Hur förbättrar en direktdriven motor hastighet och precision vid revolverindexering?

I höghastighetsutrustning för sortering och förpackning av halvledare måste revolverindexering uppnå två mål samtidigt: kort cykeltid och repeterbar positioneringsnoggrannhet.

Många ingenjörer antar initialt att nyckeln till snabbare tornindexering helt enkelt är att använda en motor med högre effekt. I praktiken är dock hela transmissionssystemets prestanda ofta viktigare än enbart motoreffekten.

En konventionell torndrivning kan använda en servomotor kombinerad med en växellåda, koppling, rem eller andra mekaniska transmissionskomponenter. Dessa komponenter kan orsaka glapp, elastisk deformation, friktion, transmissionsfel och ytterligare tröghet.

En direktdriven motor har ett annat tillvägagångssätt. Genom att direkt ansluta motorn till tornet kan systemet eliminera behovet av en konventionell reduktionsväxellåda och minska antalet mekaniska transmissionskomponenter mellan motorn och den roterande lasten.

Kombinerat med en högupplöst kodare och en högpresterande servodrivning kan en direktdriven motor för revolverindexering ge snabb acceleration och retardation, noggrann positionering och korta inställningstider.

Detta gör direktdrivningstekniken särskilt attraktiv för halvledarsorteringsmaskiner, stansmaskiner, inspektionsutrustning, testsystem och andra höghastighetsautomationsapplikationer.

Vad är en direktdriven motor för revolverindexering?

En direktdriven motor är en motor konstruerad för att driva en roterande last direkt utan en konventionell reduktionsväxellåda.

I en tornindexeringsapplikation är motorrotorn direkt ansluten till huvudtornet:

Servodrift → Direktdrivmotor → Revolver

Detta skiljer sig från en konventionell växellåda:

Servomotor → Växellåda → Koppling → Revolver

eller:

Servomotor → Rem → Remskiva → Revolver

Genom att ta bort mellanliggande transmissionskomponenter skapar ett direktdrivningssystem en kortare mekanisk väg mellan motorn och den roterande lasten.

Ett typiskt höghastighetssystem för indexering av torn kan innefatta en direktdriven motor, högupplöst kodare, servodrivning, rörelsekontroller, torn, Z-axelmekanism och visions- eller inspektionssystem.

Kodaren mäter kontinuerligt rotationspositionen, vilket gör att servosystemet kan styra tornets position, hastighet och acceleration genom återkoppling med sluten slinga.

För roterande applikationer kan en direktdriven motor även beskrivas som en direktdriven rotationsmotor eller DD-momentmotor.

Varför använda en direktdriven motor för höghastighetsindexering av revolverhuvuden?

Den främsta fördelen med en direktdriven motor är inte bara hög motoreffekt.

Den viktigaste fördelen är minskningen av mekaniska transmissionskomponenter mellan motorn och lasten.

En konventionell växellåda kan introducera:

• Kuggspel

• Kopplingsefterlevnad

• Bältets elasticitet

• Friktion

• Sändningsfel

• Ytterligare roterande tröghet

Dessa effekter blir särskilt viktiga när ett torn upprepade gånger accelererar, retarderar och ändrar riktning.

En direktdriven motor eliminerar behovet av en konventionell växellåda eller remtransmission, vilket gör att servosystemet kan styra rotationsbelastningen mer direkt.

Detta kan bidra till att förbättra:

Indexeringshastighet + positioneringsrepeterbarhet + inställningsprestanda

samtidigt.

Direktdrift bör dock inte tolkas som att hela maskinen har absolut noll mekaniska fel. Lagerkast, pulsgivarens installation, strukturell deformation, termisk expansion och servoinställning kan fortfarande påverka den slutliga positioneringsprestandan.

Vad avgör tornets indexeringshastighet?

Revolverkraften bestäms inte enbart av motoreffekten.

