ダイナミックなステージアクチュエーションの選択

Dec 16, 2023

リサ・エイテル著 | 2018年11月26日

個別の製品の測定をオンザフライで行う場合、モーション システムが誤差を最小限に抑え、残りの部分を修正することが重要です。

ブライアン・ハンダーハンビジネス開発マネージャー • ライフサイエンスPatrick Lehr | 製品マネージャー • 精密機械電気機械およびドライブ部門 • Parker Hannifin Corp.

動的計測は、機械の移動軸上を移動する物体に関するデータの収集です。 これは、レーザーベースの検査と分光測定でますます一般的になり、主にさまざまなプロセス中に個別製品のラインスキャンを使用する半導体やエレクトロニクス製造で使用されています。 細胞分析や DNA および遺伝子配列決定などのライフサイエンス アプリケーション（高いデータ収集スループットが必要）でも、動的計測学が採用されています。 さらに別の用途は、精密レーザー切断です。

製品を載せるステージは測定中に移動するため、線形誤差、アッベ誤差、平面誤差を最小限に抑える必要があります。 これらのエラーの原因は数多くあり、リニア スライドやアセンブリの加工の不一致、ベアリングの不一致、摩擦、たわみ、熱変動、一貫性のないフィードバック、機械的なワインドアップなどが含まれます。

3 つのエラー タイプすべての詳細については、blog.parker.com のエントリと動的計測の検索を参照してください。 誤差を最小限に抑えるということは、加工やベアリングの不一致、摩擦、たわみ、熱変動、一貫性のないフィードバック、機械的なワインドアップなど、誤差の原因を最小限に抑えることを意味します。

直線位置決めデバイスの場合、業界では 8 つの異なる方法でそのような誤差を定量化しています。 アッベ誤差はピッチ、ヨー、ロール方向で発生します。 それらは精度と再現性に大きく貢献しており、角度測定によって定量化されます。 X、Y、または Z 方向の線形誤差は精度と再現性に直接関係し、線形測定で定量化されます。 対照的に、平面誤差は X、Y、または Z 方向で発生し、多軸システムでは隣接する軸に直接影響します。 これらは線形測定でも定量化されます。

特別な注意事項が 1 つあります。測定点がステージからある程度の距離にある場合、精度が影響を受けます。測定点がステージから離れると、合計誤差が大きくなります。 このようなアプリケーションでは、注目点がピッチ、ヨー、ロール点からある程度の距離にある場合、アッベ誤差を最小限に抑えることが最も重要です。 設計エンジニアは、動的計測アプリケーション用のリニアステージを指定するときに、このような誤差の拡大を考慮する必要があります。

リニアステージからある程度離れた測定点を含む 2 つの操作を考えてみましょう。 測定点がステージから遠いほど、合計誤差は大きくなります。

動的計測には、モーションステージの速度を厳密に制御することも必要です。 予期せぬ加速と減速（速度リップルなど）の形での誤差により、動的計測セットアップにおける正確かつ一貫した結果の収集が不可能になります。 特にスキャン アプリケーションでは、適切な速度制御が必要です。そうしないと、(予想される位置と比較して) データ収集が不十分になり、結果が不鮮明になる危険があります。

動的計測アプリケーションでは、正確で一貫した測定を実現するために滑らかな速度が必要となるため、速度制御は動的計測アプリケーションにとって重要です。

速度リップルの原因には、機械的なドライブトレインの偏差が含まれます。 親ねじまたはプーリーのピッチの変動。 そして摩擦は移動ストロークに応じて変化します。 速度リップルを引き起こす可能性のあるその他の要因には、フィードバック デバイスの精度誤差、モーター ドライブの電流制御制限などがあります。 リニアアンプの代わりにPWM周波数を使用します。 最適化されていないサーボ アルゴリズムと制御更新レート。

ステージ軸のトルク リップルを最小限に抑えるには、いくつかの方法があります。 アクチュエータに高分解能のリニア フィードバック デバイスを取り付けます。 非常に低いサブディビジョンエラー (SDE) エンコーダを軸モーターに取り付けます。 または、サーボ更新レートの高いドライブ コントローラーを採用します。

