Elegir la actuación de escenario correcta para dinámica

Dec 16, 2023

Por Lisa Eitel | 26 de noviembre de 2018

Cuando se realizan mediciones sobre un producto discreto sobre la marcha, es clave que el sistema de movimiento minimice el error y corrija el resto.

Brian Handerhan | Gerente de desarrollo comercial • Ciencias de la vidaPatrick Lehr | Gerente de producto • Mecánica de precisiónDivisión de accionamientos y electromecánica • Parker Hannifin Corp.

La metrología dinámica es la recopilación de datos sobre objetos que se desplazan sobre ejes de máquinas en movimiento. Es cada vez más común con las inspecciones y la espectrometría basadas en láser, y principalmente para la fabricación de semiconductores y productos electrónicos que utilizan el escaneo de línea de productos discretos durante varios procesos. Las aplicaciones de ciencias de la vida, como el análisis celular o la secuenciación de ADN y genes, que requieren un alto rendimiento de recopilación de datos, también emplean metrología dinámica. Otra aplicación más es el corte por láser de precisión.

Debido a que las etapas que transportan el producto están en movimiento durante las mediciones, deben presentar errores lineales, errores de Abbe y errores planares mínimos. Las fuentes de estos errores abundan, e incluyen inconsistencias de mecanizado de ensamblaje y deslizamiento lineal, inconsistencias de rodamientos, fricción, deflexión, fluctuación térmica, retroalimentación inconsistente y cuerda mecánica.

Se pueden encontrar más detalles sobre los tres tipos de errores en la entrada de blog.parker.com y en la búsqueda de metrología dinámica. Mantener los errores al mínimo significa minimizar sus fuentes, incluidas las inconsistencias en el mecanizado y los cojinetes, la fricción, la desviación, la fluctuación térmica, la retroalimentación inconsistente y la cuerda mecánica.

Para los dispositivos de posicionamiento lineal, la industria cuantifica dicho error de ocho maneras diferentes. Los errores de Abbe ocurren en las direcciones de cabeceo, guiñada y balanceo; son contribuyentes significativos a la precisión y la repetibilidad y se cuantifican con medidas angulares. Los errores lineales en las direcciones X, Y o Z se relacionan directamente con la precisión y la repetibilidad y se cuantifican con medidas lineales. Por el contrario, los errores planares ocurren en la dirección X, Y o Z y contribuyen directamente al eje adyacente en un sistema multieje. Estos también se cuantifican con medidas lineales.

Una nota especial: La precisión se ve afectada cuando el punto de medición se encuentra a cierta distancia del escenario... y el error total es mayor cuando el punto de medición está más alejado del escenario. En tales aplicaciones, donde el punto de interés está a cierta distancia de los puntos de cabeceo, guiñada o balanceo, lo más crítico es minimizar el error de Abbe. Los ingenieros de diseño deben tener en cuenta tal magnificación de tales errores al especificar etapas lineales para aplicaciones de metrología dinámica.

Considere dos operaciones que incluyen un punto de medición a cierta distancia de la etapa lineal. El error total es mayor cuando el punto de medición está más alejado del escenario.

También es necesario para la metrología dinámica un estricto control sobre la velocidad de la etapa de movimiento. El error en forma de aceleración y desaceleración inesperada (como la ondulación de la velocidad) hace imposible la recopilación precisa y consistente de resultados en configuraciones de metrología dinámica. Las aplicaciones de escaneo en particular necesitan un buen control de la velocidad o corren el riesgo de una recopilación de datos deficiente (en relación con la posición esperada) y resultados borrosos.

El control de velocidad es fundamental para las aplicaciones de metrología dinámica porque esta última depende de una velocidad suave para obtener mediciones precisas y consistentes.

Las causas de la ondulación de la velocidad incluyen desviaciones en la transmisión mecánica; variaciones de paso de husillo o polea; y la fricción cambia a lo largo de la carrera de desplazamiento. Otros factores que pueden causar la ondulación de la velocidad incluyen un error de precisión en el dispositivo de retroalimentación, una limitación de control de corriente en el accionamiento del motor; una frecuencia PWM en lugar de un amplificador lineal; y servoalgoritmos subóptimos y tasa de actualización de control.

