Le mouvement droit et précis est loin d'être facile.

Le mouvement droit et précis est loin d'être facile, et les dispositifs de positionnement linéaires le prouvent en se trompant non pas en un, mais trois dimensions

Juste au moment où vous pensiez que vous aviez le concept de «mouvement linéaire» cloué - a frappé les points requis sur le tout droit et que vous êtes à la maison - les cinq degrés de liberté restants pour écraser la fête. Dans une perspective grossière, c'est vrai, un chariot linéaire se traduit principalement le long d'un axe (appelez-le l'axe x), mais toutes les pièces d'ingénierie ont des imperfections, et avec notre besoin toujours croissant de précision et de précision, notre attention aux détails doit également progresser en conséquence.

Pour décrire soigneusement la précision du système, nous devons donc tenir compte des six degrés de liberté, il s'agit de traduction dans les axes x, y et z, et rotation à peu près la même chose.

Préoccupations de placement

Pour commencer, établissons une définition claire des paramètres de positionnement clés. Même si la plupart des ingénieurs connaissent la précision des termes, la répétabilité et la résolution, ils sont généralement mal utilisés dans la pratique. La précision est la plus difficile des trois à réaliser, suivie d'une répétabilité et, enfin, de la résolution. La précision explique à quel point un système en mouvement s'approche d'une position de commande, une position exacte se trouvant dans l'espace théorique XYZ.

La répétabilité ou la précision, en revanche, fait référence à l'erreur entre les tentatives successives de se déplacer vers le même emplacement à partir de directions aléatoires. Un système linéaire parfaitement reproductible peut être très inexact - il peut être capable d'atteindre continuellement le même emplacement, qui se trouve être loin de ce qui est commandé. À titre d'exemple, une vis de plomb avec un écrou de suiveur fortement préchargé, mais avec une erreur importante ou une erreur de «plomb», pourrait avoir une bonne répétabilité avec une mauvaise précision. La précharge maintient l'écrou rigide dans sa position axiale, réduisant ou éliminant les réactions et assurant la déplacement de l'écrou et de la charge régulièrement en fonction de la rotation de l'arbre à vis. Mais l'erreur de hauteur jette la relation de rotation-traduction prévue hors de Kilter, donc le système est inexact.

La résolution est le plus petit incrément de déplacement qui peut être réalisé. Si, par exemple, la position de commande se trouve à 2 μm de distance mais que la résolution du système est de 4 μm, la précision ne peut pas être meilleure que 2 μm. Dans ces circonstances, le système n'a plus la résolution pour s'installer sur la position souhaitée.

Pour qu'un système soit précis, tous ses composants doivent être précis, reproductibles et offrir une résolution suffisante. Bien qu'un système puisse fournir une bonne précision de «plomb» mais une mauvaise répétabilité (c'est-à-dire que le système forme une diffusion aléatoire sur le point de commande), la précision globale du système ne peut pas être meilleure que sa répétabilité.

Mesures guidées

Les dispositifs de mouvement linéaires se composent de deux composants essentiels, d'un guide linéaire et d'un appareil pour produire une poussée. Le guide est responsable de la restriction du mouvement dans 5 des 6 degrés de liberté disponibles dans des espaces tridimensionnels. Le guide idéal ne permet aucune traduction dans les axes Y et Z et aucune rotation sur aucun des axes. Le dispositif de poussée (généralement une vis de plomb ou de balle) est, bien sûr, ce qui devrait produire un mouvement uniquement dans l'axe sans restriction. Il est pratique d'évaluer la précision de ces deux composants séparément, puis de combiner les résultats pour déterminer la précision globale.

Regardons d'abord le guide. Un guide linéaire peut souffrir de plusieurs sources d'erreur: courbure de haut en bas ou côte à côte - en d'autres termes, les écarts de planéité et de rectitude; Roueur vertical; et les discontinuités entre le guide et le suiveur.

