Il movimento dritto e accurato è tutt'altro che facile.

Il movimento dritto e accurato è tutt'altro che facile e i dispositivi di posizionamento lineare lo dimostrano errosi in uno, ma tre dimensioni

Proprio quando pensavi di avere il concetto di "Motion Linear" inchiodato - colpisci i punti richiesti in recita e sei a casa - lungo arrivano i restanti cinque gradi di libertà di schiantarsi alla festa. Da una prospettiva grossolana, è vero, una carrozza lineare si traduce principalmente lungo un asse (chiamalo l'asse X), ma tutte le parti ingegnerizzate hanno imperfezioni e con la nostra sempre crescente necessità di precisione e precisione, la nostra attenzione ai dettagli deve anche progredire di conseguenza.

Per descrivere a fondo l'accuratezza del sistema, quindi, dobbiamo tenere conto di tutti e sei i gradi di libertà, questi sono traduzioni negli assi X, Y e Z e la rotazione circa lo stesso.

Preoccupazioni di collocamento

Per cominciare, stabiliremo una chiara definizione dei parametri di posizionamento chiave. Anche se la maggior parte degli ingegneri ha familiarità con i termini accuratezza, ripetibilità e risoluzione, sono comunemente abusi nella pratica. L'accuratezza è la più difficile dei tre da raggiungere, seguita dalla ripetibilità e, infine, dalla risoluzione. L'accuratezza spiega quanto da vicino un sistema in movimento si avvicina a una posizione di comando, una posizione esatta che si trova nello spazio teorico di XYZ.

La ripetibilità o la precisione, d'altra parte, si riferisce all'errore tra i successivi tentativi di spostarsi nella stessa posizione da direzioni casuali. Un sistema lineare perfettamente ripetibile può essere altamente inaccurato: potrebbe essere in grado di raggiungere continuamente la stessa posizione, che sembra essere ben lontano da ciò che è comandato. Ad esempio, una vite di piombo con un dado follower pesantemente precaricato, ma con un errore significativo o un errore di "piombo", potrebbe avere una buona ripetibilità insieme a scarsa precisione. Il precarico mantiene il dado rigido nella sua posizione assiale, riducendo o eliminando il contraccolpo e garantendo il dado e il carico di viaggio in modo coerente secondo la rotazione dell'albero della vite. Ma l'errore di pitch lancia la relazione di rotazione a traduzione prevista dal kilter, quindi il sistema è inaccurato.

La risoluzione è l'incremento della mossa più piccolo che può essere realizzato. Se, ad esempio, la posizione di comando si trova a 2 μm di distanza ma la risoluzione del sistema è di 4 μm, l'accuratezza non può essere migliore di 2 μm. In queste circostanze, il sistema non ha la risoluzione di spostarsi più da vicino nella posizione desiderata.

Affinché un sistema sia accurato, tutti i suoi componenti devono essere accurati, ripetibili e offrire una risoluzione sufficiente. Sebbene un sistema possa fornire una buona precisione di "piombo" ma una scarsa ripetibilità (ovvero il sistema forma una dispersione casuale sul punto di comando) la precisione complessiva del sistema non può essere migliore della sua ripetibilità.

Misure guidate

I dispositivi di movimento lineari sono costituiti da due componenti essenziali, una guida lineare e un dispositivo per produrre spinta. La guida è responsabile della limitazione del movimento in 5 dei 6 gradi di libertà disponibili nello spazio tridimensionale. La guida ideale non consente alcuna traduzione negli assi Y e Z e nessuna rotazione su nessuno degli assi. Il dispositivo di spinta (comunemente una vite di piombo o a sfera) è, ovviamente, che si prevede di produrre un movimento solo nell'asse sfrenato. È conveniente valutare l'accuratezza di questi due componenti separatamente e quindi combinare i risultati per determinare l'accuratezza complessiva.

Diamo prima un'occhiata alla guida. Una guida lineare può soffrire di diverse fonti di errore: curvatura su e giù o da un lato all'altro - in altre parole deviazioni nella piattaforma e nella rettilinea; RUROUT verticale; e discontinuità tra guida e seguace.

