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機械を構築している場合は、おそらく毎日アクチュエータや位置決めステージを使用して作業することでしょう。 しかし、これらのモーション デバイスから本当に最高のパフォーマンスや最低の所有コストが得られるでしょうか? 答えはあなたが期待するものではないかもしれません。

マイク・エバーマン、CTO、 | ベル・エバーマン

機械を構築している場合は、おそらく毎日アクチュエータや位置決めステージを使用して作業することでしょう。 しかし、これらのモーション デバイスから本当に最高のパフォーマンスや最低の所有コストが得られるでしょうか? 答えはあなたが期待するものではないかもしれません。

多くの場合、エンジニアはステージやアクチュエーターを部品表上の単なる項目として考えています。 モーション デバイスが目的の位置、力、積載量、速度、コストの要件を名目上満たしている限り、問題なく使用できます。

単純な動作要件では、ステージまたはアクチュエータの選択に対するこのアプローチにより、許容可能な結果が得られる可能性があります。 ただし、複雑な機械的モーション要件を持つ機械には、組み込みモーション設計戦略の恩恵が得られます。 組み込みモーション システムは、一緒にうまく動作する場合とそうでない場合がある電気機械コンポーネントの集合ではなく、真のプラグ アンド プレイ マシン サブシステムとして機能します。

組み込みモーション システムは、マシン上の事前に定義された物理スペース内に収まるように設計されており、マシンのモーション コントロール システムに結び付けられ、トップレベルのコンピュータ インターフェイス、コントロール カード、または PLC からのコマンドを受け入れる準備ができています。 最も単純な組み込みモーション システムは、ドロップイン設置を容易にするためにコネクタ接続されたステージまたはアクチュエータにすぎません。 最も複雑な場合、これらのモーション サブシステムはピン配置からペイロードまで拡張されます。 これらには、モーション デバイス自体だけでなく、それが搭載するすべてのものも含まれます。

ServoBelt 回転ステージは通常、精密位置決めアプリケーションに使用されますが、新しい CNC マシンにとって理想的なモーション プラットフォームでもあります。

機械の動作に対するコンポーネントごとのアプローチと比較して、組み込みモーションには、いくつかの魅力的な利点があります。

同じステージやアクチュエータを使用する場合でも、組み込みモーション システムは通常、コンポーネントで構築されたモーション システムよりも優れたパフォーマンスを発揮します。 その理由はアプリケーションと組み立ての専門知識にあります。 優れた組み込みモーション ベンダーは、困難な位置決め問題を解決する長年の経験と、当面のタスクに合わせてカスタマイズできる実証済みのモーション ビルディング ブロックのコレクションを持っています。 彼らは、ステージのダイナミクス、モーション コントロール アーキテクチャ、動作環境が位置決め要件にどのような影響を与えるかを深く理解しています。

組み立てに関しては、多くの機械メーカーは、最も正確な多軸ステージの位置合わせに必要な熟練技術者、専門の治具、レーザー干渉計、その他の計測システムを欠いており、多くの場合、軸間の位置合わせ公差はミクロン単位で測定されます。

組み込みモーション システムには、顧客の要件に応じて、モーション コントロールが付属している場合と付属していない場合があります。 ただし、制御戦略は常に、埋め込まれた運動方程式の一部である必要があります。 優れた組み込みモーション ベンダーは、さまざまなモーション コントロール プラットフォームとその運動学的機能が機械モーション システムとどのように相互作用するかについての広範な知識を持っています。 この知識により、許容可能な慣性不一致比など、動的機能の面で可能な限界を超えることができます。

ServoBelt リニア アクチュエータをベースにしたこの多軸ステージは、大型の半導体製造機械に統合される前に単一ユニットとして組み立てられ、完全にテストされます。

新しいモーション システムを試運転する場合、最も一般的な問題のいくつかは、個々の一見些細なコンポーネントが適切に動作しない、または相互に適切に動作しないために発生します。 たとえば、単一のコネクタに欠陥があったり、ワイヤが間違っていたりすると、最良のモーション ステージでも動かなくなる可能性があります。 組み込みモーション システムは、実稼働マシンに統合される前にシステムとして組み立てられ、テストされるため、この種の障害は回避されます。 モーション システムが個別のコンポーネントで構成されている場合、小さな故障や非互換性は、生産機械が完成するまで検出されない可能性があります。

組み込みモーション システムは通常、コンポーネントベースのシステムに比べてコストが 25 ～ 50% 低くなります。 この節約の一部は、ブラケット、コネクタ、その他のコンポーネントを設計することによって部品数を削減できることによるものです。 モーション システムの構築と設置に関連する隠れたコスト要素をすべて考慮すると、コスト削減は 50% を大きく超える可能性があります。 これらには、設計エンジニアリング、在庫、市場投入までの時間などに関連するコストが含まれます。

