Sistema de posicionamiento de alto rendimiento

• Semiconductores - La fotolitografía es un proceso de fabricación de obleas (electrónicas) en plantas de fabricación de semiconductores . Utiliza etapas de motor lineal o etapas de levitación magnética, para un posicionamiento extremo, para mover su plataforma de obleas. ^{[ 6 ]}
• Electrónica - La tecnología de montaje superficial utiliza sistemas de posicionamiento con motores lineales de alto rendimiento para montar chips de circuitos integrados en placas de circuitos impresos . ^{[ 7 ]}
• Óptica: los microscopios estereoscópicos utilizan etapas de posicionamiento con motor lineal para lograr una gran suavidad de movimiento durante el escaneo ^{[ 8 ].}
• Máquinas herramienta - El mecanizado por electroerosión por hilo se utiliza para cortar metales duros y gruesos, como en la fabricación de matrices . Los sistemas de posicionamiento con motor lineal y cojinetes de aire proporcionan una gran suavidad de movimiento. ^{[ 9 ]}
• CMM - Las máquinas de medición por coordenadas suelen requerir una base de granito, soportes de aislamiento, actuadores de motor lineal, cojinetes de aire e interferómetro láser. ^{[ 10 ]}
• Automatización de laboratorio: el proceso de cribado de alto rendimiento se utiliza en la automatización de laboratorios para el descubrimiento de fármacos , donde el posicionamiento del motor lineal proporciona una alta aceleración/desaceleración con un corto tiempo de estabilización. ^{[ 11 ]}

La especificación del sistema (norma técnica) es una interfaz oficial entre los requisitos de la aplicación (problema), tal como los describe el usuario (cliente), y el diseño (solución) optimizado por el desarrollador (proveedor).

• Inercia : Indica la resistencia de la carga móvil (herramienta o pieza) a los cambios lineales (kg) y angulares (kg·m²) de velocidad. Para maximizar la frecuencia natural, la inercia de la carga móvil debe ser mínima.
• Tamaño: indica las limitaciones geométricas del sistema en cuanto a ancho (m), largo (m) y alto (m), según sea necesario para su manipulación, transporte e instalación.
• Movimiento : indica el tiempo de ciclo del proceso (s) y las restricciones del proceso para cada grado de libertad , incluyendo el recorrido máximo (m, rad), la velocidad máxima (m/s, rad/s) y la aceleración/desaceleración máxima (m/s2, rad/s2).
• Precisión: Indica la resolución lineal y angular de la medición de posición y movimiento (µm, µrad), así como la lectura total del indicador de exactitud y precisión para cada grado de libertad.
• Jitter : indica la amplitud máxima (µm) de vibraciones de alta frecuencia permitida en condiciones de reposo.
• Velocidad constante: indica la suavidad de movimiento requerida y las variaciones permitidas en (+/-  %) de la velocidad constante requerida (m/s, rad/s) durante el movimiento.
• Rigidez : Indica la resistencia al cambio de posición en respuesta a una carga externa (N/µm, N·m/rad).
• Vida útil: indica el tiempo esperado (horas) o el recorrido (km) durante el cual se espera que el grado de libertad más activo del sistema actúe de manera confiable en el funcionamiento del proceso.
• Fiabilidad: tiempo medio entre fallos (horas, ciclos) a menudo asociado con un requisito para un análisis de modos de fallo, efectos y diagnóstico.
• Mantenibilidad: tiempo medio de reparación (en horas), a menudo asociado con los manuales del sistema, que incluyen el funcionamiento, el programa de mantenimiento y la lista de piezas de repuesto.
• Entorno: indica las condiciones de perturbación previstas que el sistema puede encontrar durante su funcionamiento a lo largo de su vida útil, incluyendo condiciones térmicas, de humedad, de impacto y vibración, de limpieza y de radiación.

• Térmico: Indica la temperatura máxima y mínima (°C) que el sistema puede soportar durante su funcionamiento. Afecta a las deformaciones estructurales y a la precisión. Puede requerir refrigeración, aislamiento y materiales de baja conductividad térmica.
• Humedad : Indica el nivel de vapor de agua en el aire circundante (%). Puede incluir la protección del sistema requerida según el código IP . Puede requerir sellos protectores.
• Choque (mecánica) y vibración: Indica el nivel de vibración del piso y otras perturbaciones del proceso. Puede requerir soportes de aislamiento de vibraciones activos o pasivos y material estructural con alta amortiguación. ^{[ 12 ]}
• Limpieza : Indica el nivel admisible (tamaño y cantidad por unidad de volumen) de partículas en el aire circundante. Puede requerir operación en sala limpia , filtración del aire de entrada y sellos protectores. ^{[ 13 ]}
• Radiación: la interferencia electromagnética puede requerir un sistema de gestión de cables blindado, materiales estructurales no ferrosos y blindajes protectores para las placas magnéticas del motor lineal.