Piateness e rettilineità sono le preoccupazioni più comuni, in quanto generalmente più grandi in grandezza. Una guida perfettamente fatta viaggia lungo un piano parallelo al piano XY e, inoltre, lungo una linea parallela all'asse X. L'errore di planarità è essenzialmente deviazione dal piano XY. Può comprendere una semplice curvatura in una o due direzioni. L'errore di planarità crea sempre la traduzione nell'asse Z (verticale). A seconda dell'orientamento della curvatura, può causare la rotazione del tono attorno all'asse Y, rotolare attorno all'asse X (il caso con ordito bidimensionale) o entrambi. L'ordito può anche generare una leggera traduzione nell'asse Y, perpendicolare al movimento desiderato.

L'errore di revisione si traduce nella linea di viaggio del carrello lasciando il parallelo con l'asse X, curvandosi nella direzione ± y. Oltre allo spostamento nell'asse Y, inducerà una rotazione di imbardata attorno all'asse z.

Il runout verticale è un cambiamento sistematico nell'altezza della guida lineare mentre si traduce. Ciò può essere dovuto a inesattezze nella produzione delle superfici dei cuscinetti, creando traduzione nell'asse Z. La maggior parte dei produttori di guida elenca la planarità o il runout verticale, insieme alla rettilinea. È possibile per una guida lineare per indurre una traduzione y o z istantanea senza rotazione, ma la grandezza di questi è generalmente piccola. Il follower della guida lineare tende a distribuire le imperfezioni lungo la sua lunghezza, sopprimendo i cambiamenti improvvisi trasversali al movimento desiderato.

L'effetto della rotazione sull'accuratezza dipende da dove il punto di interesse è relativo al dispositivo di riferimento di posizione, che è forse la vite di piombo stessa o una scala lineare utilizzata per il feedback. In entrambi i casi, la posizione del dispositivo forma la linea di misurazione, parallela alla direzione di spostamento desiderata. Il punto di interesse, tuttavia, che è il punto target del sistema di movimento lineare, può essere offset dalla linea di misurazione. Qualsiasi rotazione, quindi, causerà lunghezze di arco diverse a ciascuno. E, la distanza di mossa effettiva varierà dalla distanza registrata sulla scala in base alla quantità di rotazione e offset. Maggiore è l'offset, maggiori sono gli errori di traduzione dovuti a rotazioni, note come errore di Abbé. Con la stessa vite di piombo utilizzata come dispositivo di riferimento, la linea di misurazione è al centro. Ma gli encoder lineari vengono generalmente utilizzati e sono montati sul lato. Ciò potrebbe peggiorare o migliorare le condizioni per l'errore di Abbé, a seconda della posizione del punto di interesse (non è sempre allineato con il carrello e la vite di piombo).

Al contrario, gli errori di traduzione puri negli assi Y e Z a causa di discontinuità e runout verticale rimangono costanti indipendentemente dal punto di interesse. Gli errori dalle rotazioni possono essere molto più ingannevoli. È generalmente più facile e più economico ridurre al minimo l'offset che costruire un sistema di posizionamento con guide più precise.

Errore di guida

La spinta può essere prodotta in molti modi. I dispositivi comuni ad alta precisione sono viti di piombo, viti a sfera e motori lineari. Le viti di piombo e le viti a sfera creano un tipo specifico di errore intrinseco alla loro natura. Mentre la vite ruota, il seguace viaggia su un percorso elicoidale che converte il movimento rotante in lineare. Poiché l'angolo dell'elica non è mai perfetto, è prevedibile sotto-viaggio. Questo può essere ciclico (noto come errore 2π) o sistematico (misurato come errore medio per 300 mm di viaggio). Potrebbero esserci anche frequenze intermedie di oscillazione o variazione di viaggio. L'errore medio può essere facilmente rimosso con la compensazione del controller. Gli errori intermedi e ciclici diventano piuttosto difficili da rimuovere. Una vite di terra di precisione della classe C3 avrà un errore medio o sistematico di 8 μm e un errore di 2π di 6 μm. Con viti a basso cerimonia, l'errore 2π non viene riportato in quanto è insignificante in relazione all'errore medio. L'errore di "lead" medio è elencato per tutte le viti di piombo della classe di posizionamento.

