Gerade, genaue Bewegung ist alles andere als einfach.

Gerade, genaue Bewegung ist alles andere als einfach, und lineare Positionierungsgeräte beweisen dies, indem sie sich nicht in einem, sondern in drei Dimensionen irren

Gerade als Sie dachten, Sie hätten das Konzept „Linear Motion“ festgenagelt - drücken Sie die erforderlichen Punkte direkt und Sie sind zu Hause -, kommen die verbleibenden fünf Freiheitsgrade, um die Party zu stürzen. Aus einer groben Perspektive ist es wahr, ein linearer Wagen übersetzt sich hauptsächlich entlang einer Achse (nennen Sie es die X-Achse), aber alle technischen Teile haben Unvollkommenheiten, und mit unserem ständig steigenden Bedarf an Genauigkeit und Präzision muss unsere Liebe zum Detail auch Fortschritte machen entsprechend.

Um die Genauigkeit der Systemgenauigkeit gründlich zu beschreiben, müssen wir alle sechs Freiheitsgrade berücksichtigen, wobei diese Übersetzungen im X-, Y- und Z -Achsen und die Rotation um das gleiche sind.

Bedenken der Platzierung

Lassen Sie uns für den Anfang eine klare Definition der wichtigsten Positionierungsparameter festlegen. Obwohl die meisten Ingenieure mit den Begriffen Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Lösung vertraut sind, werden sie in der Praxis häufig missbraucht. Die Genauigkeit ist die schwierigste der drei zu erreichen, gefolgt von Wiederholbarkeit und schließlich auf Lösung. Die Genauigkeit erklärt, wie eng ein System in Bewegung einer Befehlsposition nähert, eine genaue Position im theoretischen XYZ -Raum.

Wiederholbarkeit oder Präzision hingegen bezieht sich auf den Fehler zwischen aufeinanderfolgenden Versuchen, sich von zufälligen Richtungen an denselben Ort zu bewegen. Ein perfekt wiederholbares lineares System kann sehr ungenau sein - es kann möglicherweise kontinuierlich denselben Ort erreichen, der sich weit von dem befindet, was befohlen wird. Beispielsweise könnte eine Bleischritt mit einer stark vorinstallierten Nachfolgermutter, aber mit einem signifikanten Tonhöhe oder einem „Lead“ -Fehler eine gute Wiederholbarkeit zusammen mit einer schlechten Genauigkeit aufweisen. Die Vorspannung hält die Mutter starr in ihrer axialen Position, verringert oder beseitigt die Gegenreaktionen und stellt sicher, dass die Nuss- und Lastreise durch die Drehung der Schraubenwelle konsistent ist. Der Tonhöhenfehler löst jedoch die beabsichtigte Drehung zu Translationsbeziehung von Kilter aus, sodass das System ungenau ist.

Die Auflösung ist das kleinste Bewegungsinkrement, das realisiert werden kann. Wenn zum Beispiel die Befehlsposition 2 μm entfernt ist, die Auflösung des Systems jedoch 4 μm beträgt, kann die Genauigkeit nicht besser als 2 μm sein. Unter diesen Umständen hat das System nicht die Lösung, die gewünschte Position genauer einzuziehen.

Damit ein System genau ist, müssen alle seine Komponenten genau, wiederholbar sein und eine ausreichende Auflösung bieten. Obwohl ein System eine gute „Lead“ -Naugenauigkeit bietet, aber eine schlechte Wiederholbarkeit (dh das System bildet zufällige Streuung über den Befehlspunkt), kann die Gesamtsystemgenauigkeit nicht besser sein als seine Wiederholbarkeit.

Geführte Maßnahmen

Lineare Bewegungsgeräte bestehen aus zwei wesentlichen Komponenten, einer linearen Anleitung und einem Gerät, um Schub zu erzeugen. Der Leitfaden ist für die Einschränkung der Bewegung in 5 der 6 Freiheitsgrade im dreidimensionalen Raum verantwortlich. Die ideale Anleitung ermöglicht keine Übersetzung in den Y- und Z -Achsen und keine Drehung um eine der Achsen. Es wird natürlich erwartet, dass die Schubvorrichtung (üblicherweise eine Blei- oder Kugelschraube) nur in der ungezügelten Achse Bewegung erzeugt. Es ist zweckmäßig, die Genauigkeit dieser beiden Komponenten getrennt zu bewerten und dann die Ergebnisse zu kombinieren, um die Gesamtgenauigkeit zu bestimmen.

Schauen wir uns zuerst auf den Leitfaden. Eine lineare Anleitung kann unter mehreren Fehlerquellen leiden: Krümmung nach oben und unten oder von Seite zu Seite - mit anderen Worten Abweichungen in Flachheit und Geradheit; vertikaler Runout; und Diskontinuitäten zwischen Führer und Anhänger.