La planéité et la rectitude sont les préoccupations les plus courantes, car elles sont généralement les plus grandes en amplitude. Un guide parfaitement fabriqué se déplace le long d'un plan parallèle au plan XY et, en outre, le long d'une ligne parallèle à l'axe x. L'erreur de planéité est essentiellement un écart par rapport au plan XY. Il peut englober la courbure simple dans une ou deux directions. L'erreur de planéité crée toujours une traduction dans l'axe z (vertical). Selon l'orientation de la courbure, il peut provoquer une rotation de pas autour de l'axe Y, un rouleau autour de l'axe x (le cas avec une chaîne bidimensionnelle), ou les deux. Warp peut également générer une légère traduction dans l'axe Y, perpendiculaire au mouvement souhaité.

L'erreur de rectitude entraîne la ligne de voyage du chariot en laissant le parallèle avec l'axe x, se courbant dans la direction ± y. Outre le déplacement dans l'axe Y, il induira une rotation de lacet autour de l'axe z.

Le runout vertical est un changement systématique de la hauteur du guide linéaire lorsqu'il se traduit. Cela peut être dû à des inexactitudes dans la fabrication des surfaces de roulement, créant une traduction dans l'axe Z. La plupart des fabricants de guides répertorient la planéité ou le randonnée verticale, ainsi que la rectitude. Il est possible pour un guide linéaire d'induire une traduction instantanée Y ou Z sans rotation, mais l'ampleur de celles-ci est généralement faible. Le suiveur de guide linéaire a tendance à distribuer les imperfections sur sa longueur, supprimant les décalages soudains transversaux au mouvement souhaité.

L'effet de la rotation sur la précision dépend de l'endroit où le point d'intérêt est relatif au dispositif de référence de position, qui est peut-être la vis de plomb elle-même ou une échelle linéaire utilisée pour la rétroaction. Dans les deux cas, l'emplacement de l'appareil forme la ligne de mesure, parallèle à la direction de mouvement souhaitée. Le point d'intérêt, cependant, qui est le point cible du système de mouvement linéaire, peut être décalé à partir de la ligne de mesure. Toute rotation provoquera donc différentes longueurs d'arc à chacun. Et, la distance de déplacement réelle variera de la distance enregistrée sur l'échelle en fonction de la quantité de rotation et du décalage. Plus le décalage est grand, plus les erreurs de traduction en raison de rotations - connues sous le nom d'erreur abbé. Avec la vis de plomb elle-même utilisée comme dispositif de référence, la ligne de mesure est sur le centre. Mais les encodeurs linéaires sont généralement utilisés et sont montés sur le côté. Cela pourrait aggraver ou améliorer les conditions d'erreur abbé, en fonction de l'emplacement du point d'intérêt (il n'est pas toujours aligné sur le chariot et la vis de plomb).

En revanche, les erreurs de traduction pure dans les axes Y et Z dues aux discontinuités et au ruissellement vertical restent constants quel que soit le point d'intérêt. Les erreurs des rotations peuvent être beaucoup plus trompeuses. Il est généralement plus facile et plus rentable de minimiser le décalage que de construire un système de positionnement avec des guides plus précis.

Erreur de conduite

La poussée peut être produite à bien des égards. Les dispositifs de haute précision courants sont les vis de plomb, les vis à billes et les moteurs linéaires. Les vis de plomb et les vis à billes créent un type spécifique d'erreur intrinsèque à leur nature. Au fur et à mesure que la vis tourne, le suiveur se déplace sur un chemin hélicoïdal convertissant le mouvement rotatif en linéaire. Étant donné que l'angle de l'hélice n'est jamais parfait, il faut s'attendre à un sous-voyage. Cela peut être cyclique (connu sous le nom d'erreur 2π) ou systématique (mesuré par erreur moyenne par 300 mm de voyage). Il peut également y avoir des fréquences intermédiaires d'oscillation ou de variation de voyage. L'erreur moyenne peut être facilement supprimée avec la compensation du contrôleur. Les erreurs intermédiaires et cycliques deviennent assez difficiles à supprimer. Une vis de sol de précision de la classe C3 aura une erreur moyenne ou systématique de 8 μm et une erreur 2π de 6 μm. Avec des vis de précision inférieure, l'erreur 2π n'est pas signalée car elle est insignifiante par rapport à l'erreur moyenne. Une erreur de «plomb» moyenne est répertoriée pour toutes les vis de plomb de classe de positionnement.

