07.09.2017

Mehrachsige Bewegungen mit hoher Präzision und Dynamik

Aufeinander abgestimmt

Für Positionier- und Handling-Anwendungen müssen industrielle Motion-Control-Lösungen viele Anforderungen erfüllen: Sie sollten robust und zuverlässig sein, ebenso unerlässlich ist Genauigkeit bis in den Sub-Mikrometerbereich und eine exakte Reproduzierbarkeit der Positionen. Im Zusammenhang mit Industrie 4.0 sind auch Sicherheit und einfache Vernetzungsmöglichkeiten unerlässlich. Diese Anforderungen lassen sich nur erfüllen, wenn Mechanik, Antriebstechnik und Ansteuerelektronik der Positioniersysteme aufeinander abgestimmt sind.


Technologieübersicht: breites Spektrum an Antriebstechnik und Positioniersystemen mit bis zu sechs Bewegungsachsen
Bild: Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

Präzise und 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

Physik Instrumente (PI) hat die Mehrheitsanteile an ACS Motion Control übernommen, einem Entwickler und Hersteller modularer Motion Controller für mehrachsige und hochpräzise Antriebssysteme. Damit hat PI eine Voraussetzung geschaffen, maßgeschneiderte Komplettsysteme für industrielle Anwendungen mit hohen Anforderungen an Präzision und Dynamik bedienen zu können und seine Erfahrungen mit High-End-Projekten einzubringen. Die Positioniersysteme finden sich in vielen Anwendungen der Halbleiterindustrie, Elektronikfertigung, Montage, Bio- und Medizintechnik, im Digitaldruck oder der Laserbearbeitung.

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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 20kHz unabhängig von der Anzahl der Achsen verarbeitet, was die Voraussetzung für eine hohe Synchronisation und Dynamik mit geringen Fehlern ist. Die Motion Controller verbessern das stabile Halten der Position ebenso wie die Step- und Settle-Zeiten durch leistungsfähige Regelalgorithmen, wie die Servoboost-Funktion und das Profile Shaping, das etwa 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 hohen Genauigkeitsanforderungen. Der eigene Servoboost Algorithmus detektiert Störungen in Echtzeit, identifiziert die Ursache und reduziert den Effekt. Er erleichtert die Inbetriebnahme und die Verbesserung 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 kurzen Einschwingzeiten. In Kombination mit den Linear- und Rotationsachsen, Parallelkinematiken und Planarscannern sind diese Controller Teil einer kundenspezifisch auslegbaren Komplettlösung von PI.

Luftgelagerter Planartisch für die Wafer-Inspektion

Ein Beispiel dafür liefert ein luftgelagerter, zweiachsiger Lineartisch, der für die Wafer-Inspektion entwickelt wurde. Über einen Stellweg von bis zu 500x1000mm arbeitet er mit einer Geradheit/Ebenheit von ±10nm pro 10mm 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 24,5kg. 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.

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Hochgenaues Positioniersystem für die Laserbearbeitung

Auch für die Laserbearbeitung sind solche Präzisionslineartische geeignet. Für Laserschneidanwendungen beispielsweise gibt es ein hochgenaues XY-System), das über den gesamten Stellweg von 200mm eine Geradheit/Ebenheit von ±3µm bietet, wobei die unidirektionale Wiederholgenauigkeit bei 0,2µm liegt. Der als Kreuzrollentisch aufgebaute Positionierer mit eisenlosem magnetischem Direktantrieb eignet sich für Lasten bis 20kg und lässt sich durch die flache, kompakte 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. 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 zum Einsatz kommen.

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