Article:
"Resolutie; een afleiding voor nauwkeurigheid"
“Hoognauwkeurige lineaire systemen zouden niet geclassificeerd
moeten worden op hun resolutie maar zouden ontworpen moeten
worden binnen de breedst mogelijke Servo bandbreedte”.
De basis voor elk hoognauwkeurig lineair systeem begint
met mechanische en elektrische componenten met bijhorende
kenmerken die de uiteindelijke performance beïnvloeden.
Ondanks dat zijn de meeste hoognauwkeurige lineaire systemen
geclassificeerd naar hun resolutie.
“Er zijn vele factoren die overwogen moeten worden
maar het is tijd om opnieuw na te denken en te “re-engineeren”.
Op het specificatieblad van elk hoognauwkeurig lineair
systeem zal duidelijk zichtbaar het resolutie getal vermeldt
staan. Dit geldt voor alle applicaties of het nu een complex
XYZ systeem in de Semicon-, Medische- of Fiberindustrie
is of een standaard lineair XY systeem. Maar resolutie,
zelfs tot in de nano’s, geeft nog geen micron of submicron
nauwkeurigheid.
Er zijn veel facetten van systeem design die uiteindelijk
leiden tot de ultieme haalbare nauwkeurigheid en, heel belangrijk,
herhalingsnauwkeurigheid. Hierin zitten o.a. de mechanische
systemen waaronder verschillende soorten lageringen, materialen
en behandelingen die het lager oppervlak heeft ondergaan,
stijfheid van het systeem, montage van het meetsysteem (encoder,
resolver etc.), snelheid van de servoloop, kwaliteit van
de optische systemen en meer. Het belangrijkste van alles
is, zoals wetenschappers en de Aerotech specialisten al
hebben bewezen, dat de constructie van het systeem moet
worden ontworpen binnen de breedst mogelijke Servo bandbreedte
en dat vereist een nieuwe kijk op engineering!
Engineering vereist telkens weer compromissen maken. Dat
wat in een laboratorium onder ideale condities kan worden
bereikt is meestal niet mogelijk in de praktijk. Als het
om ultra hoognauwkeurige positionering systemen gaat kunnen
zelf laboratorium condities niets toevoegen aan slecht ontwikkelde
en geconstrueerde systemen. Laten we een positionering systeem
als voorbeeld nemen, een Stage, onder ideale condities zodat
de optimale performance ook daar zijn. Met andere woorden
dit systeem zou moeten draaien in een temperatuur gecontroleerde
ruimte (b.v +/- 0,1ºC) met een encoder volgens de standaard
norm, een contactloze lineaire motor en een geschikt montage
oppervlak zodat de stage optimaal presteert. Aerotech benadrukt
dat dit soort systemen, vanwege talloze andere wellicht
vergeten factoren, niet de ideale prestaties kunnen leveren.
Er zou gesuggereerd kunnen worden dat de resolutie niet
zo belangrijk is. Dit is niet het geval daar in een gesloten
Servo-regelkring systeem, ook wel Servo-lus of Servo-loop
genoemd, de resolutie een “tool” is om positiefouten
te meten en hiervoor te corrigeren. Hoe hoger de resolutie
hoe beter het systeem deze fouten kan identificeren. Praktijk
voorbeeld, een 1000 pulsen per mm lineaire encoder geeft
een resolutie van 1 micron. Een 4 mm / omwenteling van een
schroefspindel met een 4000 pulsen per omwenteling van een
rotatieve encoder geeft ook 1 micron resolutie. Standaard
wordt de resolutie op gegeven nadat deze verviervoudigt
is.
Maar als we dit nu toepassen als voorbeeld op een positionering
systeem zou dan diegene met de
hogere resolutie beter zijn? Dit hangt allemaal af van de
gestelde eisen aan de applicatie. Zoals eerder vermeld kan
de herhalingsnauwkeurigheid een kritisch kenmerk zijn en
het heeft geen relatie met de systeemresolutie. Als bijvoorbeeld
de belangrijkste beweging van een positioneersysteem, het
continu naar een van te voren ingegeven aantal punten moet
bewegen, dan is de herhalingsnauwkeurigheid dit kritische
kenmerk. Figuur 1.
Als we terug kijken naar de systeemnauwkeurigheid, dan hoeft
het nog niet zo te zijn dat een systeem met hoge herhalingsnauwkeurigheid
en uitstekende resolutie ook heel nauwkeurig is. Het feit
dat een positioneersysteem met een herhalingsbeweging telkens
weer op dat ene punt komt wil nog niet zeggen dat het ook
in één keer precies op dat punt terecht komt.