Hay varias formas de minimizar la ondulación del par en los ejes de la etapa: Instale un dispositivo de retroalimentación lineal de alta resolución en el actuador; instale un codificador de error subdivisional (SDE) muy bajo en el motor del eje; o emplee un controlador de accionamiento con una alta tasa de actualización de servo.

Mantener estable la velocidad durante los procesos de metrología dinámica se puede hacer de varias maneras. Una opción es usar actuadores de motor lineal para una transmisión de respuesta rápida y correcciones de velocidad sin problemas de fricción o cabeceo del tren de transmisión. Otra es instalar un codificador de error de subdivisión (SDE) muy bajo, para el cual se producen errores de posición entre conteos duros del codificador. De lo contrario, la retroalimentación lineal en el actuador puede estar en orden. Otra tecnología útil para la metrología dinámica es un controlador de accionamiento con una alta tasa de actualización de servos, capaz de realizar correcciones y mediciones de velocidad rápidas.



La mayoría de las aplicaciones de metrología dinámica de alta velocidad se realizan a través de etapas impulsadas con motores lineales, en particular, motores lineales sin hierro. Debido a que los motores lineales en tales etapas se acoplan directamente a la carga, existe una minimización o incluso una eliminación total de la holgura, las pérdidas de eficiencia y las imprecisiones de posición de los arreglos accionados por correa y husillo de bolas.

Además, los motores lineales suelen ser más compactos que otras transmisiones. Eso genera máquinas más pequeñas con mayor rigidez, para errores de posición más bajos y un diseño liviano capaz de alcanzar altas velocidades.

Los actuadores de motor lineal también tienen el control más estricto sobre altas velocidades... incluso, en algunos casos, es necesario considerar los errores de subdivisión del codificador y los bucles de control de servoposición. Cuando estos se abordan y optimizan, los motores lineales pueden evitar problemas de ondulación de velocidad para brindar una actuación rápida. A un costo comercial razonable, los ingenieros pueden optimizar los sistemas para lograr errores de seguimiento de 200 nm a velocidades agresivas de metrología dinámica. Pero para minimizar la ondulación de la velocidad, el ingeniero debe conocer la velocidad y la frecuencia de muestreo de la aplicación antes de especificar la resolución del codificador y la frecuencia de muestreo del servo.

Considere una aplicación para la cual un equipo de ingeniería de diseño en el mercado de semiconductores realiza un escaneo de línea láser. Suponga que el proceso depende de la planitud y la rectitud, con errores que no superen los ±4 µm en una zona de recorrido de 300 x 300 mm. Aquí, las etapas monolíticas de base ancha en los sistemas XY de algunos fabricantes pueden mantener una alta rigidez para errores mínimos de planitud y rectitud.

Esto traza el error de dos ejes de etapa. La precisión del objetivo del eje inferior es de ±4 µm; la precisión real es mucho mejor que eso, a ±1,2 µm. La precisión del objetivo del eje superior es de ±4 µm; la precisión real es mucho mejor que eso, a ±0,8 µm.

Considere otra aplicación de exploración de línea y asuma una frecuencia de exploración de 100 Hz. Suponga también que la ondulación de la velocidad debe ser inferior a ±2 % a velocidades de carrera de 10 mm/seg. Eso significa que el error de posición debe permanecer dentro de ±0,2 mm/seg/100 Hz, o 0,002 mm por 0,01 s. Así que aquí, el actuador de escenario necesita un codificador con una resolución que supere el error de posición permitido... un codificador de 2 µm como mínimo. Además, la tasa de actualización del servo debe ser al menos diez veces la tasa de corrección requerida (0,01 segundos por 10 = tasa de actualización de 1 ms). Aquí, solo las etapas con codificadores de precisión y ciertas combinaciones de servoaccionamiento y controlador pueden mantener la velocidad dentro de los requisitos.

De hecho, solo las etapas accionadas por motores lineales pueden cumplir con las especificaciones críticas de la metrología dinámica. Busque proveedores de estos sistemas que suministren informes de prueba de interferómetro láser para confirmar la capacidad de cada etapa para superar a otros mecanismos de transmisión y brindar un rendimiento de nivel de metrología.

Parker Hannifin | soluciones.parker.com/LP=12738