Den faktiska indexeringscykeln beror på hela rörelsesystemet, inklusive:

• Tornets tröghet

• Motormoment

• Acceleration och retardation

• Kodarens återkoppling

• Servobandbredd

• Rörelseprofil

• Mekanisk styvhet

• Löptid

• Z-axelns rörelse

• Testtid

• Antal tornstationer

Det är därför att valet av en direktdriven motor med högt vridmoment inte automatiskt gör ett torn snabbare.

Den totala maskincykeln kan förstås som:

Revolverindexering + Z-axelrörelse + Bearbetningstid + Synkronisering

Till exempel kan höghastighetssorteringssystem för halvledare använda korta indexeringscykler på tiotals millisekunder. Den faktiska uppnåeliga cykeltiden beror på tornets tröghet, indexeringsvinkel, motormoment, servoinställning och den erforderliga inställningstiden.

Därför bör motorval alltid utgå från den kompletta rörelseprofilen snarare än enbart motorns maximala hastighet eller toppmoment.

Varför spelar låg tröghet roll för en direktdriven motor?

Revolverindexering är en upprepad accelerations- och retardationsprocess.

Motorn måste accelerera den roterande lasten, nå målpositionen och sedan retardera tillräckligt snabbt för att nästa operation ska kunna påbörjas.

Det erforderliga accelerationsmomentet kan uttryckas som:

T = J × α

där T är accelerationsmomentet, J är rotationströgheten och α är vinkelaccelerationen.

Att minska onödig roterande tröghet kan därför förbättra det dynamiska svaret.

En korrekt vald direktdrivmotor kan accelerera och retardera tornet utan att förlita sig på en mekanisk reduktionsväxellåda.

Motorrotorns tröghet är dock bara en del av den övergripande beräkningen.

Den kompletta roterande trögheten bör inkludera:

Motor + Revolver + Verktyg + Arbetsstycke + Andra roterande komponenter

Direktdrivmotorn måste ge tillräckligt med toppmoment för den erforderliga accelerationen samtidigt som acceptabel termisk prestanda bibehålls under kontinuerlig högcyklisk drift.

Hur förbättrar en direktdriven motor noggrannheten i tornets positionering?

Ett konventionellt motor- och växellådassystem kan orsaka glapp, eftergivlighet och transmissionsfel mellan motor och torn.

En direktdrivningsarkitektur förenklar den mekaniska banan:

Motor → Torn

Servoregulatorn kan därför reglera rotationsbelastningen utan ett konventionellt reduktionssteg mellan motorn och tornet.

Detta kan vara särskilt fördelaktigt vid upprepad vinkelindexering.

En direktdriven motor garanterar dock inte automatiskt perfekt positioneringsnoggrannhet.

Slutlig systemprestanda beror på:

• Kodarens noggrannhet

• Kodarens upplösning

• Lagerkast

• Tornets styvhet

• Termisk expansion

• Motorkuggning

• Mekanisk vibration

• Servo-inställning

• Belastningsvariation

• Kalibrering och kartläggning

Det mer korrekta tekniska påståendet är därför:

En direktdriven motor eliminerar glapp som är förknippat med konventionell kuggväxellåda samtidigt som den minskar mekaniska transmissionsfel, men den slutliga positioneringsnoggrannheten beror på hela rörelsesystemet.

Repeterbarhet, noggrannhet och upplösning är olika

Dessa tre specifikationer förväxlas ofta när man väljer en direktdriven motor för revolverindexering.

Upplösning

Upplösning beskriver det minsta vinkelsteg som en kodare eller ett rörelsesystem kan urskilja.

En högupplöst kodare ger finare mätning av rotationspositionen, men kodarupplösningen ensam avgör inte systemets noggrannhet.

Repeterbarhet

Repeterbarhet beskriver hur konsekvent tornet återgår till samma kommenderade position under upprepade rörelser.

Detta är särskilt viktigt för sorterings- och testutrustning för halvledare eftersom tornet kan upprepa samma indexeringsrörelse tusentals eller miljontals gånger.

Noggrannhet

Noggrannhet beskriver skillnaden mellan den beordrade positionen och den faktiska fysiska positionen.

