高性能測位システム

高性能位置決めシステム (HPPS) は、作業範囲内で3 次元空間の物体を移動できる電気機械装置 (リニア ステージと回転ステージのアセンブリなど)で構成される位置決めシステムの一種です。位置決めは、ポイント ツー ポイントまたは目的の移動パスに沿って行うことができます。位置は通常、線形、x、y、z直交座標系、およびヨー、ピッチ、ロールの角度方向を含む6 自由度で定義されます。HPPS は、多くの製造プロセスで、高加速、高減速、高速度、短い整定時間で、目的のパスに沿って目的の方向に 6 自由度で物体 (ツールまたは部品) をスムーズかつ正確に移動するために使用されています。これは、動きをすばやく停止し、移動物体を最小限のジッタで目的の最終位置と方向に正確に配置できるように設計されています。

HPPS には、移動質量が低く剛性が高いという構造特性が必要です。結果として得られるシステム特性は、システムの最低固有周波数の値が高くなります。固有周波数が高いと、モーション コントローラはシステムを高いサーボ帯域幅で駆動できます。つまり、HPPS は帯域幅よりも低い周波数で動作するすべてのモーション妨害周波数を排除できます。床の振動、音響ノイズ、モーターのコギング、ベアリングのジッター、ケーブル キャリアのガタつきなどの高周波妨害に対して、HPPS では、減衰用の構造複合材料や振動減衰用の絶縁マウントを採用する場合があります。リンクを接続する回転ジョイントを持つ多関節ロボットとは異なり、HPPS のリンクは通常、回転ジョイントよりも比較的剛性の高いスライディング ジョイントで構成されています。これが、高性能ポジショニング システムがしばしば直交ロボットと呼ばれる理由です。

リニア モーターで駆動される HPPS は、3 ～ 5 m/s 程度の高速、5 ～ 7 g の高加速度、ミクロンまたはサブミクロンの位置決め精度、ミリ秒程度の整定時間、30 ～ 50 Hz のサーボ帯域幅で移動できます。一方、ボール スクリュー アクチュエータの一般的な帯域幅は 10 ～ 20 Hz、ベルト駆動アクチュエータの帯域幅は約 5 ～ 10 Hz です。HPPS の帯域幅の値は、90 ～ 150 Hz の範囲の最低固有周波数の約 1/3 です。高加速または高減速の後に、+/- 1% の一定速度または +/- 1 um のジッターに整定するには、推定 3 帯域幅期間かかります。たとえば、1 / 50 · 1000 = 20 ミリ秒の期間を持つ 50 Hz のサーボ帯域幅は、推定 3 · 20 = 60 ミリ秒以内に 1 um の位置精度に整定します。最低の固有振動数は、システム剛性を移動慣性で割った値の平方根に等しくなります。高性能位置決めステージの一般的なリニア循環ベアリング レールの剛性は、100 ～ 300 N/um 程度です。このような性能は、半導体プロセス装置、電子機器組立ライン、数値制御工作機械、座標測定機、3D 印刷、ピックアンドプレース マシン、創薬アッセイ など、さまざまな用途で求められています。最高性能の HPPS では、熱安定性と平坦性のために花崗岩ベース、ジッターのない動きのためにエア ベアリング、非接触、摩擦のない作動、高力、低慣性のためにブラシレスリニア モーター、サブミクロンの位置フィードバックのためにレーザー干渉計が使用されます。一方、到達距離が 1 m の一般的な 6 自由度多関節ロボットの構造剛性は、1 N/um 程度です。そのため、多関節ロボットは、ロボット溶接、塗装ロボット、パレタイザーなど、数百ミクロン単位の位置再現性が求められるプロセスの自動化装置として最適に採用されています。

