Dans les équipements de tri et d'emballage de semi-conducteurs à grande vitesse, l'indexation par tourelle doit atteindre deux objectifs simultanément : un temps de cycle court et une précision de positionnement répétable.
De nombreux ingénieurs supposent initialement que la clé d'un indexage de tourelle plus rapide réside simplement dans l'utilisation d'un moteur plus puissant. En pratique, cependant, les performances de l'ensemble du système de transmission sont souvent plus importantes que la seule puissance du moteur.
Un système d'entraînement de tourelle classique peut utiliser un servomoteur associé à un réducteur, un accouplement, une courroie ou d'autres composants de transmission mécanique. Ces composants peuvent engendrer du jeu, une déformation élastique, du frottement, une erreur de transmission et une inertie supplémentaire.
Un moteur à entraînement direct adopte une approche différente. En reliant directement le moteur à la tourelle, le système élimine le besoin d'un réducteur classique et réduit le nombre de composants de transmission mécanique entre le moteur et la charge rotative.
Associé à un codeur haute résolution et à un servomoteur haute performance, un moteur à entraînement direct pour l'indexage de tourelle permet une accélération et une décélération rapides, un positionnement précis et des temps de stabilisation courts.
Cela rend la technologie d'entraînement direct particulièrement intéressante pour les machines de tri de semi-conducteurs, les machines de collage de puces, les équipements d'inspection, les systèmes de test et autres applications d'automatisation à grande vitesse.
Un moteur à entraînement direct est un moteur conçu pour entraîner directement une charge rotative sans réducteur conventionnel.
Dans une application d'indexage de tourelle, le rotor du moteur est directement relié à la tourelle principale :
Servomoteur → Moteur à entraînement direct → Tourelle
Cela diffère d'une transmission conventionnelle :
Servomoteur → Réducteur → Accouplement → Tourelle
ou:
Servomoteur → Courroie → Poulie → Tourelle
En supprimant les composants de transmission intermédiaires, un système à entraînement direct crée un chemin mécanique plus court entre le moteur et la charge rotative.
Un système d'indexage à tourelle haute vitesse typique peut comprendre un moteur à entraînement direct, un codeur haute résolution, un servomoteur, un contrôleur de mouvement, une tourelle, un mécanisme d'axe Z et un système de vision ou d'inspection.
L'encodeur mesure en continu la position rotative, permettant au système servo de contrôler la position, la vitesse et l'accélération de la tourelle grâce à une boucle de rétroaction fermée.
Pour les applications rotatives, un moteur à entraînement direct peut également être décrit comme un moteur rotatif à entraînement direct ou un moteur à couple DD.

Le principal avantage d'un moteur à entraînement direct ne réside pas simplement dans sa puissance élevée.
L'avantage le plus important réside dans la réduction du nombre de composants de transmission mécanique entre le moteur et la charge.
Une transmission classique peut introduire :
Réaction négative du matériel
Conformité du couplage
Élasticité de la ceinture
Friction
Erreur de transmission
inertie de rotation supplémentaire
Ces effets deviennent particulièrement importants lorsqu'une tourelle accélère, décélère et change de direction de manière répétée.
Un moteur à entraînement direct élimine le besoin d'une boîte de vitesses conventionnelle ou d'une transmission par courroie, permettant au système servo de contrôler plus directement la charge rotative.
Cela peut contribuer à améliorer :
Vitesse d'indexation + répétabilité du positionnement + performances de stabilisation
en même temps.
Cependant, l'entraînement direct ne signifie pas que la machine est totalement exempte d'erreurs mécaniques. Le faux-rond des roulements, l'installation de l'encodeur, les déformations structurelles, la dilatation thermique et le réglage du servomoteur peuvent affecter les performances de positionnement finales.
Le débit de la tourelle n'est pas déterminé uniquement par la puissance du moteur.
Le cycle d'indexation réel dépend du système de mouvement complet, notamment :
inertie de la tourelle
Couple moteur
Accélération et décélération
Retour d'information de l'encodeur
Bande passante du servo
Profil de mouvement
rigidité mécanique
Temps de règlement
Mouvement de l'axe Z
Temps de test
Nombre de stations de tourelle
C’est pourquoi le choix d’un moteur à entraînement direct à couple élevé ne rend pas automatiquement une tourelle plus rapide.
Le cycle machine global peut être compris comme suit :
Indexation de la tourelle + Mouvement sur l'axe Z + Temps de traitement + Synchronisation
Par exemple, les systèmes de tri de semi-conducteurs à haute vitesse peuvent utiliser des cycles d'indexation très courts, de l'ordre de quelques dizaines de millisecondes. Le temps de cycle réel dépend de l'inertie de la tourelle, de l'angle d'indexation, du couple moteur, du réglage du servomoteur et du temps de stabilisation requis.
