Прямое, точное движение – дело далеко не простое.

Прямое и точное движение далеко не простое, и устройства линейного позиционирования доказывают это, допуская ошибки не в одном, а в трех измерениях.

Как раз в тот момент, когда вы подумали, что концепция «линейного движения» у вас четко сформулирована — сразу же найдите необходимые точки, и вы дома, — появляются оставшиеся пять степеней свободы, чтобы сорвать вечеринку. С грубой точки зрения это правда, линейная каретка перемещается в основном вдоль одной оси (назовем ее осью X), но все инженерные детали имеют недостатки, и с нашей постоянно растущей потребностью в точности и аккуратности наше внимание к деталям также должно возрастать. соответственно.

Таким образом, чтобы полностью описать точность системы, мы должны учитывать все шесть степеней свободы, а именно перемещение по осям X, Y и Z и примерно одинаковое вращение.

Проблемы размещения

Для начала давайте четко определим ключевые параметры позиционирования. Несмотря на то, что большинству инженеров знакомы термины «точность», «повторяемость» и «разрешение», на практике они часто используются неправильно. Из трех показателей сложнее всего достичь точности, за ней следует повторяемость и, наконец, разрешающая способность. Точность объясняет, насколько близко движущаяся система приближается к командной позиции, точной позиции, лежащей в теоретическом пространстве XYZ.

С другой стороны, повторяемость или точность относится к ошибке между последовательными попытками перемещения в одно и то же место со случайных направлений. Идеально воспроизводимая линейная система может быть очень неточной – она может быть способна постоянно достигать одного и того же местоположения, которое оказывается далеко от заданного. Например, ходовой винт с сильно предварительно нагруженной гайкой следящего механизма, но со значительной погрешностью шага или «хода», может иметь хорошую повторяемость при плохой точности. Предварительная нагрузка удерживает гайку жесткой в ​​ее осевом положении, уменьшая или устраняя люфт и обеспечивая постоянное перемещение гайки и нагрузки в соответствии с вращением вала винта. Но ошибка высоты тона нарушает предполагаемое соотношение вращения и перемещения, поэтому система неточна.

Разрешение — это наименьший шаг перемещения, который можно реализовать. Если, например, позиция команды находится на расстоянии 2 мкм, а разрешение системы составляет 4 мкм, точность может быть не лучше 2 мкм. В таких обстоятельствах у системы нет возможности приблизиться к желаемой позиции ближе.

Чтобы система была точной, все ее компоненты должны быть точными, воспроизводимыми и обеспечивать достаточное разрешение. Хотя система может обеспечивать хорошую точность «упреждения», но плохую повторяемость (т. е. система формирует случайный разброс вокруг командной точки), общая точность системы не может быть лучше, чем ее повторяемость.

Руководящие меры

Устройства линейного перемещения состоят из двух основных компонентов: линейной направляющей и устройства для создания тяги. Направляющая отвечает за ограничение движения в 5 из 6 степеней свободы, доступных в трехмерном пространстве. Идеальная направляющая не допускает ни перемещения по осям Y и Z, ни вращения вокруг какой-либо из осей. Разумеется, предполагается, что толкающее устройство (обычно ходовой или шариковый винт) будет производить движение только по неограниченной оси. Удобно оценить точность этих двух компонентов по отдельности, а затем объединить результаты для определения общей точности.

Давайте сначала посмотрим на руководство. Линейная направляющая может страдать от нескольких источников ошибок: искривление вверх и вниз или из стороны в сторону – другими словами, отклонения от плоскостности и прямолинейности; вертикальное биение; и разрывы между руководителем и последователем.

Плоскостность и прямолинейность являются наиболее распространенными проблемами, поскольку они, как правило, имеют наибольшую величину. Идеально изготовленная направляющая движется по плоскости, параллельной плоскости XY и, кроме того, по линии, параллельной оси X. Ошибка плоскостности — это, по сути, отклонение от плоскости XY. Он может включать простую кривизну в одном или двух направлениях. Ошибка плоскостности всегда приводит к смещению по оси Z (вертикальной). В зависимости от ориентации кривизны это может привести к вращению по тангажу вокруг оси Y, крену вокруг оси X (в случае двумерной деформации) или к тому и другому. Деформация также может вызывать небольшое перемещение по оси Y, перпендикулярное желаемому движению.

Ошибка прямолинейности приводит к тому, что линия движения каретки выходит из параллельной оси X и изгибается в направлении ±Y. Помимо смещения по оси Y, это вызовет вращение вокруг оси Z.

Вертикальное биение — это систематическое изменение высоты линейной направляющей при ее перемещении. Это может быть связано с неточностями изготовления опорных поверхностей, создающими трансляцию по оси Z. Большинство производителей направляющих наряду с прямолинейностью указывают плоскостность или вертикальное биение. Линейная направляющая может вызвать мгновенное перемещение по оси Y или Z без вращения, но величина этого перемещения обычно невелика. Следящий элемент линейной направляющей стремится распределить дефекты по своей длине, подавляя внезапные смещения поперек желаемого движения.