Voor sommige “punt naar punt” bewegingen is
dit misschien niet zo belangrijk maar wat nu als we op een
verschillend aantal punten in één keer moeten
staan. Een voorbeeld van zoiets is het plaatsen van elektronica
componenten, ook wel bestuken genaamd. Als we een rij van
gaten hebben met een diameter van 1mm op een onderlinge
afstand van 10mm en het te plaatsen component heeft een
diameter van 0,98mm, dan zou je er van uit kunnen gaan dat
we een tolerantie van 0,002mm proberen te bereiken voordat
de componenten niet meer passen. Dit voorbeeld gaat er van
uit dat er geen tolerantie is op de gaten of pinnen maar
geeft aan dat nauwkeurigheid in de eerste plaats vereist
is.
Het bereiken van nauwkeurigheid
Hoe komen we nu tot nauwkeurigheid. Laten we eerst kijken
naar dat wat een Motion systeem probeert te bereiken. Figuur
2. Alles wat beweegt heeft 6 assen van vrijheid. Laten we
eens één as isoleren in een systeem, een stage.
Als we hier naar kijken wat beinvloedt dan de nauwkeurigheid?
Ten eerste de nauwkeurigheid van het meetsysteem (encoder).
Temperatuur, dat uitzetting veroorzaakt van de spindel of
encoder in zeer hoognauwkeurige systemen, zelfs de lichaamstemperatuur
kan het systeem karakteristiek doen veranderen. Een ander
fenomeen is de speling “backlash” en spindelonnauwkeurigheid,
het montage oppervlak van de encoder en de stabiliteit hiervan.
Tevens de gesloten lus van het Servosysteem, dat gevoelig
is voor de elektrische ruis “noise” door de
amplifier en Motion Controller.
Onder laboratoriumcondities hoeft een systeem, stage,
met heel goede resolutie specificaties, herhalingsnauwkeurigheid
etc. nog steeds niet nauwkeurig te zijn. De mechanische
uitgangspunten zijn van wezenlijk belang. Figuur 3. Laten
we kijken naar onze geïsoleerde enkele as, bijvoorbeeld
de X-as van de stage, dan zijn er vijf heel belangrijke
kenmerken waarvoor de encoders of het Motion Control niet
voor verantwoordelijk zijn. Figuur 4.
Figuur
3 Figuur
4
Dit zijn de onafscheidelijke bewegingen in “Pitch,
Roll en Yaw” gecontroleerd door de “Straightness
en Flatness” (Rechtheid en vlakheid) van de stage.
“Pitch” fouten worden getoond als hoekfouten
rond de as, horizontaal haaks op de bewegingsas. Normaal
aangegeven door fabrikant als zijnde hoekfouten. Hoe kleiner
het getal hoe beter de stage karakteristiek. Pitch fouten
zijn gerelateerd naar de “Flatness” van de stage
en beïnvloeden de nauwkeurigheid het meest wanneer
de te verplaatsen “payload” (gewicht) boven
de stage is gemonteerd. Stel we hebben een “Yaw”
fout van 0,001º (4 arc sec) en het gewicht is 100mm
boven de stage dan volgt hieruit TAN 0,001/100 = 1,75 micron!
“Yaw” fouten zijn hoekfouten rond de as verticaal
haaks op de bewegingsas. Hiermee wordt rekening gehouden
wanneer b.v. meerdere stages samen gebouwd worden en reduceren
de nauwkeurigheid van het totale systeem. Deze zijn direct
gekoppeld aan de “Straightness’. Ook nu weer
0,001º hoekfout creëert 1,75 micron fout in de
X-as wanneer de “payload” (gewicht) weer op
100mm boven de stage zou zijn.
“Roll” fouten zijn hoekfouten rond de as van
beweging die voornamelijk effect hebben op de Y-as beweging.
Deze fouten worden erger wanneer het gewicht boven de stage
is gemonteerd en resulteren net als bij de vorige berekening
bij 0,001º hoekfout in een 1,75 micron fout.
Als we dit nu gaan bekijken voor een 3 assig systeem dan
zien we dat de X-as in het slechtste geval een fout heeft
van: “Pitch” fout X 1,75 micron + “Yaw”
fout X 1,75 micron = 3,5 micron fout!
Toegevoegd aan deze de Y-as de “Roll” fout van
1,75 micron, u kunt zich voorstellen dat we de zelfde berekeningen
maken voor alle 6 assen en een totale fout hebben die maarliefst
groter is dan 20 micron!
Deze fouten worden veroorzaakt door een aantal factoren,
soms een paar soms allemaal:
* Straightness en Flatness van de lagerrails
* Het in en uit gaan van de kogels of rollers in “recirculatie”
lagers.
* Variatie in de lager voorspanning.
* Onvoldoende voorspanning of speling in het lager
* Vervuiling van het lager
* Slijtage
* Hoek uitslagen van het lager veroorzaakt door externe
kracht op de “payload”, het zwaartepunt van
de “payload”, zwaartepunt van de diverse stage
componenten, aandrijving welke niet centraal in de stage
(spindel of lineaire motor) en het monteren van de stage
op een niet vlakke ondergrond.