Par conséquent, le choix du moteur doit toujours se baser sur le profil de mouvement complet plutôt que sur la seule vitesse maximale ou le couple maximal du moteur.
L'indexation de la tourelle est un processus d'accélération et de décélération répété.
Le moteur doit accélérer la charge rotative, atteindre la position cible, puis décélérer suffisamment rapidement pour que l'opération suivante puisse commencer.
Le couple d'accélération requis peut être exprimé comme suit :
T = J × α
où T est le couple d'accélération, J est l'inertie de rotation et α est l'accélération angulaire.
La réduction de l'inertie de rotation inutile peut donc améliorer la réponse dynamique.
Un moteur à entraînement direct correctement sélectionné peut accélérer et décélérer la tourelle sans avoir recours à un réducteur mécanique.
Cependant, l'inertie du rotor du moteur ne représente qu'une partie du calcul global.
L'inertie de rotation complète doit inclure :
Moteur + Tourelle + Outillage + Pièce à usiner + Autres composants rotatifs
Le moteur à entraînement direct doit fournir un couple de pointe suffisant pour l'accélération requise tout en maintenant des performances thermiques acceptables lors d'un fonctionnement continu à cycle élevé.
Un système moteur-réducteur classique peut introduire du jeu, de la compliance et des erreurs de transmission entre le moteur et la tourelle.
Une architecture à entraînement direct simplifie le cheminement mécanique :
Moteur → Tourelle
Le servocontrôleur peut donc réguler la charge rotative sans étage de réduction conventionnel entre le moteur et la tourelle.
Cela peut s'avérer particulièrement avantageux pour l'indexation angulaire répétée.
Cependant, un moteur à entraînement direct ne garantit pas automatiquement une précision de positionnement parfaite.
Les performances finales du système dépendent de :
Précision de l'encodeur
Résolution de l'encodeur
faux-rond du roulement
rigidité de la tourelle
dilatation thermique
denture du moteur
vibrations mécaniques
Réglage du servo
Variation de charge
Étalonnage et cartographie
L'énoncé technique plus précis est donc :
Un moteur à entraînement direct élimine le jeu associé à la transmission par engrenages conventionnelle tout en réduisant les erreurs de transmission mécanique, mais la précision de positionnement finale dépend du système de mouvement complet.
Ces trois spécifications sont souvent confondues lors du choix d'un moteur à entraînement direct pour l'indexage de tourelle.
La résolution décrit le plus petit incrément angulaire qu'un codeur ou un système de mouvement peut distinguer.
Un codeur haute résolution permet une mesure plus précise de la position rotative, mais la résolution du codeur à elle seule ne détermine pas la précision du système.
La répétabilité décrit la constance avec laquelle la tourelle revient à la même position commandée lors de mouvements répétés.
Ceci est particulièrement important pour les équipements de tri et de test des semi-conducteurs, car la tourelle peut répéter le même mouvement d'indexation des milliers, voire des millions de fois.
La précision décrit la différence entre la position commandée et la position physique réelle.
Un système peut donc avoir une résolution d'encodeur extrêmement élevée, mais une précision absolue moindre en raison des tolérances mécaniques, des effets thermiques, du faux-rond des roulements ou des erreurs d'installation.
Pour les systèmes de tourelle de précision, la résolution, la répétabilité et l'exactitude doivent toujours être évaluées séparément.
Il n'existe pas de vitesse d'indexation maximale universelle pour un moteur à entraînement direct.
Les performances réalisables dépendent de :
Couple moteur
inertie de la tourelle
Angle d'indexation
Temps de cycle requis
Profil d'accélération
Temps de règlement
performances de l'encodeur
servomoteur
rigidité mécanique
Par exemple, un mouvement d'indexage de tourelle de 18° effectué en environ 20 ms nécessite un moteur et une conception mécanique très différents d'un mouvement de 30° effectué en 100 ms.
La méthode correcte consiste à calculer l'accélération et le couple requis à partir de :
Angle d'indexation + Temps de cycle + Inertie de rotation + Profil de mouvement
plutôt que de choisir un moteur à entraînement direct uniquement en fonction de son régime nominal.
Pour les équipements semi-conducteurs à grande vitesse, la réduction du temps de stabilisation peut être tout aussi importante que l'augmentation de la vitesse de rotation maximale.
