モーション コントローラーがどれほど洗練されていても、設計が不十分な電気機械システムを克服することはできません。

モーション コントロール システムは、位置決め機構、モーター ドライブ エレクトロニクス、およびモーション コントローラーの 3 つの主要コンポーネントで構成されます。これらのコンポーネントはそれぞれ慎重に選択する必要がありますが、システムで最良の結果を得るには、最初に位置決めメカニズムを計画してください。機構が要件を満たすことができない場合、ドライブやモーション コントローラーではその差を補うことはできません。

モーション システムを設計する最初のステップは、プロセスを完全に説明して理解することです。この説明からコンポーネントのパフォーマンス パラメータのリストを作成します。このリストには、軸の数、各軸の移動長、動作の精度 (分解能、再現性、精度を含む)、可搬質量、ステージの物理サイズなどの一次パラメータが含まれます。それほど明白ではありませんが、同様に重要なパラメータには、環境上の制約や課題、ドライブの選択、複数方向での動作、多軸構成でのケーブル管理、寿命計画、統合の容易さなどがあります。これらのパラメータを簡単に確認すると、それらはすべて位置決めメカニズムに関連しているため、プロジェクトの成功にはこれらのコンポーネントの徹底的な評価が重要であることがわかります。

アプリケーションは、位置決めステージがリニアであるか、回転であるか、またはステージの組み合わせを多軸システムに組み込むかを定義します。非常に単純な単軸アプリケーションであっても、多くの考慮事項があります。ペイロードの重量やオフセット (重心) などの問題は動作要件に劇的な影響を与える可能性があるため、荷重はこのプロファイルの重要な側面です。標準および最大積載重量、ステージが移動する必要がある最大および最小距離、必要な移動速度、加速度を考慮してください。

ステージをより大きなシステムの不可欠な部分として考えることが重要です。たとえば、ステージの取り付け方法や取り付け構造は、ステージのパフォーマンスや仕様を満たす能力に劇的な影響を与えます。たとえば、サンプルがカメラの下で素早く前後に振動する高速検査アプリケーションでは、移動負荷の「ペイントシェイカー効果」に耐えられる構造にリニア位置決めステージを取り付ける必要があります。同様に、高精度の平面度を求めて選択されたロングトラベルリニアステージは、非平面に適合するステージによる歪みを避けるために、適切な平面に取り付ける必要があります。

ステージ仕様を定義する際には、システムの寿命要件も考慮してください。機械の耐用期間中に要件が変化すると、システムが位置決めステージの許容範囲を超えてしまい、機械の精度、生産性、信頼性が低下する可能性があります。他の可動コンポーネントと同様に、長期間使用すると位置決め機能が変化する可能性があります。ステージが、機械の予定された耐用年数にわたって動作要件を満たす定格であることを確認してください。

その他の影響には、システムのサイズや環境上の制約が含まれます。水平方向と垂直方向の両方のサイズ制約を考慮してください。システムの総設置面積に影響を与える可能性のある要因には、ドライブ機構が外部か内部か、ケーブル配線の管理方法などが含まれます。環境上の制約には、機械の可動部品が微粒子をほとんど発生させない必要があるクリーンルーム用途や、周囲の微粒子がステージ内で過剰な摩擦を引き起こし、信頼性や性能に影響を与える可能性がある汚れた環境などがあります。動作温度は、ステージのパフォーマンスに劇的な影響を与える可能性がある重要な環境問題です。わずか 2 ～ 3 度の温度変化でも、ステージの許容誤差を変えるほどの膨張を引き起こす可能性があります。

多くのアプリケーションでは、複数軸の動作が必要です。多軸システムでは、さまざまな方向に動作させるためにステージを積み重ねる必要があります。たとえば、シリコンウェーハ検査システムでは、線形検査を提供する必要がある場合があります。XそしてY回転だけでなく運動もシータ。このようなシステムでは、ジオメトリがシステムの残りの部分の公差にどのような影響を与えるかを考慮することが重要です。たとえば、2 つのステージを積み重ねると、最上部のステージが移動の終端でたわむ可能性があります。上部ステージのたわみは、下部ステージにかかるカンチレバーの荷重の関数です。このたわみを考慮するか、別の構成を検討する必要があります。ステージのメーカーは、積層ステージの仕様がアプリケーションの要件を満たしていることを確認する必要があります。

