Un'introduzione ai sistemi di movimento lineare plug-and-play

Stadio XYZ per il funzionamento dei semiconduttori.

Se costruisci macchine, probabilmente lavori ogni giorno con attuatori e stadi di posizionamento. Ma si ottengono davvero le migliori prestazioni o il minor costo di gestione da questi dispositivi di movimento? La risposta potrebbe non essere quella che ti aspetti.

Troppo spesso gli ingegneri considerano gli stadi o gli attuatori semplicemente come un altro elemento nella distinta base. Finché il dispositivo di movimento soddisfa nominalmente i requisiti desiderati di posizionamento, forza, carico utile, velocità e costo, è possibile procedere.

Con requisiti di movimento semplici, questo approccio alla selezione dello stadio o dell'attuatore può produrre risultati accettabili. Tuttavia, le macchine con requisiti di movimento meccanico complessi trarranno vantaggio da una strategia di progettazione del movimento integrata. Piuttosto che un insieme di componenti elettromeccanici, che possono o meno funzionare bene insieme, i sistemi di movimento integrati funzionano come veri e propri sottosistemi di macchine plug-and-play.

I sistemi di movimento integrati sono progettati per adattarsi a uno spazio fisico predefinito su una macchina e collegarsi al sistema di controllo del movimento della macchina, pronti ad accettare comandi da un'interfaccia computerizzata di livello superiore, da una scheda di controllo o da un PLC. Nella loro forma più semplice, i sistemi di movimento integrati possono consistere in poco più di uno stadio o un attuatore che è stato connettorizzato per facilitare l'installazione drop-in. Nella loro forma più complessa, questi sottosistemi di movimento si estendono dalla piedinatura al carico utile. Comprendono non solo il dispositivo di movimento stesso ma anche tutto ciò che trasporta.

Rispetto a un approccio componente per componente al movimento della macchina, il movimento integrato offre alcuni vantaggi interessanti:

Prestazioni meccaniche

Anche quando utilizzano lo stesso stadio o attuatore, i sistemi di movimento integrati in genere superano i sistemi di movimento costruiti con componenti. Il motivo è legato alla competenza nell'applicazione e nell'assemblaggio. Un buon fornitore di movimento integrato avrà anni di esperienza nella risoluzione di problemi di posizionamento difficili e una raccolta di comprovati elementi costitutivi del movimento che possono essere personalizzati per il compito da svolgere. Avranno una conoscenza approfondita di come le dinamiche del palco, l'architettura di controllo del movimento e l'ambiente operativo influenzeranno i requisiti di posizionamento.

Per quanto riguarda l'assemblaggio, molti costruttori di macchine non dispongono di tecnici qualificati, attrezzature specializzate, interferometri laser e altri sistemi metrologici necessari per allineare le fasi multiasse più precise, che spesso hanno tolleranze di allineamento da asse a asse misurate in micron.

Competenza nei controlli

I sistemi di movimento integrati possono essere forniti o meno con controlli di movimento, a seconda delle esigenze del cliente. Ma una strategia di controllo dovrebbe sempre far parte dell’equazione del movimento integrato. Un buon fornitore di movimento embedded avrà una conoscenza approfondita di come le diverse piattaforme di controllo del movimento e le loro capacità cinematiche interagiranno con i sistemi di movimento meccanico. Questa conoscenza può consentirci di spingerci oltre ciò che è possibile in termini di capacità dinamiche, come i rapporti di disadattamento dell’inerzia accettabili.

Affidabilità

Quando si mette in servizio un nuovo sistema di movimento, alcuni dei problemi più comuni si verificano perché singoli componenti, apparentemente minori, non funzionano correttamente o non funzionano correttamente tra loro. Ad esempio, un singolo connettore difettoso o il filo sbagliato possono lasciare immobile anche la migliore fase di movimento. I sistemi di movimento integrati evitano questo tipo di guasto perché sono assemblati e testati come un sistema prima dell'integrazione sulla macchina di produzione. Con i sistemi di movimento composti da singoli componenti, piccoli guasti e incompatibilità possono passare inosservati finché la macchina di produzione non viene assemblata.