La configuración de HPPS se optimiza normalmente para lograr la máxima rigidez estructural con la máxima amortiguación y la mínima inercia, el menor error de Abbe en el punto de interés (POI), con el mínimo de componentes y la máxima facilidad de mantenimiento.

• X - Una etapa lineal simple , accionada por un motor lineal , husillo de bolas o correa dentada , suele estar disponible como actuador estándar (también conocido como corredera, eje o mesa) de muchos proveedores. ^{[ 14 ]}
• XYZ: Un conjunto personalizado de etapas individuales, que incluye gestión de cables móviles . El eje Z se acciona normalmente con un husillo de bolas o un motor lineal con contrapeso . Los ejes pueden separarse para reducir la inercia.
• XYZR: Los ejes de rotación, incluidos el cabeceo, la guiñada y el balanceo, se suelen añadir en HPPS para orientar la herramienta del extremo del brazo (EOAT) o el efector final del robot .
• Pórtico: La configuración de pórtico proporciona el máximo espacio de trabajo en configuración XYZ según las limitaciones de tamaño dadas. Tiene 2 ejes paralelos para x, controlados como un solo eje o maestro/esclavo. Ideal para líneas de transferencia .
• Rotación (cabeceo, guiñada, balanceo): Las etapas rotativas se pueden personalizar con etapas lineales en distintos órdenes para adaptarse mejor a las especificaciones. Suelen utilizar un mecanismo de accionamiento directo , similar al de los motores lineales.
• Personalización: Es posible que se requieran configuraciones personalizadas de HPPS en el proceso de optimización matemática para integrar los mejores componentes del sistema en el sistema más compacto y con mayor capacidad de respuesta.

El análisis de sistemas es un proceso para comprender las relaciones entre los parámetros de diseño, las condiciones de operación, las variables ambientales y el rendimiento del sistema, basándose en herramientas de modelado y análisis de sistemas.

• Dinámica (mecánica) : Optimización del movimiento lineal y los perfiles de rotación , la precisión dinámica, las cargas de los cojinetes y la potencia del motor, utilizando herramientas de análisis como MATLAB , Simulink , Mathcad y Microsoft Excel.
• Análisis de vibraciones : Estimación de la frecuencia natural , el ancho de banda del servomotor y los tiempos de estabilización, utilizando herramientas de análisis como MATLAB , Simulink , Mathcad y Microsoft Excel.
• Exactitud y precisión : Estimación de errores estáticos 3D en el punto de interés en función de la rectitud, planitud, cabeceo, guiñada, balanceo, oscilación y desviaciones de los ejes utilizando herramientas de análisis como Mathcad y Microsoft Excel.
• Resistencia de materiales : Estimación de la rigidez de ejes, marcos, soportes y estructuras de montaje, utilizando herramientas del método de elementos finitos como AutoCAD y Nastran.
• Expansión térmica : predicción de expansiones térmicas y optimización de la transferencia de calor mediante aislamiento y refrigeración, utilizando herramientas de análisis como AutoCAD y Nastran.
• Dinámica de fluidos : Estimación de caudales y presiones de suministro para actuadores de fluidos y refrigeración mediante herramientas de análisis como la dinámica de fluidos computacional.
• Control servo : Estimación de los filtros y parámetros de ajuste necesarios para los lazos de control PID de los ejes del sistema utilizando herramientas de análisis como MATLAB y Simulink.
• Ingeniería de confiabilidad : Estimación del tiempo medio entre fallas del sistema utilizando herramientas de análisis como Mathcad y Microsoft Excel.

El dimensionamiento de componentes es el proceso de seleccionar piezas estándar de proveedores de componentes o diseñar una pieza personalizada para su fabricación.