複数ステージのシステムでは、ケーブル管理が物流と信頼性の問題になる可能性があります。ケーブルは見落とされがちですが、システムの寿命、形状、パフォーマンスに影響を与える可能性があります。革新的なケーブル配線ソリューションについては、ステージ メーカーにお問い合わせください。これには、摩擦や抵抗を軽減するためにケーブルを内部に統合することや、柔軟性を高めるために外部ケーブル コネクタではなく単一の外部ケーブル インターフェイスを使用することが含まれる場合があります。

システム ドライブの決定は重要な要素です。最も一般的な 2 つの駆動タイプは、ボールねじ駆動とリニアモーター駆動です。ボールねじ駆動は安価で理解しやすいです。自然な減衰により制御が容易で、ブレーキを簡単に追加できます。一方、機械的摩擦により、一定の速度を維持することが困難になる場合があります。極端な温度や湿度などの条件下では、ボールねじのピッチが変化し、精度に影響を与える可能性があります。熱の影響が問題になる場合は、リニア エンコーダが必要になるか、リニア モーター ステージの方が適切な選択となる場合があります。

リニアモータードライブトレインは、磁気トラックとコイルアセンブリで構成されます。磁気トラックは通常固定されており、スチール基板上に取り付けられた一連の永久磁石で構成されます。コイル アセンブリにはすべての銅巻線が含まれており、通常はスライド ステージ キャリッジに取り付けられます。一部のリニア モーター ステージでは、ケーブル配線を簡素化する手段として、スライディング キャリッジ アセンブリに永久磁石を備えていますが、磁石の長さによってこれらのシステムの移動量が制限されます。

リニア モーター ドライブは通常、高速、等速、または長距離のアプリケーションにおける軽から中程度の負荷に最適です。リニアモータードライブは、移動距離が長くなってもたわまないため、ボールネジドライブトレインよりもはるかに長い移動能力を備えています。より優れた速度制御を提供できますが、可動コイルとリニア エンコーダ電子機器によりケーブル管理がより複雑になります。さらに、大型のリニアドライブは移動距離と磁石のサイズが大きくなるにつれて重くなり、高価になる可能性があります。

ドライブのタイプを選択する際の重要な考慮事項は、停止能力と取り付け方向です。リニアモータードライブは動力なしで自由に動きますが、ボールねじドライブには摩擦があり、動きを減衰します。これは、ドライブを垂直に取り付ける必要があるアプリケーションでは特に重要です。リニアモーターステージには事実上摩擦がないため、電力が失われるとキャリッジが自由落下します。さらに、常に重力に打ち勝つ必要があるため、モーターには大きな継続的な力が必要となります。リニアモーターは垂直方向に動作させると急速に過熱する可能性があり、カウンターバランスが必要になる場合があるため、ボールねじドライブは垂直方向の用途に適しています。

モーターの選択にはトレードオフが関係する場合もあります。一般的な回転モーターは最も安価なオプションですが、駆動システムのスペース要件が増大します。リニア モーターは場所をとりませんが、回転モーターよりも多くの磁石があり、リニア エンコーダーが必要なため、高価になります。ボールネジ駆動のステージではリニア エンコーダを使用できますが、モーターとボールネジのロータリー エンコーダでも同様に機能することが多く、コストも安くなります。ステッピング モーターまたはサーボモーターの使用に関連するトレードオフもあります。ステッパーは安価ですが、サーボモーターの方が高速性能が優れています。

ボールねじ駆動ステージのオプションとしてフレームレスモーターがあります。フレームレスモーターはステージに内蔵されている標準的なブラシレスモーターです。ローターの磁石はボールねじシャフトに直接接着されており、ステーターの巻線はステージの端に組み込まれています。この構成によりモーターカプラーが不要になり、数インチのスペースが節約されます。カプラーがないため、モーターとボールねじの接続のヒステリシスと巻き上げが減少し、性能が向上します。ステージのメーカーは、アプリケーションに最適なトータル ソリューションを定義するために、モーターとエンコーダに関する専門知識を提供する必要があります。

システム動作の機械的および電気的側面を十分に理解し、ステージを選択すると、制御システムの詳細を解決できます。すべてのドライブがコネクタ上でフィードバック情報を提供するわけではないという事実に特別な注意を払って、制御システムはドライブ電子機器と互換性がある必要があります。理想的には、コントローラーは追加のハードウェアを使用せずにトランスデューサーおよびアクチュエーターの信号に直接インターフェイスする必要があります。コントローラーは、システムの自然なデータ レート内で制御ループを閉じる、または必要に応じて複数の動作軸の動作を同時に調整するのに十分な性能も備えている必要があります。