La différence entre un moteur à entraînement direct et un entraînement par engrenages conventionnel devient particulièrement importante dans les applications d'indexage à cycle élevé.
Un moteur à entraînement direct n'est donc pas automatiquement la meilleure solution pour toutes les tourelles.
Une boîte de vitesses peut encore être utile lorsque l'application nécessite une multiplication importante du couple, présente une grande inertie de charge ou est soumise à des contraintes de coût strictes.
L'entraînement direct devient particulièrement intéressant lorsque la machine privilégie :
Indexation à grande vitesse + faible erreur de transmission + haute répétabilité + contrôle de mouvement flexible
Les mécanismes d'indexage à came restent une solution éprouvée pour les mouvements rotatifs répétitifs et sont largement utilisés dans l'automatisation industrielle.
Leur principal avantage réside dans leur simplicité mécanique et un profil de mouvement prédéfini.
Un moteur à entraînement direct adopte une approche de contrôle de mouvement programmable.
La manette peut régler :
Accélération
Ralentissement
Vitesse
Demeurer
Abruti
Angle d'index
Profil de mouvement
Cette flexibilité peut s'avérer précieuse lorsqu'une même machine doit gérer différents produits, configurations de station ou conditions de fonctionnement.
Le choix entre un moteur à entraînement direct et un indexage par came doit donc se fonder sur :
Débit + flexibilité + exigences de positionnement + maintenance + coût total de la machine
plutôt que de supposer qu'une technologie est toujours supérieure.
L'indexation à grande vitesse ne consiste pas simplement à atteindre la position cible le plus rapidement possible.
La tourelle doit également s'arrêter sans vibrations excessives.
Un changement soudain d'accélération peut générer une forte secousse et exciter des résonances mécaniques, augmentant ainsi le temps de stabilisation.
Un profil de mouvement en forme de S modifie progressivement l'accélération et peut contribuer à réduire les chocs et les vibrations mécaniques.
Ceci est particulièrement important lorsque la tourelle transporte :
Boîtiers de semi-conducteurs
Buses de prélèvement et de placement
dispositifs d'inspection
prises de test
Composants de vision
L'objectif est :
Avancer vite → S'arrêter en douceur → Se stabiliser rapidement
Un système de tourelle haute performance peut ainsi combiner un moteur à entraînement direct à faible inertie avec un codeur haute résolution, un réglage servo optimisé et une suppression des vibrations.
L'encodeur est l'un des composants les plus importants d'un système d'indexage à entraînement direct.
Comme il n'y a pas de réducteur classique entre le moteur et la charge, le retour d'information de l'encodeur peut être utilisé pour contrôler plus directement la position de rotation.
Selon l'application, une tourelle peut utiliser :
codeurs optiques
encodeurs magnétiques
Encodeurs absolus
Encodeurs incrémentaux
Balances rotatives haute résolution
Le choix de l'encodeur doit prendre en compte plus que la résolution en bits.
Les spécifications importantes comprennent :
Précision
Répétabilité
Taux de mise à jour
Intégrité du signal
stabilité thermique
Précision de l'installation
Pour les équipements semi-conducteurs, les cadences de cycle élevées et les exigences de positionnement au niveau du micron rendent l'intégration de l'encodeur et des mécanismes particulièrement importantes.
Une machine de tri de semi-conducteurs peut effectuer plusieurs opérations séquentielles :
Alimentation → Indexation → Alignement → Tests → Inspection → Tri → Fixation en bande
La tourelle ne peut pas simplement pivoter aussi vite que possible.
Son mouvement doit être synchronisé avec les autres axes de la machine et les stations de traitement.
Un système de tourelle à grande vitesse peut atteindre un cycle d'indexation court, mais le débit horaire global est déterminé par le cycle complet de la machine.
Par exemple:
UPH = Cycle de mouvement + Temps de traitement + Synchronisation + Utilisation de la machine
Par conséquent, un moteur à entraînement direct doit être évalué dans le cadre d'un système de production complet plutôt que comme un composant isolé.
Le moteur peut réduire les limitations liées à la transmission, mais le débit total dépend toujours du temps de test, du mouvement sur l'axe Z, du temps de manutention et de la synchronisation de la station.
Il s'agit d'un élément important à prendre en compte lors de la conception d'équipements pour semi-conducteurs.
Une tourelle peut atteindre une excellente répétabilité angulaire alors que la buse de prélèvement et de placement présente encore des erreurs de positionnement.