Al deze factoren kunnen worden geminimaliseerd door verstandig
te ontwerpen, samen te bouwen en te installeren. Maar hier
houdt het verhaal nog niet op. Alleen wanneer de mechanica
van het systeem heel goed is en de Motion Controller ook
de functionaliteit kan ondersteunen is kalibratie een belangrijke
sleutel om de nauwkeurigheid te halen. Door gebruik te maken
van een laser interferometer, welke de fouten meet wanneer
de stage in XY en Z-as beweegt, is het mogelijk automatisch
de assen af te stellen gebaseerd op de gemeten fouten tijdens
de XY en Z-as bewegingen.
Nu dus over naar het Motion Control systeem. De Servolus
prestaties zijn wellicht het minst goed begrepen onderdeel
in systeem nauwkeurigheid. Dit is waarom de Aerotech engineers
een nieuwe manier van denken gebruiken in systeem ontwikkeling.
Systeem bandbreedte is het meten van de systeem “gain”
gemeten tegen de “frequentie” respons. Aerotech
beargumenteerd dat voor elk systeem, of het nu een snelle
beweging, een contour beweging of het alleen “in positie”
blijven is, de bandbreedte van het systeem is heel belangrijk.
Servo bandbreedte
De Servo bandbreedte is de beste indicatie voor systeem
prestaties omdat het beïnvloed wordt door; slechte
stage ontwikkeling, resonantie in de “payload”,
encoder prestaties, lager voorspanning, motor montage en
kabel management. Aerotech redeneert dus ook dat de bandbreedte
beinvloedt wordt door zo ongeveer alles!
Om de rol die de Servo bandbreedte speelt in het verkrijgen
van nauwkeurigheid te laten zien maken we gebruik van wat
illustraties. Hierin ziet u een uitdagende bewerking, het
maken van een gat van 50micron in diameter. Dit is een praktijk
voorbeeld van een laserbewerking welke in de elektronica
en medische engineering sector wordt gebruikt. Plot 1-6.
Een goed afgeregelde X-Y positioneringtafel met een snelheid
van 1 mm/sec, waarvan de beide assen een 50Hz bandbreedte
hebben, creëert een perfecte cirkel zoals in plot 1.
Plot 2. laat zien wat er gebeurt als de snelheid wordt
verhoogd naar 5 mm/sec, nog steeds met  een
goed gebalanceerd systeem. De cirkel is een beetje groter
omdat het commando 30 ms was om de complete cirkel te maken,
dit komt overeen met een 32Hz commando frequentie en de
gain, bij deze frequentie, welke een beetje hoger wordt
voordat deze drastisch omlaag gaat.
Plot 3 laat het effect zien weer met dezelfde beweging bij
5mm/sec maar nu met de bandbreedte op 10 Hz. Hierbij valt
op dat de actuele positie achterblijft en de cirkel verschuift.
Dat het nog steeds een cirkel is komt vanwege het nog steeds
overeenkomen van de Servo gains.
Plots 1-4
Het effect in Plot 4 laat de beide assen met verschillende
bandbreedtes zien, één op 10 Hz en de ander
50 Hz. De cirkel ziet er nu uit als een ei. Zo zijn de meeste
systemen getuned wanneer er één as bovenop
de tweede as wordt gemonteerd.
Plot 5 laat het resultaat zien van resonantie. In dit geval
een kleine resonantie van 500 Hz. Van het monteren van een
camera, laser of andere optische componenten zou dit een
mooi voorbeeld zijn.
Elk reëel systeem heeft waarschijnlijk meerdere resonanties
zoals in Plot 6.
In de praktijk, zoals de twee illustraties in Plot 7a en
7b laten zien, het resultaat van een typisch systeem dat
een cirkel met 1 micron diameter en 3,6 mm/sec maakt. In
7b het zelfde maar dan met een Aerotech systeem ontworpen
in het frequentie bereik voor maximale systeembandbreedte.
Conclusie:
Het is onwaarschijnlijk dat de meeste Motion Control of
Positioneersysteem leveranciers hun nauwkeurigheid kunnen
bewijzen op een simpele verklaarbare manier of de vertakkingen
van systeem bandbreedte in applicaties begrijpen.
Echter, het is absoluut noodzakelijk na te denken over de
applicatie wanneer de specificatie opgesteld worden. Wanneer
nauwkeurigheid relatief onbelangrijk is maar de herhalingsnauwkeurigheid
wel, moet dat duidelijk uit de specificaties naar voren
komen. Maar als nauwkeurigheid daadwerkelijk belangrijk
is dan zijn er veel vragen van de leverancier tav de applicatie
en resolutie kan dan een klein onderdeel zijn van alle te
beoordelen criteria.
Aerotech karakteriseert al hun systemen en levert een complete
set ondersteuningsdata.
|
United
States [Change]