Ett system kan därför ha extremt hög pulsgivareupplösning men lägre absolut noggrannhet på grund av mekaniska toleranser, termiska effekter, lagerkast eller installationsfel.

För precisionstornsystem bör upplösning, repeterbarhet och noggrannhet alltid utvärderas separat.

Hur snabbt kan en direktdriven motor indexera ett revolvertorn?

Det finns ingen universell maximal indexeringshastighet för en direktdriven motor.

Den uppnåeliga prestandan beror på:

• Motormoment

• Tornets tröghet

• Indexeringsvinkel

• Nödvändig cykeltid

• Accelerationsprofil

• Löptid

• Kodarens prestanda

• Servodrift

• Mekanisk styvhet

Till exempel kräver en 18° indexeringsrörelse för tornet som slutförs inom cirka 20 ms en helt annan motor- och mekanisk design än en 30° rörelse som slutförs inom 100 ms.

Det korrekta tillvägagångssättet är att beräkna den erforderliga accelerationen och vridmomentet från:

Indexeringsvinkel + Cykeltid + Rotationströghet + Rörelseprofil

istället för att välja en direktdriven motor baserat enbart på dess nominella varvtal.

För höghastighetshalvledarutrustning kan det vara lika viktigt att minska inställningstiden som att öka topprotationshastigheten.

Direktdriven motor kontra växellådsdrift för revolverindexering

Skillnaden mellan en direktdriven motor och en konventionell växeldrift blir särskilt viktig i applikationer med hög indexeringstakt.

En direktdriven motor är därför inte automatiskt den bästa lösningen för alla torn.

En växellåda kan fortfarande vara användbar när applikationen kräver betydande momentmultiplikation, har en stor lasttröghet eller har strikta kostnadsbegränsningar.

Direktdrift blir särskilt attraktivt när maskinen prioriterar:

Snabb indexering + lågt överföringsfel + hög repeterbarhet + flexibel rörelsekontroll

Direktdriven motor kontra kamindexering

Kamindexeringsmekanismer är fortfarande en mogen lösning för repetitiva rotationsrörelser och används i stor utsträckning inom industriell automation.

Deras största fördel är mekanisk enkelhet och en fördefinierad rörelseprofil.

En direktdriven motor använder en programmerbar rörelsekontrollmetod.

Styrenheten kan justera:

• Acceleration

• Retardation

• Hastighet

• Bo

• Rycka

• Indexvinkel

• Rörelseprofil

Denna flexibilitet kan vara värdefull när en maskin behöver hantera olika produkter, stationskonfigurationer eller driftsförhållanden.

Valet mellan en direktdriven motor och kamindexering bör därför baseras på:

Genomströmning + flexibilitet + positioneringskrav + underhåll + total maskinkostnad

snarare än att anta att en teknik alltid är överlägsen.

Varför är S-kurvans rörelseprofiler viktiga vid revolverindexering?

Höghastighetsindexering handlar inte bara om att nå målpositionen så snabbt som möjligt.

Tornet måste också stanna utan överdrivna vibrationer.

En plötslig förändring i accelerationen kan generera höga ryck och excitera mekaniska resonanser, vilket ökar stabiliseringstiden.

En S-kurva i rörelseprofilen ändrar gradvis accelerationen och kan bidra till att minska mekaniska stötar och vibrationer.

Detta är särskilt viktigt när tornet bär:

• Halvledarpaket

• Pick-and-place-munstycken

• Inspektionsarmaturer

• Testuttag

• Visionkomponenter

Målet är:

Rör dig snabbt → Stanna mjukt → Sätt dig snabbt till ro

Ett högpresterande tornsystem kan därför kombinera en direktdrivmotor med låg tröghet med en högupplöst kodare, optimerad servojustering och vibrationsdämpning.

Varför är pulsgivarens prestanda viktig i ett direktdrivet revolversystem?

Kodaren är en av de viktigaste komponenterna i ett direktdrivet indexeringssystem.

Eftersom det inte finns någon konventionell reduktionsväxellåda mellan motorn och lasten kan pulsgivarens återkoppling användas för att styra rotationspositionen mer direkt.