Una vite di piombo o sfera può essere utilizzata insieme a un encoder lineare per alimentare la posizione effettiva al controller. Ciò elimina la necessità di una precisione ultra elevata nella forma della filettatura della vite. Le capacità di scala e la messa a punto del ciclo di controllo sono quindi i fattori limitanti per l'accuratezza lineare.

I motori lineari regolano il movimento in base al feedback di un encoder lineare o altro dispositivo di rilevamento. L'accuratezza e la risoluzione del dispositivo di feedback limiteranno l'accuratezza del sistema, così come la messa a punto del sistema, un lettore importante in qualsiasi applicazione del servo. Viene scelta una fascia morta per la messa a punto, in modo tale che una volta che il carrello raggiunge una posizione all'interno di questo intervallo, smette di caccia. Ciò riduce il tempo di assestamento ma diminuisce anche la ripetibilità e la risoluzione del dispositivo. Tuttavia, dal momento che non esistono elementi meccanici intermedi per introdurre backlash del sistema, stazione, deflessione e simili, i motori lineari sono in grado di superare l'accuratezza di un sistema di piombo o a vite a vite.

Somma delle parti

Per determinare l'accuratezza complessiva lungo un asse di errori di viaggio, guida e dispositivo di spinta devono essere combinati. Gli errori di rotazione vengono convertiti in traslazionali nel punto di interesse. Questo errore può quindi essere combinato con altri errori traslazionali nella stessa direzione.

L'errore di Abbé viene calcolato moltiplicando la tangente dell'angolo totale cambia attorno all'asse di rotazione per la distanza di offset. Per ogni rotazione, l'offset deve essere preso nel piano perpendicolare all'asse di rotazione. L'unico modo per eliminare virtualmente l'errore di Abbé è posizionare il dispositivo di feedback nel punto di interesse.

Una volta calcolati gli errori traslazionali della guida in ciascuna direzione, possono essere combinati con l'errore dal dispositivo di spinta, che contribuisce all'errore solo lungo l'asse X e l'errore totale del sistema viene quantificato.

Se stai analizzando un dispositivo di movimento lineare a singolo asse, puoi semplicemente confrontare gli errori traslazionali per ciascuna direzione con i requisiti di posizionamento. Se qualsiasi asse ha un errore inaccettabile, è possibile affrontare i componenti di errore di quell'asse uno alla volta.

Se il sistema è multi-asse, con diversi gruppi di movimento lineare, hai ancora solo un punto di interesse; È lo stesso per ogni asse. L'asse più lontano dal punto di interesse avrà il più alto potenziale per l'errore di Abbé. Gli errori di traduzione da ciascuna fase possono essere sommati nel punto di interesse per determinare l'errore totale del sistema. Tuttavia, anche l'ortogonalità tra gli assi deve essere considerata ora. Questo produce una pura traduzione. Nel caso di uno stadio XY, ad esempio, un'inclinazione dell'asse Y rispetto alla X produrrà una traduzione X aggiuntiva mentre l'asse Y attraversa. Questo può essere determinato con trigonometria o misurando direttamente l'offset. Ricorda, a differenza delle rotazioni, le traduzioni sono indipendenti dall'offset, dalla distanza dal punto di interesse. È possibile aggiungere l'offset di ortogonalità direttamente al budget di errore complessivo.

Infine, tieni presente che il termine "accuratezza" viene usato piuttosto liberamente e spesso può essere lasciato aperto per l'interpretazione. A volte la specifica di precisione citata rappresenta solo la vite di posizionamento. Questo tipo di rappresentazione abbozzata può essere fuorviante. Ad esempio, un designer potrebbe pensare di migliorare l'accuratezza del sistema migliorando l'errore di piombo medio, quando il problema è effettivamente fondato sull'errore di Abbé. Non l'approccio ottimale. Molte volte c'è una soluzione geometrica semplice ed economica, una volta identificata la fonte di errore.