オリジナルのHPPSは、1980年代にAnorad Corporation（現Rockwell Automation ）で、 Anoradの創設者兼CEOであるAnwar Chitayatによるブラシレスリニアモーターの発明後に開発されました。当初、HPPSは、 Applied Materials、PCB Inspection Orbotech、High Velocity Machine Tool Fordなどの半導体アプリケーションの高精度製造プロセスに使用されていました。^[1]並行して、リニアモーター技術とHPPSへの統合は世界中に拡大しました。その結果、1996年にシーメンスは自社のCNCをAnoradリニアモーターと統合し、ボーイング社で航空機の翼の化学フライス加工を行う長さ20メートルのMaskantマシンを駆動しました。^[2] 1997年にFANUCはAnoradのリニアモーター技術のライセンスを取得し、それを完全なソリューションとして自社のCNC製品ラインに統合しました。^{[3]そして1998年、ロックウェル・オートメーションはアノラド社を買収し、自動車の}トランスファーラインで高速工作機械を駆動するための完全なリニアモーターソリューションを提供することでシーメンス社やファナック社と競争しました。^[4]今日、リニアモーターは世界中の製造工程を駆動する何十万もの高性能位置決めシステムに使用されています。いくつかの調査によると、その市場は年間4.4％の成長を遂げ、2025年には15億ドルに達すると予想されています。^[5]

• 半導体 -フォトリソグラフィーは半導体製造工場におけるウェーハ（電子部品）製造プロセスです。ウェーハステージを移動させるために、極限の位置決めのためにリニアモーターステージまたは磁気浮上ステージを使用します。^[6]
• エレクトロニクス -表面実装技術は、高性能のリニアモーター位置決めシステムを使用して、集積回路チップをプリント基板に実装します。^[7]
• 光学 -実体顕微鏡は、走査中の動きの滑らかさを高めるためにリニアモーター位置決めステージを使用しています^[8]
• 工作機械 - ワイヤー放電加工は、金型製造などの厚い硬質金属の切断に使用されます。リニアモーター/エアベアリング位置決めシステムにより、非常に滑らかな動きが実現します。^[9]
• CMM -座標測定機には、花崗岩のベース、絶縁マウント、リニアモーターアクチュエータ、エアベアリング、レーザー干渉計が必要になることが多い。^[10]
• ラボオートメーション -創薬のためのラボオートメーションでは、高スループットスクリーニングプロセスが使用され、リニアモーターの位置決めにより、短い整定時間で高い加速/減速が実現します。^[11]

システム仕様 (技術標準)は、ユーザー (顧客) によって記述されたアプリケーション要件 (問題) と、開発者 (サプライヤー) によって最適化された設計 (ソリューション) 間の公式インターフェースです。

• 慣性- 直線速度 (kg) および角度速度 (kg·m2) の変化に対する移動負荷 (ツールまたは部品) の抵抗を示します。固有振動数を最大化するには、移動負荷の慣性を最小限に抑える必要があります。
• サイズ - 取り扱い、輸送、設置に必要なシステムの幅 (m)、長さ (m)、高さ (m) の幾何学的制約を示します。
• 動作- 最大移動 (m、rad)、最大速度 (m/s、rad/s)、最大加速/減速 (m/s2、rad/s2) など、各自由度のプロセス サイクル時間 (s) とプロセス制約を示します。
• 精度 - 位置測定と動作の線形および角度分解能(um、urad) と、各自由度の精度と精密度の合計インジケーター読み取り値を示します。
• ジッター- 静止状態で許容される高周波振動の最大振幅 (um) を示します。
• 一定速度 - 動作の必要な滑らかさと、動作中に必要な一定速度 (m/s、rad/s) の許容される変動 (+/- %) を示します。
• 剛性- 外部荷重に対する位置変化の抵抗を示します (N/um、N·m/rad)。
• 寿命 - システムの最もアクティブな自由度がプロセス操作で確実に動作することが予想される時間 (時間) または移動 (km) を示します。
• 信頼性 -故障モード、影響、診断分析の要件に関連することが多い平均故障間隔（時間、サイクル）
• 保守性 -平均修復時間(時間)。多くの場合、操作、保守スケジュール、スペアパーツ リストなどのシステム マニュアルに関連付けられます。
• 環境 - 熱、湿度、衝撃、振動、清潔さ、放射線など、システムの寿命内での動作中にシステムが遭遇する可能性のある予想される障害条件を示します。

