Für Positionier- und Handlinganwendungen in der Halbleiterfertigung müssen industrielle Motion-Control-Lösungen viele Anforderungen erfüllen: Sie sollten robust und zuverlässig sein, ebenso unerlässlich sind Genauigkeiten bis in den Sub-Mikrometerbereich, eine exakte Reproduzierbarkeit der Positionen, hohe Dynamik und Durchsatzraten. Nicht zuletzt im Zusammenhang mit Industrie 4.0 spielen dann auch noch Sicherheit und einfache Vernetzungsmöglichkeiten eine wichtige Rolle. Diese Anforderungen lassen sich nur erfüllen, wenn Mechanik, Antriebstechnik und Ansteuerelektronik der Positioniersysteme perfekt aufeinander abgestimmt sind.
Präzise, mehrachsige Positionierlösungen, die in industrieller Umgebung arbeiten sollen, muss man als Gesamtsystem betrachten, denn ihre Leistungsfähigkeit hängt nicht nur von der Mechanik und der gewählten Antriebsart ab, sondern auch von deren Ansteuerung. Ein industriegerechter Motion Controller muss die einzelnen Achsen synchronisieren, mehrdimensionale Bewegungsprofile fahren, schnell auf sich verändernde Regelparameter reagieren und sich komfortabel in die übergeordnete Automatisierungsumgebung integrieren lassen.
Physik Instrumente (PI) hat daher die Mehrheitsanteile an ACS Motion Control übernommen, einem Entwickler und Hersteller modularer Motion Controller für mehrachsige und hochpräzise Antriebssysteme. Damit hat PI eine Voraussetzung geschaffen, maßgeschneiderte Komplettsysteme für industrielle Anwendungen mit sehr hohen Anforderungen an Präzision und Dynamik bedienen zu können. Die Positioniersysteme aus Karlsruhe haben sich bereits in vielen Anwendungen der Halbleiterindustrie, Elektronikfertigung, Montage, Bio- und Medizintechnik, im Digitaldruck sowie der Laserbearbeitung bewährt.
Die ASC Motion Controller Plattform arbeitet als Ethercat Master, der alle Knoten (Servocontroller-, I/O- und Sensormodule) im Ethercat Netzwerk koordiniert. Die Controller sind modular aufgebaut, skalierbar und kommunizieren mit der übergeordneten Maschinen- oder Anlagensteuerung über verschiedene Ethernet-Protokolle. Universelle Controller-Module (UCM) sind für die Servosteuerung verantwortlich. Alle Strom-, Geschwindigkeits- und Positionsschleifen werden mit einer Frequenz von 20 kHz unabhängig von der Anzahl der Achsen verarbeitet, was die Voraussetzung für eine hohe Synchronisation und Dynamik mit minimalen Fehlern ist.
Die Motion Controller optimieren das stabile Halten der Position ebenso wie die Step- und Settle-Zeiten durch leistungsfähige Regelalgorithmen, wie die ServoBoost-Funktion und das Profile Shaping, das beispielsweise Systemschwingungen zuverlässig unterdrückt. Spezielle patentierte Controller-Features ermöglichen eine dynamische Reichweite von über 100 000:1.
Dadurch werden Tracking-Fehler beim Wafer-Scannen auf Nanometer begrenzt und in der Messtechnik wird die Position im Subnanometerbereich gehalten. Dazu kommen umfangreiche Trigger-Funktionalitäten zum Beispiel für Laseranwendungen oder Inspektionsfunktionen. Eine integrierte 3D-Kompensation von Positionierfehlern sowie die Kompensation des Gierens bei Gantrylösungen ermöglichen außerdem die Realisierung von Anwendungen mit höchsten Genauigkeitsanforderungen.
Stabile und robuste Regelung mit hoher
Positioniergenauigkeit und kurzen Einschwingzeiten
Der Servoboost Algorithmus detektiert Störungen in Echtzeit, identifiziert die Ursache und minimiert den Effekt. Er erleichtert die Inbetriebnahme und die Optimierung der Performance bei wechselnden Lasten oder bei Wechselwirkungen mehrerer Achsen auf demselben Rahmen. Das Resultat ist eine sehr stabile und robuste Regelung mit hoher Positioniergenauigkeit und extrem kurzen Einschwingzeiten. In Kombination mit den Linear- und Rotationsachsen, Parallelkinematiken und Planarscannern sind diese Controller Teil einer kundenspezifisch auslegbaren Komplettlösung von PI.
Ein Beispiel dafür liefert ein luftgelagerter, zweiachsiger Lineartisch, der für die Wafer-Inspektion entwickelt wurde. Über einen Stellweg von bis zu 500 x 1000 mm arbeitet er mit einer Geradheit/Ebenheit von ±10 nm pro 10 mm Stellweg.. Zur exakten rechtwinkligen Ausrichtung regelt der Motion Controller das Gieren der Achsen über die X-Achse. Schwingungen werden über den Profile Shaping Algorithmus ebenfalls vom Controller aktiv gedämpft.
Der von magnetischen Direktantrieben bewegte, luftgelagerte Planartisch ist modular aufgebaut, das heißt die Hübe sind skalierbar und je nach erforderlicher Positioniergenauigkeit lassen sich unterschiedliche Encoder einbauen. Der Tisch trägt Lasten bis 24,5 kg. Dabei sorgt die verschleißfreie Luftlagerung nicht nur für extrem ebene Bewegungen, sondern auch für eine lange Lebensdauer. Über die Ethercat-Schnittstelle des Controllers lässt sich das Positioniersystem zudem einfach in die übergeordnete Steuerungsumgebung integrieren. ■
Die Autoren
Franz Oebels
Produktbereichsleiter Magnetische
Direktantriebe
Physik Instrumente (PI)
Ellen-Christine Reiff
Redaktionsbüro
Stutensee
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