Une vis de plomb ou de bille peut être utilisée avec un encodeur linéaire afin de remettre la position réelle au contrôleur. Cela élimine le besoin d'une précision ultra-élevée dans le formulaire de filetage de la vis. Les capacités d'échelle et le réglage de la boucle de contrôle sont alors les facteurs limitants de la précision linéaire.

Les moteurs linéaires régulent le mouvement basé sur les commentaires d'un encodeur linéaire ou d'un autre dispositif de détection de ce type. La précision et la résolution de l'appareil de rétroaction limiteront la précision du système, tout comme le réglage du système, un joueur important dans n'importe quelle application de servo. Une bande morte est choisie pour le réglage, de sorte qu'une fois que la voiture atteint une position dans cette plage, elle cesse de chasser. Cela diminue le temps de décantation mais diminue également la répétabilité et la résolution de l'appareil. Néanmoins, car il n'y a pas d'éléments mécaniques intermédiaires pour introduire le contrecoup, la striction, la déviation, etc., les moteurs linéaires sont capables de dépasser la précision d'un système de plomb ou de vis à bille.

Somme des pièces

Pour déterminer la précision globale le long d'un axe d'erreurs de voyage, de guide et de dispositif de poussée doit être combinée. Les erreurs de rotation sont converties en translation au point d'intérêt. Cette erreur peut ensuite être combinée avec d'autres erreurs de translation dans la même direction.

L'erreur abbé est calculée en multipliant la tangente du changement d'angle total autour de l'axe de rotation par la distance de décalage. Pour chaque rotation, le décalage doit être pris dans le plan perpendiculaire à l'axe de rotation. La seule façon d'éliminer pratiquement l'erreur abbé est de positionner le dispositif de rétroaction au point d'intérêt.

Une fois que les erreurs de translation du guide sont calculées dans chaque direction, elles peuvent être combinées avec l'erreur du périphérique de poussée, ce qui contribue à l'erreur le long de l'axe x uniquement, et l'erreur système totale est quantifiée.

Si vous analysez un dispositif de mouvement linéaire à axe unique, vous pouvez simplement comparer les erreurs de translation pour chaque direction avec vos exigences de positionnement. Si un axe a une erreur inacceptable, vous pouvez aborder les composants d'erreur de cet axe un à la fois.

Si le système est multi-axe, avec plusieurs assemblages de mouvement linéaire, vous n'avez toujours qu'un seul point d'intérêt; C'est la même chose pour chaque axe. L'axe le plus éloigné du point d'intérêt aura le potentiel le plus élevé d'erreur abbé. Les erreurs de traduction de chaque étape peuvent être additionnées au point d'intérêt pour déterminer l'erreur totale du système. Cependant, l'orthogonalité entre les axes doit également être considérée maintenant. Cela produit une pure traduction. Dans le cas d'une étape XY, par exemple, un asymétrie de l'axe Y par rapport au X produira une traduction X supplémentaire à mesure que l'axe Y traverse. Cela peut être déterminé avec la trigonométrie ou en mesurant directement le décalage. N'oubliez pas que les rotations, les traductions sont indépendantes du décalage, la distance au point d'intérêt. Vous pouvez ajouter le décalage de l'orthogonalité directement à votre budget d'erreur global.

Enfin, gardez à l'esprit que le terme «précision» est utilisé assez librement et peut souvent être laissé ouvert à l'interprétation. Parfois, la spécification de précision citée représente uniquement la vis de positionnement. Ce type de représentation sommaire peut être trompeur. Par exemple, un concepteur pourrait penser à améliorer la précision du système en améliorant l'erreur de lead moyenne, lorsque le problème est réellement fondé sur l'erreur abbé. Pas l'approche optimale. Plusieurs fois, il existe une solution géométrique simple et économique, une fois la source d'erreur identifiée.