Le positionnement de la tourelle peut être affecté par :
Retour d'information de l'encodeur rotatif
Dérive de la tourelle
précision du relèvement
Déformation structurelle
Réglage du servo
Le positionnement de la buse peut également dépendre de :
Répétabilité de l'axe Z
installation de la buse
stabilité du vide
position de la pièce
Calibrage de la vision
Tolérances mécaniques
Par conséquent, la tourelle rotative et le mécanisme de prélèvement et de placement doivent être évalués et calibrés comme des systèmes de mouvement distincts.
Un moteur à entraînement direct haute performance peut améliorer les performances d'indexation de la tourelle, mais il ne peut pas garantir à lui seul la précision de placement finale au micron près de l'ensemble de la machine.
Lors du choix d'un moteur à entraînement direct, les ingénieurs doivent prendre en compte plus que le couple nominal.
Déterminer l'angle d'indexation et le temps de cycle requis.
Par exemple:
18° en 22 ms
est une exigence de mouvement très différente de :
30° en 100 ms.
L'accélération requise et le couple maximal peuvent donc être significativement différents.
Calculer la charge rotative totale :
Jtotal = Jmoteur + Jtourelle + Joutillage + Jpièce
Le moteur à entraînement direct doit fournir un couple d'accélération suffisant pour l'ensemble du système.
Le couple maximal détermine la capacité d'accélération dynamique.
Le couple continu détermine si le moteur peut maintenir le cycle de fonctionnement requis sans surcharge thermique excessive.
Sélectionnez l'encodeur en fonction de la répétabilité requise, de la précision absolue et de la bande passante de contrôle.
Un grand arbre creux peut simplifier :
câblage électrique
Tuyauterie pneumatique
Lignes d'aspiration
trajets optiques
fraisage laser
Cela peut s'avérer particulièrement utile dans les équipements compacts pour semi-conducteurs.
Le moteur à entraînement direct et le servomoteur doivent être évalués comme un seul système de mouvement.
Les facteurs importants comprennent :
Bande passante de la boucle de courant
Bande passante de la boucle de vitesse
taux de mise à jour de la boucle de position
Interface de l'encodeur
Suppression des vibrations
Filtres Notch
Contrôle par anticipation
génération de profils de mouvement
Un servomoteur peut annoncer une bande passante de boucle de vitesse de plusieurs kHz, mais il s'agit d'une spécification du servomoteur, et non d'une spécification inhérente à chaque moteur à entraînement direct.
L'indexation à grande vitesse peut générer des vibrations lorsque la structure mécanique ou le profil de mouvement excite une résonance.
Les méthodes d'ingénierie courantes comprennent :
Un moteur à entraînement direct à faible inertie correctement sélectionné peut réduire le couple nécessaire à une accélération et une décélération rapides.
Une tourelle rigide et une structure de montage adaptée permettent de réduire les déformations et les vibrations indésirables.
L'accélération en S réduit les à-coups et les chocs mécaniques.
Les gains des servomoteurs doivent trouver un équilibre entre vitesse de réponse et stabilité.
Les filtres coupe-bande peuvent supprimer les fréquences de résonance mécanique connues.
La commande par anticipation permet de réduire l'erreur de suivi lors de mouvements rapides.
Un retour d'information précis sur la position permet au servocontrôleur de corriger en permanence les écarts de position.
Les performances vibratoires finales dépendent donc de :
Moteur à entraînement direct + Encodeur + Structure mécanique + Servomoteur + Algorithme de mouvement
Les moteurs à entraînement direct peuvent être utilisés dans une large gamme d'applications dans le domaine des semi-conducteurs et de l'automatisation de précision.
La tourelle principale fait pivoter les paquets de semi-conducteurs entre les stations d'alimentation, de test, d'inspection et de tri.
Un moteur à entraînement direct peut assurer un indexage rapide tout en maintenant un positionnement angulaire répétable.
Les moteurs à entraînement direct et les moteurs à couple peuvent actionner des mécanismes rotatifs utilisés pour transférer ou positionner des puces semi-conductrices.
Le positionnement rotatif haute résolution peut être utilisé pour l'inspection optique, la mesure dimensionnelle et les tests multi-stations.
L'indexage rotatif de précision permet de positionner de petits dispositifs de manière répétée lors de tests automatisés.
Les moteurs à entraînement direct peuvent assurer un indexage programmable pour la manutention de composants électroniques à cycle élevé.
Un couple de pointe élevé ne garantit pas une rotation de la tourelle plus rapide.
Il convient de considérer en premier lieu l'inertie complète du système et l'accélération requise.
Un codeur haute résolution améliore la capacité de mesure, mais il n'élimine pas automatiquement les erreurs mécaniques.