多くの種類のアプリケーションが埋め込みモーションのメリットを享受できます。 当社は、このアプローチを数十台の半導体、ウェットベンチ、レーザー切断、パッケージング、ラボ自動化機械に実装してきました。 以下のケーススタディでは、組み込みモーション ソリューションがなければパフォーマンスとコストの要件を満たすことが不可能だった 2 つのアプリケーションに焦点を当てています。 1 つは、精密な半導体個片化操作用のリニア組み込みモーション システムです。 もう 1 つは、独自のタイプの CNC マシン用に作成した回転運動サブシステムです。

あらゆる種類のスタック ステージを個別の軸の集合として設計および構築すると、位置合わせや制御の問題が発生する可能性があります。 積層ステージが難しい位置決め精度や速度要件を満たす必要がある場合、ステージが統合システムとして機能することが重要です。 私たちは最近、半導体個片化作業用にまさにそのようなステージを納品しました。

この多軸ステージには、2 つのまったく異なるタイプの移動を実行できる汎用性の高いリニア ドライブ システムが必要でした。 1 つは 400 mm/秒での長距離移動です。 もう 1 つは、13 mm の短い高速移動で、150 ミリ秒以内に 10 ミクロンに落ち着く必要があります。 システムの最下軸から見た移動質量は 38 kg で、1 ミクロンのレニショー光学式リニア エンコーダからの位置基準に基づいて、双方向精度の目標は ± 5 ミクロンでした。

コンポーネントで構築されたモーション システムには、次のような隠れたコストが数多くありますが、組み込みモーション アプローチによって排除できます。

市場投入までの時間のコスト。 組み込みモーション システムは本質的にコンカレント エンジニアリングをサポートするため、複雑なマシンの開発時間を数週間、さらには数か月も短縮できます。

プログラム、制作、材料管理のコスト。 組み込みモーション システムは単一の部品表として出荷されるため、数百もの部品を発注、在庫管理、組み立てる必要がありません。

生産コスト。 精密モーション システムには、熟練した組立技術者と特殊な生産設備が必要ですが、フル活用しないとコストを正当化することが困難になる場合があります。

保証と故障の費用。 優れた組み込みモーション ベンダーは、システムの障害を保証し、自社の作業を支援するため、OEM のリスクが軽減されます。

お客様はまず、既存の XY ボールねじステージ設計を使用しようとしました。 大差で、望ましい動きをすることができず、顧客のスループット要件を満たすことができませんでした。 理論的には、動作要件を満たすボールねじベースの設計を考え出すことは可能でした。 ただし、そのような設計には高価なゼロバックラッシュボールねじとエンコーダが必要となり、プロジェクトのコスト目標を超えてしまいます。

次に顧客はリニアモーターに目を向けました。 このアプリケーション用のリニア モーターは、望ましい動きを行うことができますが、アプリケーションの 300 N の連続力要件を満たすために必要な長いモーター コイルのため、大型で高価になります。 コイルの長さによっては、機械全体の設計を大幅に変更する必要がありました。 そして、リニアモーターのコストは顧客のコスト目標よりも 50% 以上高かったでしょう。

最終的に、お客様は当社の ServoBelt リニア ドライブに基づく組み込みモーション システムと、デュアル ループ制御を拒否し、リニア エンコーダのみを使用するシングル ループ制御を選択する直感に反する制御戦略を採用しました。

ServoBelt モーション システムは、以下の機能を備えているため、より高価なリニア モーターに勝ります。

バックラッシュゼロのソリューション。このアプリケーションで高速インデックス移動を実現する唯一の方法は、リニア エンコーダを使用してサーボ ループを閉じることでした。これには、モーターからペイロードまで真のバックラッシュのない駆動ラインが必要です。 ServoBelt にはバックラッシュがないため、動的要件を満たす制御システムを調整する場合に不可欠であることがわかりました。

固有の減衰。 ServoBelt は本質的に優れた機械的ダンピングを提供し、これにより非常に高い調整ゲイン (通常、速度ゲインと位置ゲインの 4 倍) が可能になり、整定時間が非常に短くなります。 対照的に、リニア モーターはサーボ アンプの電子機器内でこのダンピングをシミュレートする必要があるため、本質的に位置ゲインが減少します。

コンパクトなプラグアンドプレイシステム。ステージは単一ユニットとして設計、組み立て、納品されます。 重要な調整、機能テスト、バーンイン作業は当社が行います。 問題はお客様の機械ではなく、当社の製造現場で特定されます。 ステージを組み込みモーション システムとして設計することで、事前に定義された物理スペース要件を満たすこともできました。

ほとんどの CNC フライス盤は直線運動コンポーネントに依存しています。 ただし、回転運動により、機械は厳しい表面仕上げ要件を満たすことができます。

3 軸 CNC フライス盤は通常、直線運動システムを利用して切削工具の位置を決めます。 私たちは、医療用セラミックのフライス加工用に最近開発した組み込み CNC プラットフォームを使用して、別の道を歩みました。

この新しいデスクトップサイズのマシンは、従来の 3 軸リニアモーション システムの代わりに、回転位置決めデバイスと直線位置決めデバイスを組み合わせています。 回転デバイスである 2 台の ServoBelt 100 ユニットは、互いに向かい合っています。 回転装置の 1 つは 150,000 RPM の空気駆動スピンドルを搭載しています。 もう一方のロータリーはワークピースを保持し、ワークピースを 180 度回転させて両面加工を可能にします。 当社の ServoNut アクチュエータによって駆動される直線軸により、カッティング ヘッドを備えた回転装置がワークピースを保持するロータリーに対して軸方向に移動できます。

