Eine Einführung in Plug-and-Play-Linearbewegungssysteme

XYZ-Stufe für den Halbleiterbetrieb.

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 Anforderungen an Positionierung, Kraft, Nutzlast, Geschwindigkeit und Kosten 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.

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

Mechanische Leistung

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.

Steuert Fachwissen

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 Trägheitsinkongruenzen, zu erweitern.

Zuverlässigkeit

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.

Kostenreduzierung

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 versteckten Kosten von Bewegungssystemen

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

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

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

3. Produktionskosten. Präzisionsbewegungssysteme erfordern qualifizierte Montagetechniker und spezielle Produktionsanlagen, deren Kosten bei nicht vollständiger Auslastung nur schwer zu rechtfertigen sind.

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

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

1. 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.

2. Kompaktes Design, einfache Integration. Auf dieser CNC-Maschine im Desktop-Format war der Platz knapp. Das Design des Servomoduls Rotary, das über eine große, freie Durchgangsbohrung verfügt, ermöglichte es uns, den verfügbaren Platz effizient zu nutzen. 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.

3. 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.

Erste Schritte mit Embedded Motion

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.