직선적이고 정확한 움직임은 결코 쉽지 않습니다.

직선적이고 정확한 이동은 결코 쉬운 일이 아니며 선형 포지셔닝 장치는 1차원이 아닌 3차원의 오류를 통해 이를 증명합니다.

"선형 운동" 개념이 확정되었다고 생각한 바로 그 순간(직선로에서 필요한 지점에 도달하면 집에 도착합니다) 파티를 무너뜨릴 수 있는 나머지 5개의 자유도가 따라옵니다. 대략적인 관점에서 볼 때 선형 캐리지는 주로 하나의 축(X축이라고 함)을 따라 이동하지만 모든 엔지니어링 부품에는 불완전성이 있으며 정확성과 정밀도에 대한 요구가 점점 증가함에 따라 세부 사항에 대한 관심도 발전해야 합니다. 따라서.

시스템 정확도를 철저하게 설명하려면 6가지 자유도를 모두 고려해야 합니다. 이는 X, Y, Z 축의 변환과 동일한 회전입니다.

배치에 대한 우려

우선, 주요 위치 지정 매개변수에 대한 명확한 정의를 설정해 보겠습니다. 대부분의 엔지니어는 정확도, 반복성, 분해능이라는 용어에 익숙하지만 실제로는 오용되는 경우가 많습니다. 정확도는 세 가지 중 달성하기 가장 어려운 것이며, 그 다음은 반복성, 마지막으로 분해능입니다. 정확도는 동작 중인 시스템이 이론적 XYZ 공간에 있는 정확한 위치인 명령 위치에 얼마나 가깝게 접근하는지를 설명합니다.

반면, 반복성 또는 정밀도는 임의의 방향에서 동일한 위치로 이동하려는 연속적인 시도 간의 오류를 나타냅니다. 완벽하게 반복 가능한 선형 시스템은 매우 부정확할 수 있습니다. 즉, 명령된 위치에서 멀리 떨어진 동일한 위치를 지속적으로 달성할 수 있습니다. 예를 들어, 예압이 심한 팔로워 너트가 있지만 피치 또는 "리드" 오류가 심각한 리드 스크류는 정확도가 낮지만 반복성은 우수할 수 있습니다. 예압은 너트를 축 위치에서 견고하게 유지하여 백래시를 줄이거나 제거하고 나사 샤프트 회전에 따라 너트와 하중이 일관되게 이동하도록 보장합니다. 그러나 피치 오류로 인해 의도된 회전-이동 관계가 어긋나므로 시스템이 부정확합니다.

분해능은 실현할 수 있는 가장 작은 이동 증분입니다. 예를 들어, 명령 위치가 2μm 떨어져 있지만 시스템의 분해능이 4μm인 경우 정확도는 2μm보다 나을 수 없습니다. 이러한 상황에서 시스템은 원하는 위치로 더 가까이 이동할 수 없습니다.

시스템이 정확하려면 모든 구성 요소가 정확하고 반복 가능하며 충분한 분해능을 제공해야 합니다. 시스템이 우수한 "리드" 정확도를 제공하지만 반복성이 낮더라도(즉, 시스템이 명령 지점 주위에 무작위 분산을 형성함) 전체 시스템 정확도가 반복성보다 나을 수는 없습니다.

안내 조치

선형 운동 장치는 선형 가이드와 추력 생성 장치의 두 가지 필수 구성 요소로 구성됩니다. 가이드는 3차원 공간에서 사용할 수 있는 6개의 자유도 중 5개의 동작을 제한하는 역할을 합니다. 이상적인 가이드는 Y 및 Z 축의 변환을 허용하지 않으며 축에 대한 회전도 허용하지 않습니다. 물론 추력 장치(일반적으로 리드 또는 볼 나사)는 구속되지 않은 축에서만 동작을 생성할 것으로 예상됩니다. 이 두 구성 요소의 정확도를 개별적으로 평가한 다음 결과를 결합하여 전체 정확도를 결정하는 것이 편리합니다.

먼저 가이드를 살펴보겠습니다. 선형 가이드는 여러 가지 오류 원인으로 인해 어려움을 겪을 수 있습니다. 위아래 또는 좌우 곡률, 즉 평탄도 및 직진도의 편차; 수직 런아웃; 가이드와 팔로어 사이의 불연속성.