3 つのデバイスはすべて、加工作業中に同期して動作します。 直線軸は Z 軸の位置決めを処理し、切削工具をワークピースの面に近づけます。 2 つのサーボベルトは相互に回転するため、切削工具は 40x40x40 mm の範囲のワークピース表面の任意の点に到達できます。

ロータリー設計は重要な技術的利点をもたらしました。 1 つは、回転ステージが非常に高い剛性を示しており、これはアプリケーションの加工公差を満たすために非常に重要です。 もう 1 つは、ロータリーには永久潤滑が施されているため、メンテナンス費用が節約され、汚染の可能性が軽減されます。 そして最後に、回転ステージは、切削液や飛び散るセラミック粉塵からモーションコンポーネントを保護するシンプルなシーリングソリューションを提供しました。 両方の回転ステージは、切断チャンバーの壁にある単純な回転シールを通って伸びています。 対照的に、XYZ モーション システムでは、ベローズやアルマジロ カバーなど、それほどエレガントではないシール シナリオが必要になります。

このシステムでの協調動作には、CNC 運動学の再考が必要でした。これは主に、切削工具とワークピースの回転位置決めにデカルト座標ではなく極座標の使用が必要なためです。 コントローラーは引き続き XYZ G コード コマンドを受け取りますが、それをリアルタイムで極座標に変換するため、これは簡単な作業ではありません。

では、なぜそのような努力をするのでしょうか？ 回転運動には、セラミック部品の表面を滑らかに仕上げるという点で、直線運動よりも本質的な利点があります。 その理由は、最高のリニアベアリングやボールねじであっても、ベアリングの溝の間でボールが負荷状態に出入りするときに発生する「ランブル」に要約されます。 このボールの振動は運動システムを通じて反響し、表面品質の周期的な変動として部品に伝達されたと考えられます。 ServoBelt 回転ステージは、大直径の回転ベアリングを備えているため、本質的にボールのランブルの問題を完全に回避します。

この非伝統的な CNC マシンは、理想的な組み込みモーション アプリケーションの特徴をすべて備えています。 それには次のことが必要でした。

制御と機械の専門知識の両方。機械システムと、極運動の複雑な運動学をサポートする制御装置およびアンプを組み合わせるには、システム アプローチと数か月にわたるテストが必要でした。 この新しい CNC システムを構築するには、一連の位置合わせ技術とツールを開発する必要もありました。

コンパクトな設計、簡単な統合。このデスクトップサイズの CNC マシンではスペースが非常に貴重でした。 ServoBelt Rotary の設計は、遮るもののない大きな貫通穴を特徴としており、利用可能なスペースを効率的に使用することができました。 100 mm の貫通穴により、空気供給をスピンドルに直接接続し、ワークピース側に材料インデクサーを埋め込み、必要なすべての電源接続を行うことが容易になりました。

コストの抑制。この組み込みモーション システムの興味深い点の 1 つは、必要以上に複雑ではないことです。 主な機能要件は、位置決め精度ではなく、表面仕上げに関するものでした。 少なくとも私たちの基準では、測位のニーズは実際には非常に控えめです。 そのため、直接読み取りエンコーダーを省略し、システム全体を開ループ モードで実行することができました。 これにより、お客様はマシン 1 台あたり数千ドルを節約できました。

ServoBeltTM Linear には 2 つの異なるキャリッジ スタイルがあります。 標準キャリッジはよりコンパクトで、当社のデュアル ベルト ドライブ技術を使用しています。 このキャリッジ スタイルは、ほとんどの用途に適しています。 LoopTrack キャリッジは、上部駆動ベルトがキャリッジ自体の中で連続的にループする設計です。 逆さままたは片持ちで使用する場合にベルトがたるむ可能性を防ぎます。

コンポーネントごとのモーション システムから組み込みモーション システムへの移行は、思いつきのように思えるかもしれません。 結局のところ、モーション コントロールをベンダーにアウトソーシングすることになります。

ただし、適切なベンダーを選択すれば、パフォーマンスと信頼性が向上し、アウトソーシングの成果が得られます。 モーション サブシステムが完全にテストされ、保証され、すぐに機械に導入できる状態で工場に到着するため、コストも削減されます。

Bell-Everman は、クラス最高の精度、品質、価値を提供するモーション デバイスを製造しています。 当社のモーション コントロール テクノロジーは、航空宇宙、生物医学、半導体、エレクトロニクス組立て、レーザーおよびウォーター ジェット切断、CNC 加工およびパッケージング業界で見られるものを含む、さまざまな自動化および計測システムに組み込まれています。 当社の製品ラインは、精密リニアベアリング、リニアモーション位置決めデバイス、回転ステージ、および完全な多軸ロボットシステムで構成されています。 すべての製品は南カリフォルニアにある自社施設で設計、製造されています。

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