Beroende på tillämpningen kan ett torn använda:

• Optiska kodare

• Magnetiska kodare

• Absoluta pulsgivare

• Inkrementella kodare

• Högupplösta roterande skalor

Val av kodare bör ta hänsyn till mer än bara bitupplösning.

Viktiga specifikationer inkluderar:

• Noggrannhet

• Repeterbarhet

• Uppdateringsfrekvens

• Signalintegritet

• Termisk stabilitet

• Installationsnoggrannhet

För halvledarutrustning gör höga cykelhastigheter och positioneringskrav på mikronnivå integration av kodare och mekaniska komponenter särskilt viktiga.

Hur påverkar direktdrivna revolverindexering genomströmningen i halvledarutrustning?

En halvledarsorteringsmaskin kan utföra flera sekventiella operationer:

Matning → Indexering → Justering → Testning → Inspektion → Sortering → Tejpning

Tornet kan inte bara rotera så fort som möjligt.

Dess rörelse måste vara synkroniserad med de andra maskinens axlar och processstationer.

Ett höghastighetstornssystem kan uppnå en kort indexeringscykel, men den totala UPH bestäms av den kompletta maskincykeln.

Till exempel:

UPH = Rörelsecykel + Bearbetningstid + Synkronisering + Maskinutnyttjande

Därför bör en direktdriven motor utvärderas som en del av det kompletta produktionssystemet snarare än som en isolerad komponent.

Motorn kan minska transmissionsrelaterade begränsningar, men den totala genomströmningen beror fortfarande på testtid, Z-axelns rörelse, hanteringstid och stationssynkronisering.

Revolverindexeringsnoggrannhet är inte densamma som pick-and-place-noggrannhet

Detta är en viktig faktor att beakta vid design av halvledarutrustning.

Ett revolverhuvud kan uppnå utmärkt vinkelrepeterbarhet medan pick-and-place-munstycket fortfarande har positioneringsfel.

Tornets positionering kan påverkas av:

• Återkoppling av rotationskodare

• Tornkast

• Lagernoggrannhet

• Strukturell deformation

• Servo-inställning

Munstyckens placering kan dessutom bero på:

• Z-axelns repeterbarhet

• Montering av munstycke

• Vakuumstabilitet

• Arbetsstyckets position

• Synkalibrering

• Mekaniska toleranser

Därför bör det roterande tornet och pick-and-place-mekanismen utvärderas och kalibreras som separata rörelsesystem.

En högpresterande direktdriven motor kan förbättra revolverindexeringens prestanda, men den kan inte oberoende garantera den slutliga placeringsnoggrannheten på mikronnivå för hela maskinen.

Hur man väljer en direktdriven motor för revolverindexering?

När man väljer en direktdriven motor bör ingenjörer ta hänsyn till mer än nominellt vridmoment.

1. Nödvändig indexeringstid

Bestäm önskad indexeringsvinkel och cykeltid.

Till exempel:

18° på 22 ms

är ett helt annat rörelsekrav än:

30° på 100 ms.

Den erforderliga accelerationen och det maximala vridmomentet kan därför skilja sig avsevärt.

2. Total rotationströghet

Beräkna den totala roterande lasten:

Jtotal = Jmotor + Jrevolver + Jverktyg + Jarbetsstycke

Direktdrivmotorn måste ge tillräckligt accelerationsmoment för hela systemet.

3. Toppmoment och kontinuerligt vridmoment

Toppmomentet avgör dynamisk accelerationsförmåga.

Kontinuerligt vridmoment avgör om motorn kan upprätthålla den erforderliga driftscykeln utan för hög termisk belastning.

4. Kodarens noggrannhet och upplösning

Välj pulsgivare enligt önskad repeterbarhet, absolut noggrannhet och styrbandbredd.

5. Hålhålsstorlek

En stor ihålig axel kan förenkla:

• Elektrisk ledningsdragning

• Pneumatiska slangar

• Vakuumledningar

• Optiska vägar

• Laserfräsning

Detta kan vara särskilt användbart i kompakt halvledarutrustning.

