à la précision et à la répétabilité et sont quantifiés avec des mesures angulaires. Les erreurs linéaires dans les directions X, Y ou Z sont directement liées à la précision et à la répétabilité et sont quantifiées avec des mesures linéaires. En revanche, les erreurs planaires se produisent dans la direction X, Y ou Z et contribuent directement à l'axe adjacent dans un système multi-axes. Ceux-ci sont également quantifiés avec des mesures linéaires.

Une remarque spéciale : La précision est affectée lorsque le point de mesure se trouve à une certaine distance de la scène… et l'erreur totale est plus élevée lorsque le point de mesure est plus éloigné de la scène. Dans de telles applications - où le point d'intérêt est à une certaine distance des points de tangage, de lacet ou de roulis - la minimisation de l'erreur d'Abbe est la plus critique. Les ingénieurs concepteurs doivent tenir compte d'un tel grossissement de ces erreurs lors de la spécification des étapes linéaires pour les applications de métrologie dynamique.

Considérons deux opérations qui incluent un point de mesure à une certaine distance de la platine linéaire. L'erreur totale est plus élevée lorsque le point de mesure est plus éloigné de la platine.

Un contrôle strict de la vitesse de l'étape de mouvement est également nécessaire pour la métrologie dynamique. Une erreur sous forme d'accélération et de décélération inattendues (comme une ondulation de vitesse) rend impossible la collecte précise et cohérente des résultats dans les configurations de métrologie dynamique. Les applications de numérisation en particulier nécessitent un bon contrôle de la vitesse ou risquent de collecter des données médiocres (par rapport à la position attendue) et des résultats flous.

Le contrôle de la vitesse est essentiel pour les applications de métrologie dynamique car cette dernière dépend d'une vitesse régulière pour des mesures précises et cohérentes.

Les causes de l'ondulation de la vitesse comprennent les déviations de la transmission mécanique ; variations de pas de vis ou de poulie ; et les changements de frottement au cours de la course de déplacement. D'autres facteurs pouvant provoquer une ondulation de vitesse comprennent une erreur de précision dans le dispositif de rétroaction, une limitation de contrôle de courant dans le variateur de vitesse ; une fréquence PWM au lieu d'un amplificateur linéaire ; et des algorithmes d'asservissement sous-optimaux et un taux de mise à jour du contrôle.

Il existe plusieurs manières de minimiser l'ondulation du couple sur les axes de la platine : Installez un dispositif de rétroaction linéaire haute résolution sur l'actionneur ; installer un encodeur à très faible erreur de sous-division (SDE) sur le moteur de l'axe ; ou utilisez un variateur de vitesse avec un taux de mise à jour servo élevé.

Maintenir la vitesse stable pendant les processus de métrologie dynamique peut se faire de plusieurs manières. Une option consiste à utiliser des actionneurs à moteur linéaire pour un entraînement à réponse rapide et des corrections de vitesse sans problèmes de pas ou de friction de la transmission. Une autre consiste à installer un encodeur à très faible erreur de sous-division (SDE) - pour lequel des erreurs de position se produisent entre les comptages durs de l'encodeur. Sinon, une rétroaction linéaire sur l'actionneur peut être en ordre. Une autre technologie utile à la métrologie dynamique est un contrôleur d'entraînement avec un taux de mise à jour servo élevé - capable de mesures et de corrections de vitesse rapides.



La plupart des actionnements des applications de métrologie dynamique à grande vitesse se font par des étages entraînés par des moteurs linéaires, en particulier des moteurs linéaires sans fer. Parce que les moteurs linéaires de ces étages se couplent directement à la charge, il y a une minimisation ou même une élimination totale du jeu, des pertes d'efficacité et des imprécisions de position des agencements entraînés par courroie et vis à billes.

De plus, les moteurs linéaires sont généralement plus compacts que les autres transmissions. Cela donne des machines plus petites avec une rigidité plus élevée - pour des erreurs de position plus faibles et une conception légère capable de vitesses élevées.

Les actionneurs à moteur linéaire détiennent également le contrôle le plus strict sur les vitesses élevées… nécessitant même la prise en compte des erreurs de sous-division du codeur et des boucles de contrôle de position d'asservissement dans certains cas. Lorsque ceux-ci sont traités et optimisés, les moteurs linéaires peuvent éviter les problèmes d'ondulation de vitesse pour fournir un actionnement rapide. À un coût commercial raisonnable, les ingénieurs peuvent optimiser les systèmes pour obtenir des erreurs de suivi jusqu'à 200 nm à des vitesses de métrologie dynamique agressives. Mais pour minimiser l'ondulation de vitesse, l'ingénieur doit connaître la vitesse et le taux d'échantillonnage de l'application avant de spécifier la résolution du codeur et le taux d'échantillonnage du servo.

Considérons une application pour laquelle une équipe d'ingénieurs de conception sur le marché des semi-conducteurs effectue un balayage de ligne laser. Supposons que le processus dépend de la planéité et de la rectitude - avec des erreurs ne dépassant pas ± 4 µm sur une zone de déplacement de 300 x 300 mm. Ici, les étages monolithiques à base large des systèmes XY de certains fabricants peuvent maintenir une rigidité élevée pour des erreurs de planéité et de rectitude minimales.

Cela trace l'erreur à partir de deux axes d'étape. La précision de la cible de l'axe inférieur est de ±4 µm ; la précision réelle est bien meilleure que cela — à ±1,2 µm. La précision de la cible sur l'axe supérieur est de ±4 µm ; la précision réelle est bien meilleure que cela — à ±0,8 µm.

Envisagez une autre application de balayage de ligne et supposez une fréquence de balayage de 100 Hz. Supposons également que l'ondulation de vitesse doit être inférieure à ± 2 % à des vitesses de course de 10 mm/sec. Cela signifie que l'erreur de position doit rester à ±0,2 mm/sec/100 Hz — ou 0,002 mm par 0,01 sec. Donc ici, l'actionneur d'étage a besoin d'un encodeur avec une résolution dépassant l'erreur de position autorisée... un encodeur de 2 µm au moins. De plus, le taux de mise à jour d'asservissement doit être au moins dix fois supérieur au taux de correction requis (0,01 seconde fois 10 = taux de mise à jour de 1 ms). Ici, seuls les étages avec des encodeurs de précision et certaines combinaisons de servomoteurs et de contrôleurs peuvent maintenir la vitesse dans les limites des exigences.

En fait, seules les platines actionnées par moteur linéaire peuvent répondre aux spécifications critiques de la métrologie dynamique. Recherchez des fournisseurs de ces systèmes qui fournissent des rapports de test d'interféromètre laser pour confirmer la capacité de chaque étage à surpasser les autres mécanismes de transmission et à fournir des performances de niveau métrologique.

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