• Estructura: Generalmente fabricada con tubos huecos soldados de aluminio o acero, posiblemente rellenos con hormigón compuesto para amortiguación. Montada sobre bases niveladoras y fijada al suelo, posiblemente con postes antisísmicos.
• Solenoide
  • Base deslizante: Las bases de alta precisión utilizan granito para garantizar planitud y estabilidad térmica. Las plataformas estándar de menor precisión utilizan aluminio extruido. Las plataformas personalizadas suelen utilizar aluminio acanalado o acero inoxidable mecanizado para lograr baja inercia y alta rigidez.
  • Rodamiento: Las opciones incluyen rodamientos de rodillos cruzados para recorridos relativamente cortos, rodamientos recirculantes para mayor rigidez y recorridos más largos, y rodamientos de aire con base de granito para una mayor suavidad de movimiento y mayor precisión.
  • Servomotor : Generalmente, se trata de un motor eléctrico lineal de CC sin escobillas para ejes horizontales, con corriente trifásica sincronizada en la bobina móvil y campo magnético en placas magnéticas fijas de baja reluctancia. Para ejes verticales, se puede utilizar un contrapeso. Las etapas rotativas emplean un motor de accionamiento directo similar, compuesto por dos partes: una armadura de bobina fija y un rotor magnético móvil.
  • Retroalimentación: codificador de alta resolución, óptico, magnético o capacitivo, analógico o digital, lineal o rotatorio, absoluto o incremental , con marca de índice para posicionamiento inicial. Interferometría láser para recorridos largos y precisión submicrométrica.
  • Las opciones de accionamiento incluyen husillo de bolas para alta fuerza, cremallera y piñón para recorridos largos y transmisión por correa dentada para alta velocidad. Sus limitaciones en sistemas HPPS son la fricción, la vibración, el juego, la menor rigidez y el mantenimiento.
• Gestión de cables: para la transmisión de energía y señal. El eslabón más débil de la cadena de fiabilidad del sistema. Un radio de curvatura menor para un perfil bajo aumenta la fatiga. Requiere un portacables o el uso de cable plano. Introduce fluctuaciones (jitter).
• Accesorios: topes rígidos, soportes de refuerzo, fuelles, amortiguadores , ventiladores de refrigeración por aire , limitadores, elementos flexibles, pinzas para efectores finales de robots , cámara de visión artificial y sensores para inteligencia artificial , aprendizaje automático y monitorización, como acelerómetros , sensores de temperatura y giroscopios .
• Servocontrolador : amplifica las señales de control de movimiento para accionar servomotores. Potencia que varía desde baja hasta decenas de kW. Por ejemplo, 40 kW para accionar un motor lineal de alta fuerza de 10 000 N que se mueve a 4 m/s. El voltaje de CC varía desde un rango seguro de 24 V/48 V hasta más de 400 V. Las altas frecuencias de actualización del bucle de corriente de las señales del motor son del orden de miles de Hz. La comunicación de red más común con el controlador de movimiento es a través de EtherCAT .
• Controlador PID de movimiento : las opciones incluyen control numérico computarizado (CNC), eje único, ejes múltiples, basado en PC, autónomo o integrado con servomotor y/o PLC, incluyendo E/S, autoajuste, diagnóstico y programación disponibles de múltiples proveedores. ^{[ 15 ]}
• Controlador lógico programable (PLC): capa superior en el sistema de control jerárquico para el control de la secuencia del proceso, proporcionado por muchos proveedores. ^{[ 16 ]}

Las pruebas del sistema son un proceso iterativo de desarrollo del sistema, destinado a validar el modelado del análisis del sistema, las pruebas de concepto, las especificaciones del factor de seguridad del rendimiento y las pruebas de aceptación.

• Desplazamiento, velocidad máxima, aceleración máxima, variación de la aceleración (jerk): datos que suelen proporcionarse en el controlador de movimiento.
• Precisión lineal, repetibilidad, planitud, rectitud, guiñada, cabeceo - Interferómetro láser . ^{[ 17 ]}
• Precisión angular, repetibilidad, desviación, oscilación - Autocolimador .
• Tiempo de ciclo, tiempo de estabilización, fluctuación, velocidad constante: datos que suelen proporcionarse en el controlador de movimiento.
• Estabilidad térmica: sensores de temperatura instalados en múltiples ubicaciones para observar la transferencia de calor.
• Inercia, rigidez: escalas, indicadores de cuadrante y medidores de fuerza .
• Frecuencia natural , ancho de banda del servo : comúnmente se proporciona con el controlador de movimiento que tiene herramientas de respuesta en frecuencia . ^{[ 18 ]}
• Tiempo medio entre fallos , prueba de vida útil: funcionamiento ininterrumpido durante un período especificado sin fallos en condiciones operativas extremas bajo monitorización continua con comprobaciones visuales y de sensores frecuentes. ^{[ 19 ]}