6. Servodriftskompatibilitet

Direktdrivmotorn och servodrivningen bör utvärderas som ett enda rörelsesystem.

Viktiga faktorer inkluderar:

• Strömslingans bandbredd

• Speed-loop-bandbredd

• Uppdateringsfrekvens för positionsslinga

• Kodargränssnitt

• Vibrationsdämpning

• Notch-filter

• Framåtkopplingskontroll

• Generering av rörelseprofil

En servodrivare kan annonsera en hastighetsslingbandbredd på flera kHz, men detta är en servodrivningsspecifikation, inte en inneboende specifikation för varje direktdriven motor.

Hur kan vibrationer minskas i ett höghastighets direktdrivet torn?

Höghastighetsindexering kan generera vibrationer när den mekaniska strukturen eller rörelseprofilen exciterar en resonans.

Vanliga tekniska metoder inkluderar:

Motordesign med låg tröghet

En korrekt vald direktdriven motor med låg tröghetsmoment kan minska det vridmoment som krävs för snabb acceleration och retardation.

Stel mekanisk struktur

En styv torn och monteringsstruktur kan minska oönskad deformation och vibration.

S-kurvrörelse

S-kurvacceleration minskar ryck och mekaniska stötar.

Servoförstärkningsoptimering

Servoförstärkningar måste balansera svarshastighet och stabilitet.

Notch-filtrering

Notchfilter kan undertrycka kända mekaniska resonansfrekvenser.

Feedforward-kompensation

Framåtkopplingsstyrning kan minska spårningsfelet vid snabba rörelser.

Högupplöst kodare-återkoppling

Noggrann positionsåterkoppling gör att servoregulatorn kontinuerligt kan korrigera positionsavvikelsen.

Den slutliga vibrationsprestanda beror därför på:

Direktdriven motor + pulsgivare + mekanisk struktur + servodrift + rörelsealgoritm

Tillämpningar av direktdrivna motorer i halvledarutrustning

Direktdrivna motorer kan användas i en mängd olika halvledar- och precisionsautomationsapplikationer.

Halvledartest- och sorteringsmaskiner

Huvudtornet roterar halvledarpaket mellan matnings-, test-, inspektions- och sorteringsstationer.

En direktdriven motor kan stödja snabb indexering samtidigt som den bibehåller repeterbar vinkelpositionering.

Die Bonders

Direktdrivna motorer och momentmotorer kan driva roterande mekanismer som används för att överföra eller positionera halvledarbrickor.

Inspektionsrotationsbord

Högupplöst roterande positionering kan användas för optisk inspektion, dimensionsmätning och flerstationstestning.

MEMS och sensortestning

Precisionsroterande indexering kan positionera små enheter upprepade gånger under automatiserad testning.

Elektronikmontering

Direktdrivna motorer kan tillhandahålla programmerbar indexering för hantering av elektroniska komponenter med hög cyklisk cykling.

Fem vanliga misstag vid design av ett direktdrivet torn

Misstag 1 — Att välja motor endast efter maximalt vridmoment

Ett högt toppmoment garanterar inte ett snabbare torn.

Hela systemets tröghet och erforderliga acceleration måste beaktas först.

Misstag 2 — Att behandla pulsgivarens upplösning som positioneringsnoggrannhet

En högupplöst kodare förbättrar mätkapaciteten, men eliminerar inte automatiskt mekaniska fel.

Upplösning, repeterbarhet och noggrannhet måste utvärderas separat.

Misstag 3 — Att ignorera stabiliseringstid

Att tornet når den kommenderade positionen är inte nödvändigtvis detsamma som att tornet är redo för nästa process.

För högkapacitetsutrustning:

• Flytttid + Bosättningstid

• är mer meningsfullt än enbart flytttid.

Misstag 4 — Ignorera termiska effekter

Kontinuerlig högfrekvent indexering genererar värme i både motorn och den omgivande mekaniska strukturen.

Termisk expansion kan påverka positioneringsnoggrannheten under långa produktionscykler.