• 熱 - システムが動作中に耐えられる最高温度と最低温度(°C) を示します。構造の変形と精度に影響します。冷却、断熱、低熱伝導率材料が必要になる場合があります。
• 湿度- 周囲の空気中の水蒸気のレベルを示します (%)。IP コードに基づいて必要なシステム保護が含まれる場合があります。保護シールが必要な場合があります。
• 衝撃（機械的）と振動 -床の振動やその他のプロセス障害のレベルを示します。アクティブまたはパッシブ振動絶縁マウントと高減衰構造材料が必要になる場合があります。^[12]
• 清浄度- 周囲の空気中の粒子の許容レベル（単位体積あたりのサイズと量）を示します。クリーンルームでの操作、入ってくる空気のろ過、保護シールが必要な場合があります。^[13]
• 放射線 -電磁干渉には、シールドされたケーブル管理、非鉄構造材料、およびリニア モーターの磁石プレートの保護シールドが必要になる場合があります。

HPPS 構成は通常、最大の減衰と最小の慣性による最大の構造剛性、関心点 (POI) での最小のアッベ誤差、最小のコンポーネント、最大の保守性を実現するように最適化されています。

• X -リニアモーター、ボールねじ、またはタイミングベルトによって駆動される単一のリニアステージは、通常、多くのサプライヤーから標準アクチュエータ（別名スライド、軸、またはテーブル）として入手できます。^[14]
• XYZ - 可動ケーブル管理を含む、カスタマイズされた単一ステージのアセンブリ。Z 軸は通常、カウンターバランス付きのボールねじまたはリニア モーターで作動します。慣性を減らすために軸を分離することもできます。
• XYZR - ピッチ、ヨー、ロールなどの回転軸は、通常、アームエンドツール (EOAT) またはロボットエンドエフェクタの方向を決定するために HPPS に追加されます。
• ガントリー - ガントリー構成は、指定されたサイズ制約ごとに XYZ 構成で最大の作業範囲を提供します。X に 2 つの平行軸があり、単一軸またはマスター/スレーブとして制御されます。転送ラインに最適です。
• 回転式 (ピッチ、ヨー、ロール) -回転ステージは、仕様を最適に満たすために、さまざまな順序でリニア ステージを使用してカスタマイズできます。通常、リニア モーターに類似したダイレクト ドライブ メカニズムを使用します。
• カスタム -最適なシステム コンポーネントを最もコンパクトで応答性の高いシステムに統合する数学的最適化プロセスでは、HPPS のカスタム構成が必要になる場合があります。

システム分析は、システムモデリングと分析ツール に基づいて、設計パラメータ、動作条件、環境変数、システムパフォーマンスの関係を理解するプロセスです。

• ダイナミクス（力学） - MATLAB、Simulink、Mathcad、Microsoft Excelなどの解析ツールを使用して、直線運動と回転プロファイル、動的精度、ベアリング負荷、モーター電力を最適化します。
• 振動解析 - MATLAB、Simulink、Mathcad、Microsoft Excelなどの解析ツールを使用して、固有周波数、サーボ帯域幅、整定時間を推定します。
• 正確性と精度- Mathcad、Microsoft Excelなどの分析ツールを使用して、軸の真直度、平坦度、ピッチ、ヨー、ロール、ウォブル、ランアウトの関数として、関心のあるポイントでの3D静的エラーを推定します。
• 材料強度- AutoCAD、Nastranなどの有限要素法ツールを使用して、軸、フレーム、サポート、取り付け構造の剛性を推定します。
• 熱膨張- AutoCAD、Nastranなどの解析ツールを使用して、熱膨張を予測し、断熱と冷却による熱伝達を最適化します。
• 流体力学-計算流体力学などの解析ツールを使用して、流体アクチュエータと冷却の流量と供給圧力を推定します。
• サーボ制御- MATLAB、Simulinkなどの解析ツールを使用して、システム軸のPIDコントローラループに必要なフィルタとチューニングパラメータを推定します。
• 信頼性工学- Mathcad、Microsoft Excelなどの分析ツールを使用してシステムの平均故障間隔を推定する