La résolution, la répétabilité et la précision doivent être évaluées séparément.
Le fait que la tourelle atteigne la position commandée ne signifie pas nécessairement que la tourelle est prête pour la prochaine étape.
Pour les équipements à haut débit :
Temps de déménagement + Temps d'installation
est plus significatif que le simple fait de déménager.
L'indexation continue à haute fréquence génère de la chaleur à la fois dans le moteur et dans la structure mécanique environnante.
La dilatation thermique peut affecter la précision du positionnement lors de longs cycles de production.
La tourelle ne représente qu'une partie de l'équipement.
L'UPH globale dépend de la synchronisation de :
Tourelle + Axe Z + Tests + Vision + Alimentation + Tri + Ruban adhésif
L'optimisation d'un seul axe n'augmente pas nécessairement le débit total de la machine.
Pas nécessairement pour toutes les applications.
Un moteur à entraînement direct est particulièrement intéressant lorsque le système requiert un indexage à grande vitesse, une faible erreur de transmission, une répétabilité élevée et une maintenance mécanique réduite.
Une boîte de vitesses peut encore être préférable lorsque la multiplication du couple mécanique, le coût ou un profil de charge particulier sont plus importants.
Un moteur à entraînement direct ne nécessite ni boîte de vitesses conventionnelle ni transmission par courroie, évitant ainsi le jeu associé à ces composants de transmission.
Cependant, le système complet peut toujours présenter des erreurs mécaniques dues aux roulements, à des déformations structurelles, à l'installation de l'encodeur et à d'autres facteurs.
Par conséquent, l’expression « absence de jeu dans la boîte de vitesses » est plus précise que d’affirmer que la machine entière ne présente aucune erreur mécanique.
Une seconde d'arc équivaut à :
1/3600 degré ≈ 4,848 μrad
Pour une tourelle de 200 mm de diamètre, le rayon est de 100 mm. À ce rayon, 1 seconde d'arc correspond approximativement à :
0,485 μm
de déplacement circonférentiel.
Ceci illustre pourquoi un positionnement rotatif à la seconde d'arc près représente une exigence de haute précision.
Un moteur à entraînement direct est conçu pour entraîner directement la charge, un réducteur classique n'est donc pas nécessaire.
Cependant, le moteur doit être correctement dimensionné en fonction du couple, de la vitesse et de l'inertie de charge requis.
Les méthodes typiques comprennent la sélection d'un moteur à faible inertie, une conception mécanique rigide, des profils de mouvement en S, des gains de servo optimisés, des filtres coupe-bande, une compensation par anticipation et des algorithmes de suppression des vibrations.
L'indexage de la tourelle est un cycle de mouvement important dans une machine de tri à grande vitesse, mais le débit UPH est déterminé par le cycle complet de la machine.
Le temps d'indexation, le mouvement de l'axe Z, les tests, l'inspection, l'alimentation, le tri et les autres temps de processus doivent être synchronisés pour atteindre le débit cible.
À mesure que les boîtiers de semi-conducteurs deviennent plus petits et que les équipements automatisés évoluent vers des cadences UPH plus élevées, les systèmes de mouvement de tourelle devront combiner vitesse, répétabilité, stabilité thermique et contrôle de mouvement flexible.
La prochaine génération de systèmes de tourelles combinera probablement :
Moteurs à entraînement direct
Encodeurs absolus haute résolution
servomoteurs à large bande passante
Suppression avancée des vibrations
Optimisation du profil de mouvement
Calibrage et cartographie en ligne
Commande de mouvement intégrée au niveau de la machine
L'objectif n'est pas simplement d'accélérer la rotation de la tourelle.
Le véritable objectif de l'ingénierie est :
Temps d'indexation plus court + temps de stabilisation plus court + positionnement stable + débit machine accru
C’est pourquoi les moteurs à entraînement direct et les moteurs à couple DD deviennent de plus en plus attrayants pour les machines de tri de semi-conducteurs, les équipements de collage de puces, les systèmes d’inspection et autres applications d’indexation à grande vitesse.
Pour les fabricants d'équipements qui évaluent un moteur à entraînement direct pour l'indexage de tourelle, l'étape la plus importante consiste à dimensionner le moteur en fonction du profil de mouvement complet plutôt que de le sélectionner uniquement en fonction du couple maximal ou de la vitesse maximale.
Un système moteur à entraînement direct, encodeur et servo correctement adapté peut réduire les étapes de transmission mécanique inutiles et fournir une base solide pour un mouvement de tourelle rapide, précis et flexible.
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