Flachheit und Geradheit sind die häufigsten Anliegen, da sie im Allgemeinen am stärksten sind. Eine perfekt gemachte Führung fährt entlang einer Ebene parallel zur XY -Ebene und, außerdem entlang einer Linie parallel zur X -Achse. Flatness -Fehler ist im Wesentlichen Abweichung von der XY -Ebene. Es kann eine einfache Krümmung in eine oder zwei Richtungen umfassen. Flatness -Fehler erzeugt immer eine Übersetzung in der Z (vertikalen) Achse. Abhängig von der Ausrichtung der Krümmung kann es zu einer Pitch-Drehung um die y-Achse führen, um die x-Achse (der Fall mit zweidimensionalem Kett) oder beides rollen. Warp kann auch eine leichte Übersetzung in der Y -Achse erzeugen, senkrecht zur gewünschten Bewegung.

Geradness -Fehler führt dazu, dass die Fahrtlinie des Wagens die Parallele zur X -Achse verlässt und sich in die ± y -Richtung eindringt. Neben der Verschiebung in der Y -Achse wird eine Gierdrehung um die Zachse induziert.

Vertikaler Laufrout ist eine systematische Änderung der Höhe des linearen Leitfadens bei der Übersetzung. Dies kann auf Ungenauigkeiten bei der Herstellung der Lagerflächen zurückzuführen sein, wodurch die Übersetzung in der Z -Achse erzeugt wird. Die meisten Leitfadenhersteller leiten Flatness oder vertikale Runout zusammen mit Geradheit auf. Es ist eine lineare Führung möglich, um eine sofortige y- oder z -Translation ohne Drehung zu induzieren, aber die Größe davon ist normalerweise klein. Der Anhänger der linearen Führung verteilt die Unvollkommenheiten entlang seiner Länge und unterdrückt plötzliche Verschiebungen in die gewünschte Bewegung.

Der Effekt der Rotation auf die Genauigkeit hängt davon ab, wo sich der Interesse an Interesse relativ zum Positionsreferenzvorgang betrifft, was möglicherweise die Lead-Schraube selbst oder eine lineare Skala für Rückkopplungen ist. In beiden Fällen bildet der Ort des Geräts die Messlinie parallel zur gewünschten Bewegungsrichtung. Der interessierende Punkt, der der Zielpunkt des linearen Bewegungssystems ist, kann jedoch aus der Messlinie ausgeglichen werden. Jede Drehung verursacht daher bei jeder unterschiedlichen Lichtbogenlängen. Die tatsächliche Bewegungsentfernung variiert von der auf der Skala registrierten Entfernung entsprechend der Rotation und dem Offset. Je größer der Versatz ist, desto größer sind die Übersetzungsfehler aufgrund von Rotationen - als Abbé -Fehler bezeichnet. Mit der als Referenzvorrichtung verwendeten Bleischraube ist die Messlinie in der Mitte. Aber lineare Encoder werden normalerweise verwendet und zur Seite montiert. Dies könnte die Bedingungen für den Abbé -Fehler verschlechtern oder verbessern, abhängig vom Standort des Interesses (es ist nicht immer mit dem Wagen und der Bleischraube ausgerichtet).

Im Gegensatz dazu bleiben reine Translationsfehler in den Y- und Z -Achsen aufgrund von Diskontinuitäten und vertikalem Runout unabhängig vom Interesse konstant. Fehler durch Rotationen können weitaus täuschender sein. Es ist im Allgemeinen einfacher und kostengünstiger, den Offset zu minimieren, als ein Positionierungssystem mit genaueren Anleitungen zu erstellen.

Fahrfehler

Schub kann auf viele Arten produziert werden. Häufige hochpräzise Geräte sind Bleischristen, Kugelschrauben und lineare Motoren. Bleischristen und Kugelschrauben erzeugen eine bestimmte Art von Fehler, die in ihre Natur intrinsisch sind. Während sich die Schraube dreht, wandelt sich der Anhänger auf eine helikale Pfad, die die Drehbewegung in linear umwandelt. Da der Helixwinkel niemals perfekt ist, ist zu erwarten, dass unter- oder überaus bewegt wird. Dies kann zyklisch (als 2π -Fehler bezeichnet) oder systematisch (gemessen als durchschnittlicher Fehler pro 300 mm Reise) sein. Es kann auch Zwischenhäufigkeiten von Schwingung oder Reisevariation geben. Der durchschnittliche Fehler kann leicht mit der Controller -Kompensation entfernt werden. Die Zwischen- und zyklischen Fehler sind ziemlich schwer zu entfernen. Eine Präzisionsmasseschraube der Klasse C3 hat einen durchschnittlichen oder systematischen Fehler von 8 μm und einen 2π -Fehler von 6 μm. Bei Schrauben mit niedrigerer Präzision wird der 2π-Fehler nicht angegeben, da er in Bezug auf den durchschnittlichen Fehler unbedeutend ist. Der durchschnittliche „Lead“ -Fehler ist für alle Lead-Schrauben der Positionierungsklasse aufgeführt.