편평함과 직진도는 일반적으로 크기가 가장 크기 때문에 가장 일반적인 관심사입니다. 완벽하게 만들어진 가이드는 XY 평면과 평행한 평면을 따라 이동하고, 더 나아가 X축과 평행한 선을 따라 이동합니다. 평탄도 오류는 기본적으로 XY 평면과의 편차입니다. 이는 한 방향 또는 두 방향의 단순 곡률을 포함할 수 있습니다. 평탄도 오류는 항상 Z(수직) 축에서 변환을 생성합니다. 곡률 방향에 따라 Y축을 중심으로 한 피치 회전, X축을 기준으로 한 롤(2차원 뒤틀림의 경우) 또는 두 가지가 모두 발생할 수 있습니다. 워프는 원하는 모션에 수직인 Y축에서 약간의 변환을 생성할 수도 있습니다.

진직도 오류로 인해 캐리지의 이동 선이 X축과 평행을 벗어나 ±Y 방향으로 휘어집니다. Y축의 변위 외에도 Z축을 기준으로 요 회전이 발생합니다.

수직 런아웃은 선형 가이드가 이동하면서 높이가 체계적으로 변경되는 것입니다. 이는 베어링 표면 제조의 부정확성으로 인해 Z축 변환이 발생하기 때문일 수 있습니다. 대부분의 가이드 제조업체는 직진도와 함께 평탄도 또는 수직 런아웃을 나열합니다. 선형 가이드가 회전 없이 즉각적인 Y 또는 Z 변환을 유도하는 것이 가능하지만 이러한 크기는 일반적으로 작습니다. 선형 가이드 팔로워는 길이를 따라 결함을 분산시켜 원하는 동작을 가로지르는 갑작스러운 이동을 억제하는 경향이 있습니다.

회전이 정확도에 미치는 영향은 위치 참조 장치(리드 스크류 자체 또는 피드백에 사용되는 선형 눈금)를 기준으로 관심 지점이 어디에 있는지에 따라 달라집니다. 두 경우 모두 장치의 위치는 원하는 이동 방향과 평행한 측정선을 형성합니다. 그러나 선형 운동 시스템의 목표 지점인 관심 지점은 측정선에서 오프셋될 수 있습니다. 따라서 회전하면 각각 다른 호 길이가 발생합니다. 그리고 실제 이동 거리는 회전량과 오프셋에 따라 눈금에 등록된 거리와 달라집니다. 오프셋이 클수록 회전으로 인한 변환 오류(Abbé 오류라고 함)가 커집니다. 리드 스크류 자체를 기준 장치로 사용하면 측정 라인이 중앙에 있습니다. 그러나 리니어 엔코더가 일반적으로 사용되며 측면에 장착됩니다. 이는 관심 지점의 위치에 따라 Abbé 오류 조건을 악화시키거나 개선할 수 있습니다(항상 캐리지 및 리드 스크류와 정렬되지는 않음).

대조적으로, 불연속성 및 수직 런아웃으로 인한 Y 및 Z 축의 순수 변환 오류는 관심 지점에 관계없이 일정하게 유지됩니다. 회전으로 인한 오류는 훨씬 더 속일 수 있습니다. 일반적으로 보다 정확한 가이드를 사용하여 위치 지정 시스템을 구축하는 것보다 오프셋을 최소화하는 것이 더 쉽고 비용 효율적입니다.

운전 과실

추력은 다양한 방법으로 생성될 수 있습니다. 일반적인 고정밀 장치에는 리드 나사, 볼 나사 및 선형 모터가 있습니다. 리드 스크류와 볼 스크류는 그 특성상 특정 유형의 오류를 생성합니다. 나사가 회전하면 팔로워는 회전 운동을 선형 운동으로 변환하는 나선형 경로를 따라 이동합니다. 나선 각도는 결코 완벽하지 않기 때문에 과소 이동 또는 초과 이동이 예상됩니다. 이는 주기적(2π 오류로 알려짐)이거나 체계적(300mm 이동당 평균 오류로 측정)일 수 있습니다. 또한 진동이나 이동 변동의 중간 주파수가 있을 수도 있습니다. 평균 오차는 컨트롤러 보상을 통해 쉽게 제거할 수 있습니다. 중간 오류와 순환 오류는 제거하기가 상당히 어려워집니다. C3 등급의 정밀 연삭 나사는 평균 또는 체계적 오류가 8μm이고 2π 오류가 6μm입니다. 정밀도가 낮은 나사의 경우 2π 오류는 평균 오류에 비해 중요하지 않으므로 보고되지 않습니다. 모든 위치 결정 등급 리드 나사에 대한 평균 "리드" 오류가 나열되어 있습니다.