Misstag 5 — Optimera tornet utan att optimera maskinen

Tornet är bara en del av utrustningen.

Den totala UPH beror på synkroniseringen av:

Revolver + Z-axel + Testning + Vision + Matning + Sortering + Tejpning

Att optimera enbart en axel ökar inte nödvändigtvis den totala maskinens genomströmning.

Vanliga frågor om direktdrivna motorer för revolverindexering

Är en direktdriven motor bättre än en växellåda för tornindexering?

Inte nödvändigtvis för varje applikation.

En direktdriven motor är särskilt attraktiv när systemet kräver höghastighetsindexering, lågt transmissionsfel, hög repeterbarhet och minskat mekaniskt underhåll.

En växellåda kan fortfarande vara att föredra när mekanisk momentmultiplikation, kostnad eller en viss lastprofil är viktigare.

Har en direktdriven motor noll glapp?

En direktdriven motor kräver inte en konventionell växellåda eller remtransmission, så den undviker glapp i samband med dessa transmissionskomponenter.

Hela systemet kan dock fortfarande ha mekaniska fel orsakade av lager, strukturell deformation, pulsgivarens installation och andra faktorer.

Därför är "inget glapp i växellådan" mer korrekt än att påstå att hela maskinen har noll mekaniska fel.

Vad betyder ±1 bågsekund?

En bågsekund är lika med:

1/3600 grad ≈ 4,848 μrad

För ett torn med 200 mm diameter är radien 100 mm. Vid den radien motsvarar 1 bågsekund ungefär:

0,485 μm

av omkretsförskjutning.

Detta illustrerar varför roterande positionering på bågsekundnivå representerar ett krav på hög precision.

Behöver en direktdriven motor en växellåda?

En direktdriven motor är konstruerad för att driva lasten direkt, så en konventionell reduktionsväxellåda behövs inte.

Motorn måste dock vara korrekt dimensionerad för erforderligt vridmoment, hastighet och lasttröghet.

Hur kan vibrationer minskas under indexering av tornet?

Typiska metoder inkluderar val av motor med låg tröghet, rigid mekanisk design, S-kurvors rörelseprofiler, optimerade servoförstärkningar, notchfilter, framkopplingskompensation och vibrationsdämpningsalgoritmer.

Hur påverkar tornindexering UPH?

Revolverindexering är en viktig rörelsecykel i en höghastighetssorteringsmaskin, men den maximala luftfuktigheten (UPH) bestäms av hela maskincykeln.

Indexeringstid, Z-axelrörelse, testning, inspektion, matning, sortering och andra processtider måste synkroniseras för att uppnå målkapaciteten.

Framtiden för direktdrivna motortornindexering

I takt med att halvledarkapslar blir mindre och automatiserad utrustning går mot högre UPH, kommer tornrörelsesystem att behöva kombinera hastighet, repeterbarhet, termisk stabilitet och flexibel rörelsekontroll.

Nästa generations tornsystem kommer sannolikt att kombinera:

• Direktdrivna motorer

• Högupplösta absoluta kodare

• Servodrivningar med hög bandbredd

• Avancerad vibrationsdämpning

• Optimering av rörelseprofil

Onlinekalibrering och kartläggning

Integrerad rörelsekontroll på maskinnivå

Målet är inte bara att få tornet att rotera snabbare.

Det verkliga tekniska målet är:

Kortare indexeringstid + kortare inställningstid + stabil positionering + högre maskingenomströmning

Det är därför direktdrivna motorer och DD-momentmotorer blir alltmer attraktiva för halvledarsorteringsmaskiner, utrustning för bonding, inspektionssystem och andra höghastighetsindexeringstillämpningar.

För utrustningstillverkare som utvärderar en direktdriven motor för tornindexering är det viktigaste steget att dimensionera motorn enligt den fullständiga rörelseprofilen snarare än att välja motor baserat enbart på toppmoment eller maximal hastighet.

En korrekt matchad direktdrivmotor, kodare och servosystem kan minska onödiga mekaniska transmissionssteg och ge en stark grund för snabb, exakt och flexibel tornrörelse.