部品のサイズ決定は、部品サプライヤーから標準部品を選択するか、製造用にカスタム部品を設計するプロセスです。

• フレーム - 通常はアルミニウムまたは鋼鉄の中空管の溶接物で作られ、減衰のためにコンクリート複合材で充填される場合もあります。水平調整パッドに取り付けられ、地震用支柱で床に固定される場合もあります。
• アクチュエータ
  • スライド、ベース - 高精度のベースでは、平坦性と熱安定性のために花崗岩を使用します。精度の低い標準ステージでは、押し出しアルミニウムを使用します。カスタム ステージでは通常、慣性が低く剛性が高いリブ付きアルミニウムまたは機械加工されたステンレス鋼を使用します。
  • ベアリング - オプションには、比較的短い移動距離用のクロス ローラー ベアリング、より長い移動距離でより高い剛性を実現する循環ベアリング、および非常に滑らかな動きと高精度を実現する花崗岩ベースのエア ベアリングがあります。
  • サーボ モーター- 通常は、可動コイルに 3 相同期電流を流し、固定された低コギングの磁石プレートに磁場をかける、水平軸用のリニアブラシレス DC 電気モーターです。垂直リニア モーター軸の場合は、カウンターバランスを使用できます。回転ステージでは、固定コイル アーマチュアと可動磁気ローターを含む、同様の 2 つの部品、ダイレクト ドライブ モーターを使用します。
  • フィードバック - 通常は高解像度エンコーダ、光学式、磁気式、キャプティブ式、アナログ式、デジタル式、リニア式、ロータリー式、絶対式、またはホーム位置のインデックス マーク付きの増分式エンコーダ。長距離移動用のレーザー干渉計、サブミクロンの精度。
  • フォーサー - フォーサーのオプションには、高力用のボールねじ、長距離移動用のラックとピニオン、高速用のタイミング ベルトドライブなどがあります。HPPS における制限は、摩擦、ジッター、バックラッシュ、剛性の低下、メンテナンスです。
• ケーブル管理 - 電力と信号の伝送用。システムの信頼性チェーンの最も弱い部分です。低いプロファイルの曲げ半径により疲労が増加します。ケーブル キャリアまたはフラット リボン ケーブルが必要です。ジッターが発生します。
• アクセサリ - ハードストップ、補強ブラケット、ベローズ、ショックマウント、空冷ファン、リミット、フレクシャ、ロボットエンドエフェクタグリッパ、マシンビジョンカメラ、および人工知能、機械学習、加速度計、温度センサー、ジャイロスコープなどの監視用センサー。
• サーボ ドライブ- モーション コントロール信号を増幅してサーボ モーターを駆動します。低電力から 10 kW までの範囲です。たとえば、40 kW で 4 m/s で移動する 10,000 N の高力リニア モーターを駆動します。DC 電圧は安全な 24 V/48 V から 400 V 以上までの範囲です。モーター信号の高電流ループ更新レートは数千 Hz のオーダーです。モーション コントローラーとの一般的なネットワーク通信はEtherCAT経由です。
• モーションPIDコントローラ- オプションには、コンピュータ数値制御（CNC）、単軸、多軸、PCベース、スタンドアロン、またはサーボドライブやPLCとの統合があり、I/O、自動チューニング、診断、プログラミングが複数のソースから入手可能です。^[15]
• プログラマブルロジックコントローラ（PLC） - 多くのサプライヤーが提供する、プロセスシーケンス制御のための階層制御システムの上位層。^[16]

システム テストは、システム分析モデリング、概念実証、パフォーマンス仕様の安全係数、および受け入れテストを検証することを目的とした、システム開発の反復プロセスです。

• モーション移動、最大速度、最大加速度、ジャーク - 一般的にモーション コントローラ内で提供されます。
• 直線精度、再現性、平坦度、真直度、ヨー、ピッチ - レーザー干渉計。^[17]
• 角度精度、再現性、振れ、ぐらつき -オートコリメータ。
• サイクル時間、整定時間、ジッタ、一定速度 - 一般的にモーション コントローラ内で提供されます。
• 熱安定性 - 熱伝達を観察するために複数の場所に設置された温度センサー。
• 慣性、剛性 - スケール、ダイヤルインジケータ、フォースゲージ。
• 固有周波数、サーボ帯域幅- 一般的に周波数応答ツールを備えたモーションコントローラに装備されています。^[18]
• 平均故障間隔、寿命試験 - 頻繁な目視およびセンサーチェックによる継続的な監視下での極端な動作条件下での故障のない一定期間のノンストップ動作。^[19]

• スロカム、アレクサンダー (1992)。精密機械設計。製造業協会。p. 750。ISBN 0872634922。