실제 위치를 컨트롤러에 다시 피드백하기 위해 리드 또는 볼 스크류를 리니어 엔코더와 함께 사용할 수 있습니다. 이로 인해 나사산 형태에서 초고정밀도가 필요하지 않습니다. 확장 기능과 제어 루프 튜닝은 선형 정확도를 제한하는 요소입니다.

선형 모터는 선형 인코더 또는 기타 감지 장치의 피드백을 기반으로 동작을 조절합니다. 피드백 장치의 정확성과 분해능은 모든 서보 애플리케이션에서 중요한 역할을 하는 시스템 튜닝과 마찬가지로 시스템 정확성을 제한합니다. 캐리지가 이 범위 내의 위치에 도달하면 헌팅을 중지하도록 튜닝을 위해 데드 밴드가 선택됩니다. 이는 정착 시간을 감소시키지만 장치의 반복성과 분해능도 감소시킵니다. 그럼에도 불구하고 시스템 백래시, 정지, 편향 등을 발생시키는 중간 기계 요소가 없기 때문에 선형 모터는 리드 또는 볼 스크류 구동 시스템의 정확도를 능가할 수 있습니다.

부품의 합

한 이동 축을 따라 전체 정확도를 결정하려면 가이드 및 추력 장치 오류를 결합해야 합니다. 회전 오류는 관심 지점에서 변환 오류로 변환됩니다. 이 오류는 같은 방향의 다른 변환 오류와 결합될 수 있습니다.

아베 오차는 회전축에 대한 전체 각도 변화의 탄젠트에 오프셋 거리를 곱하여 계산됩니다. 각 회전에 대해 오프셋은 회전축에 수직인 평면에서 이루어져야 합니다. Abbé 오류를 사실상 제거하는 유일한 방법은 피드백 장치를 관심 지점에 배치하는 것입니다.

가이드의 병진 오류가 각 방향에서 계산되면 X축을 따른 오류에만 기여하는 추력 장치의 오류와 결합될 수 있으며 전체 시스템 오류가 정량화됩니다.

단일 축 선형 모션 장치를 분석하는 경우 각 방향의 병진 오류를 위치 지정 요구 사항과 간단히 비교할 수 있습니다. 축에 허용할 수 없는 오류가 있는 경우 해당 축의 오류 구성 요소를 한 번에 하나씩 해결할 수 있습니다.

시스템이 여러 개의 선형 모션 어셈블리가 있는 다중 축인 경우에도 여전히 관심 지점은 하나뿐입니다. 각 축마다 동일합니다. 관심 지점에서 가장 먼 축은 Abbé 오류 가능성이 가장 높습니다. 각 단계의 번역 오류는 관심 지점에서 합산되어 전체 시스템 오류를 결정할 수 있습니다. 그러나 이제 축 간의 직교성도 고려해야 합니다. 이렇게 하면 순수한 번역이 생성됩니다. 예를 들어 XY 스테이지의 경우 X를 기준으로 Y축을 기울이면 Y축이 이동할 때 추가 X 변환이 생성됩니다. 이는 삼각법을 사용하거나 오프셋을 직접 측정하여 결정할 수 있습니다. 회전과 달리 변환은 관심 지점까지의 거리인 오프셋과 무관하다는 점을 기억하십시오. 전체 오류 예산에 직교성 오프셋을 직접 추가할 수 있습니다.

마지막으로, "정확성"이라는 용어는 자유롭게 사용되며 해석의 여지가 있는 경우가 많다는 점을 명심하세요. 때로는 인용된 정확도 사양이 위치 지정 나사만을 고려하는 경우도 있습니다. 이러한 유형의 대략적인 표현은 오해를 불러일으킬 수 있습니다. 예를 들어, 문제가 실제로 Abbé 오류에 근거한 경우 설계자는 평균 리드 오류를 개선하여 시스템 정확도를 향상시키려고 생각할 수 있습니다. 최적의 접근 방식은 아닙니다. 일단 오류 원인이 확인되면 간단하고 경제적인 기하학적 솔루션이 있는 경우가 많습니다.