Riduzione dei costi

I sistemi di movimento integrati in genere costano dal 25 al 50% in meno rispetto alle loro controparti basate su componenti. In parte, questo risparmio deriva dalla capacità di ridurre il numero delle parti, ad esempio progettando staffe, connettori e altri componenti. La riduzione dei costi può salire alle stelle ben oltre il 50% se si considerano tutti i componenti di costo nascosti associati alla costruzione e all'installazione di un sistema di movimento. Questi includono i costi relativi all'ingegneria di progettazione, all'inventario, al time-to-market e altro ancora.

Molti tipi di applicazioni possono sfruttare i vantaggi del movimento integrato. Abbiamo implementato questo approccio su decine di macchine per semiconduttori, macchine a banco umido, taglio laser, imballaggio e automazione di laboratorio.

I costi nascosti dei sistemi di movimento

I sistemi di movimento costituiti da componenti presentano una serie di costi nascosti che possono essere eliminati dall'approccio di movimento integrato, tra cui:

1. Costi di time-to-market. I sistemi di movimento integrati, che supportano intrinsecamente la progettazione simultanea, possono ridurre di settimane o addirittura mesi i tempi di sviluppo di una macchina complessa.

2. Costi di gestione del programma, della produzione e dei materiali. I sistemi di movimento integrati vengono spediti come un unico articolo nella distinta base, eliminando centinaia di parti da ordinare, inventariare e assemblare.

3. Costi di produzione. I sistemi di movimento di precisione richiedono tecnici di assemblaggio qualificati e attrezzature di produzione specializzate che possono essere difficili da giustificare in termini di costi con un utilizzo inferiore al pieno.

4. Garanzia e costi di guasto. Un buon fornitore di sistemi di movimento embedded garantirà i propri sistemi contro i guasti e sosterrà il proprio lavoro, il che riduce il rischio dell’OEM.

Questa macchina CNC non tradizionale ha tutte le caratteristiche di un'applicazione di movimento integrato ideale. Richiedeva:

1. Sia i controlli che la competenza meccanica. Combinare il sistema meccanico con i controlli e gli amplificatori che supportano la complessa cinematica del movimento polare ha richiesto un approccio sistemico e mesi di test. Abbiamo anche dovuto sviluppare una suite di tecniche e strumenti di allineamento per costruire questo nuovo sistema CNC.

2. Design compatto, facile integrazione. Lo spazio era prezioso su questa macchina CNC di dimensioni desktop. Il design del servomodulo Rotary, che presenta un ampio foro passante senza ostacoli, ci ha permesso di utilizzare lo spazio disponibile in modo efficiente. I fori passanti da 100 mm hanno reso semplice portare l'alimentazione dell'aria direttamente al mandrino, incorporare un indicizzatore del materiale sul lato del pezzo ed effettuare tutti i collegamenti elettrici necessari.

3. Contenimento dei costi. Un aspetto interessante di questo sistema di movimento incorporato è che non è più complesso di quanto dovrebbe essere. Il requisito funzionale principale riguardava la finitura superficiale, non la precisione di posizionamento. Le esigenze di posizionamento sono in realtà piuttosto modeste, almeno per i nostri standard. Quindi abbiamo potuto rinunciare agli encoder a lettura diretta e far funzionare l'intero sistema in modalità ad anello aperto. Ciò ha fatto risparmiare ai nostri clienti migliaia di dollari per macchina.

Iniziare con Embedded Motion

Il passaggio dai sistemi di movimento componente per componente ai sistemi di movimento integrati può sembrare un atto di fede. Dopotutto, esternalizzerai il controllo del movimento a un fornitore.

Se si sceglie il fornitore giusto, tuttavia, l’outsourcing ripagherà con prestazioni e affidabilità migliorate. Anche i costi diminuiranno man mano che i sottosistemi di movimento arriveranno al vostro impianto completamente testati, garantiti e pronti per essere inseriti nella vostra macchina.