Влияние вращения на точность зависит от того, где находится интересующая точка относительно устройства привязки положения, которым может быть сам ходовой винт или линейная шкала, используемая для обратной связи. В любом случае расположение устройства образует линию измерения, параллельную желаемому направлению движения. Однако точка интереса, которая является целевой точкой системы линейного движения, может быть смещена от линии измерения. Таким образом, любое вращение приведет к разной длине дуги на каждом из них. Фактическое расстояние перемещения будет отличаться от расстояния, зарегистрированного на шкале, в зависимости от величины вращения и смещения. Чем больше смещение, тем больше ошибок перевода из-за поворотов, известных как ошибка Аббе. Поскольку ходовой винт используется в качестве опорного устройства, линия измерения находится по центру. Но обычно используются линейные энкодеры, которые устанавливаются сбоку. Это может ухудшить или улучшить условия для ошибки Аббе, в зависимости от местоположения интересующей точки (она не всегда совмещена с кареткой и ходовым винтом).

Напротив, чистые ошибки перевода по осям Y и Z из-за разрывов и вертикального биения остаются постоянными независимо от точки интереса. Ошибки, вызванные вращением, могут быть гораздо более обманчивыми. Как правило, проще и экономичнее минимизировать смещение, чем создавать систему позиционирования с более точными направляющими.

Ошибка вождения

Тягу можно создать разными способами. Распространенными высокоточными устройствами являются ходовые винты, шарико-винтовые пары и линейные двигатели. Ходовые и шариковые винты создают особый тип ошибок, свойственный их природе. Когда винт вращается, толкатель движется по винтовой траектории, преобразуя вращательное движение в линейное. Поскольку угол спирали никогда не бывает идеальным, следует ожидать недостаточного или чрезмерного хода. Это может быть циклическим (так называемая ошибка 2π) или систематическим (измеряется как средняя ошибка на 300 мм хода). Могут также существовать промежуточные частоты колебаний или изменения хода. Средняя ошибка может быть легко устранена с помощью компенсации контроллера. Устранить промежуточные и циклические ошибки становится довольно сложно. Прецизионный шлифовальный винт класса C3 будет иметь среднюю или систематическую погрешность 8 мкм и погрешность 2π 6 мкм. При использовании винтов меньшей точности ошибка 2π не указывается, поскольку она незначительна по сравнению со средней ошибкой. Средняя погрешность шага указана для ходовых винтов всех классов позиционирования.

Ходовой или шариковый винт можно использовать вместе с линейным энкодером для передачи фактического положения обратно в контроллер. Это устраняет необходимость в сверхвысокой точности формы резьбы винта. Возможности масштабирования и настройка контура управления являются ограничивающими факторами для линейной точности.

Линейные двигатели регулируют движение на основе обратной связи от линейного энкодера или другого подобного сенсорного устройства. Точность и разрешение устройства обратной связи ограничивают точность системы, равно как и настройка системы, которая играет важную роль в любом сервоприводе. Для настройки выбирается мертвая зона, так что как только каретка достигает положения в этом диапазоне, она прекращает поиск. Это уменьшает время стабилизации, но также снижает повторяемость и разрешающую способность устройства. Тем не менее, поскольку в системе отсутствуют промежуточные механические элементы, вызывающие люфт, залипание, отклонение и т.п., линейные двигатели способны превосходить по точности системы с приводом от ходовой или шариковой винтовой пары.

Сумма частей

Для определения общей точности по одной оси перемещения необходимо объединить погрешности направляющих и упорных устройств. Вращательные ошибки преобразуются в поступательные в интересующей точке. Эта ошибка может затем сочетаться с другими ошибками перевода в том же направлении.

Ошибка Аббе рассчитывается путем умножения тангенса общего изменения угла вокруг оси вращения на расстояние смещения. Для каждого вращения смещение следует принимать в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Единственный способ практически исключить ошибку Аббе — расположить устройство обратной связи в интересующей точке.

После того, как поступательные ошибки направляющей рассчитаны в каждом направлении, их можно объединить с ошибкой толкающего устройства, которая вносит вклад только в ошибку по оси X, и количественно оценить общую ошибку системы.

Если вы анализируете одноосное устройство линейного перемещения, вы можете просто сравнить поступательные ошибки для каждого направления с вашими требованиями к позиционированию. Если какая-либо ось имеет недопустимую ошибку, вы можете устранить компоненты ошибки этой оси по одному.

Если система многоосная, с несколькими узлами линейного перемещения, у вас все равно будет только одна точка интереса; это одинаково для каждой оси. Самая дальняя ось от интересующей точки будет иметь наибольшую вероятность ошибки Аббе. Ошибки перевода на каждом этапе можно суммировать в интересующей точке, чтобы определить общую ошибку системы. Однако теперь необходимо также учитывать ортогональность между осями. Это производит чистый перевод. Например, в случае этапа XY перекос оси Y относительно X приведет к дополнительному перемещению X при перемещении оси Y. Это можно определить с помощью тригонометрии или путем непосредственного измерения смещения. Помните, что в отличие от вращения, перемещения не зависят от смещения, расстояния до интересующей точки. Вы можете добавить смещение ортогональности непосредственно к общему бюджету ошибок.

Наконец, имейте в виду, что термин «точность» используется довольно свободно и часто может оставаться открытым для интерпретации. Иногда указанные характеристики точности учитывают только позиционирующий винт. Такое схематичное представление может ввести в заблуждение. Например, проектировщик может подумать о повышении точности системы за счет уменьшения средней ошибки опережения, хотя на самом деле проблема связана с ошибкой Аббе. Не оптимальный подход. Во многих случаях существует простое и экономичное геометрическое решение, если определен источник ошибки.