Eine Blei- oder Kugelschraube kann zusammen mit einem linearen Encoder verwendet werden, um die tatsächliche Position dem Controller zurückzugeben. Dadurch wird die Bedarf an ultral hoher Genauigkeit in der Gewindeform der Schraube entfernt. Skalierungsfunktionen und Steuerschleifenabstimmungen sind dann die begrenzenden Faktoren für die lineare Genauigkeit.

Lineare Motoren regulieren die Bewegung basierend auf Feedback aus einem linearen Encoder oder einer anderen solchen Erfassungsvorrichtung. Die Genauigkeit und Auflösung des Feedback -Geräts begrenzen die Systemgenauigkeit ebenso wie das Systemstimmen, ein wichtiger Spieler in jeder Servo -Anwendung. Eine tote Band wird zum Tuning ausgewählt, so dass der Wagen, sobald der Wagen eine Position in diesem Bereich erreicht, nicht mehr auf die Jagd hört. Dies verringert die Absetzzeit, verringert aber auch die Wiederholbarkeit und Auflösung des Geräts. Da es jedoch keine intermediären mechanischen Elemente gibt, um System -Rückschläge, Stripte, Ablenkung und dergleichen einzuführen, können lineare Motoren die Genauigkeit eines Blei- oder Kugelschraubensystems übertreffen.

Summe der Teile

Um die allgemeine Genauigkeit entlang einer Achse der Reise-, Führungs- und Schubgerätefehler zu bestimmen, müssen Fehler kombiniert werden. Rotationsfehler werden zu translationalem Interesse umgewandelt. Dieser Fehler kann dann mit anderen Translationsfehlern in die gleiche Richtung kombiniert werden.

Der Abbé -Fehler wird berechnet, indem die Tangente der Gesamtwinkeländerung um die Rotationsachse mit dem Offset -Abstand multipliziert wird. Für jede Rotation sollte der Versatz in der Ebene senkrecht zur Rotationsachse eingenommen werden. Der einzige Weg, um den Abbé -Fehler praktisch zu beseitigen, besteht darin, das Feedback -Gerät am Interesse zu positionieren.

Sobald die Translationsfehler der Führung in jeder Richtung berechnet wurden, können sie mit dem Fehler aus dem Schubgerät kombiniert werden, was nur entlang der X -Achse zum Fehler beiträgt und der Gesamtsystemfehler quantifiziert wird.

Wenn Sie ein lineares Ein-Achsen-Bewegungsgerät analysieren, können Sie lediglich Translationsfehler für jede Richtung mit Ihren Positionierungsanforderungen vergleichen. Wenn eine Achse inakzeptabler Fehler aufweist, können Sie die Fehlerkomponenten der Achse einzeln ansprechen.

Wenn das System mit mehreren linearen Bewegungsanordnungen eine Mehrachse ist, haben Sie immer noch nur einen Punkt von Interesse. Für jede Achse ist es dasselbe. Die am weitesten verbreitete Achse aus dem Punkt des Interesses hat das höchste Potenzial für Abbé -Fehler. Übersetzungsfehler aus jeder Stufe können am Interesse summiert werden, um den Gesamtsystemfehler zu bestimmen. Die Orthogonalität zwischen den Achsen muss jedoch auch in Betracht gezogen werden. Dies erzeugt eine reine Übersetzung. Im Fall einer XY -Stufe zum Beispiel erzeugt eine Schiefe der y -Achse in Bezug auf das X eine zusätzliche X -Translation, wenn die y -Achse durchquert. Dies kann mit Trigonometrie oder durch direkte Messung des Versatzes bestimmt werden. Denken Sie daran, im Gegensatz zu Rotationen sind Übersetzungen unabhängig vom Offset, der Abstand zum Interesse. Sie können den Orthogonalität Offset direkt zu Ihrem Gesamtfehlerbudget hinzufügen.

Beachten Sie schließlich, dass der Begriff „Genauigkeit“ ziemlich frei verwendet wird und oft für die Interpretation offen gelassen werden kann. Manchmal erklärt die zitierte Genauigkeitsspezifikation nur die Positionierungsschraube. Diese Art von skizzenhafter Darstellung kann irreführend sein. Zum Beispiel könnte ein Designer denken, die Systemgenauigkeit zu verbessern, indem ein durchschnittlicher Lead -Fehler verbessert wird, wenn das Problem tatsächlich auf Abbé -Fehler beruht. Nicht der optimale Ansatz. Oft gibt es eine einfache und wirtschaftliche geometrische Lösung, sobald die Fehlerquelle identifiziert wurde.