動的計測プロセス中に速度を安定に保つには、いくつかの方法があります。 オプションの 1 つは、リニア モーター アクチュエータを使用して、ドライブトレインのピッチや摩擦の問題を回避し、高速応答の駆動と速度補正を実現することです。 もう 1 つは、エンコーダのハード カウント間で位置誤差が発生する非常に低いサブディビジョン エラー (SDE) エンコーダをインストールすることです。 それ以外の場合は、アクチュエータの線形フィードバックが適切である可能性があります。 動的計測に役立つもう 1 つのテクノロジーは、サーボ更新レートが高く、迅速な速度測定と補正が可能なドライブ コントローラーです。



高速動的計測アプリケーションのほとんどの作動は、リニア モーター、特に鉄のないリニア モーターで駆動されるステージを介して行われます。 このようなステージのリニアモーターは負荷に直接結合されるため、バックラッシュ、効率損失、ベルトやボールネジ駆動の配置の位置誤差が最小限に抑えられ、さらには完全に排除されます。

さらに、リニア モーターは通常、他のドライブトレインよりもコンパクトです。 これにより、より小型で剛性の高い機械が実現され、位置誤差が低減され、高速に対応できる軽量設計が実現されます。

リニア モーター アクチュエータは、高速でも最も厳密な制御を保持します。場合によっては、エンコーダの細分誤差やサーボ位置制御ループの考慮が必要になる場合もあります。 これらに対処して最適化すると、リニア モーターは速度リップルの問題を回避して素早い作動を実現できます。 エンジニアは合理的な商用コストでシステムを最適化し、積極的な動的計測速度で 200 nm までの誤差を達成できます。 ただし、速度リップルを最小限に抑えるには、エンジニアはエンコーダの分解能とサーボ サンプリング レートを指定する前に、アプリケーションの速度とサンプリング レートを把握する必要があります。

半導体市場の設計エンジニアリング チームがレーザー ライン スキャンを実行する 1 つのアプリケーションを考えてみましょう。 プロセスは平面度と真直度に依存し、誤差は 300 x 300 mm の移動ゾーンにわたって ±4 µm を超えないと仮定します。 ここで、一部のメーカーの XY システムのワイドベースのモノリシック ステージは、高い剛性を維持して平面度や真直度の誤差を最小限に抑えることができます。

これは、2 つのステージ軸からの誤差をプロットします。 下軸ターゲット精度は±4 µmです。 実際の精度はそれよりはるかに優れており、±1.2 μm です。 上軸のターゲット精度は±4 µmです。 実際の精度はそれよりはるかに優れており、±0.8 µm です。

別のライン スキャン アプリケーションを考え、スキャン周波数を 100 Hz と仮定します。 また、速度リップルはストローク速度 10 mm/秒で ±2% 未満でなければならないと仮定します。 つまり、位置誤差は ±0.2 mm/秒/100 Hz、つまり 0.01 秒あたり 0.002 mm 以内に収まらなければなりません。 したがって、ここでは、ステージアクチュエータには、許容位置誤差を超える分解能を備えたエンコーダ、つまり少なくとも 2 µm のエンコーダが必要です。 さらに、サーボ更新レートは、必要な補正レートの少なくとも 10 倍でなければなりません (0.01 秒 × 10 = 1 ミリ秒の更新レート)。 ここでは、高精度エンコーダと特定のサーボドライブおよびコントローラの組み合わせを備えたステージのみが、速度を要件内に維持できます。

実際、動的計測の重要な仕様を満たすことができるのはリニアモーター駆動ステージだけです。 レーザー干渉計テストレポートを提供するこれらのシステムのサプライヤーを探して、各ステージの能力が他のドライブトレイン機構を上回り、計測レベルのパフォーマンスを実現できることを確認します。

パーカー・ハニフィン | solutions.parker.com/LP=12738