Независимо от того, насколько сложен ваш контроллер движений, он не сможет преодолеть плохо спроектированную электромеханическую систему.

Системы управления движением состоят из трех основных компонентов: механизма позиционирования, электроники привода двигателя и контроллера движения. Каждый из этих компонентов следует тщательно выбирать, но для достижения наилучших результатов системы сначала спланируйте механизм позиционирования. Если механизм не соответствует требованиям, приводы и контроллер движения не смогут компенсировать разницу.

Первым шагом в проектировании любой системы движения является полное описание и понимание процесса. Составьте список параметров производительности компонента из этого описания. Этот список включает параметры первого порядка, такие как количество осей, длина перемещения каждой оси, точность движения (включая разрешение, повторяемость и точность), грузоподъемность и физический размер ступеней. Менее очевидные, но не менее важные параметры включают ограничения или проблемы окружающей среды, выбор привода, работу в нескольких ориентациях, прокладку кабелей в многоосных конфигурациях, планирование срока службы и простоту интеграции. Быстрый обзор этих параметров показывает, что все они связаны с механизмом позиционирования, и поэтому тщательная оценка этих компонентов имеет решающее значение для успеха проекта.

Приложение определит, является ли этап позиционирования линейным, поворотным или включает комбинацию этапов в многоосную систему. Даже в довольно простых одноосных приложениях необходимо учитывать множество факторов. Нагрузки являются жизненно важным аспектом этого профиля, поскольку такие проблемы, как вес полезной нагрузки и смещение (центра тяжести), могут существенно повлиять на требования к движению. Учитывайте типичный и максимальный вес груза, а также максимальное и минимальное расстояние, которое должна пройти платформа, требуемую скорость движения и ускорение.

Важно рассматривать сцену как неотъемлемую часть более широкой системы. Например, способ установки сцены и ее монтажная конструкция оказывают огромное влияние на производительность сцены и ее соответствие техническим требованиям. Например, в условиях высокоскоростного контроля, когда образцы быстро колеблются взад и вперед под камерой, столик с линейным позиционированием должен быть установлен на конструкции, способной выдерживать «эффект встряхивания краски» движущейся нагрузки. Аналогичным образом, линейный столик с большим ходом, выбранный с учетом высокой точности плоскостности, должен быть установлен на подходящей плоской поверхности, чтобы избежать искажений из-за того, что столик соответствует неплоской поверхности.

Также учитывайте требования к сроку службы системы при определении технических характеристик этапа. Если требования изменятся в течение срока службы машины, это может вывести систему за пределы допуска на этапе позиционирования и ухудшить точность, производительность и надежность машины. Как и в случае с любым движущимся компонентом, возможности позиционирования могут измениться при длительном использовании. Убедитесь, что платформа рассчитана на соответствие требованиям движения в течение предполагаемого срока службы машины.

Другие влияния включают размер и экологические ограничения системы. Учитывайте ограничения как по горизонтали, так и по вертикали. Факторы, которые могут повлиять на общую площадь системы, включают в себя то, является ли механика привода внешней или внутренней, а также способ управления кабелями. Экологические ограничения могут включать в себя применение в чистых помещениях, в которых движущиеся части машины должны генерировать мало твердых частиц, или в грязную среду, где частицы окружающей среды могут вызывать чрезмерное трение внутри сцены и влиять на надежность и производительность. Рабочая температура является ключевой проблемой окружающей среды, которая может существенно повлиять на производительность сцены. Изменение температуры всего на два или три градуса может вызвать достаточное расширение, чтобы изменить допуск ступени.

Многие приложения требуют многоосного движения. В многоосной системе ступени необходимо располагать друг над другом для движения в разных направлениях. Например, системе контроля кремниевых пластин может потребоваться обеспечить линейнуюXиYдвижение, а также вращательноетэта. В таких системах важно учитывать, как геометрия влияет на допуски в остальной части системы. Например, если две ступени расположены друг над другом, верхняя ступень может отклониться в конце своего хода. Отклонение верхней ступени зависит от консольной нагрузки на нижнюю ступень. Это отклонение необходимо принять во внимание или рассмотреть другую конфигурацию. Производитель ступеней должен гарантировать, что характеристики составных ступеней соответствуют требованиям применения.

В многоступенчатых системах прокладка кабелей может стать проблемой логистики и надежности. Кабели часто упускают из виду, но они могут повлиять на срок службы, геометрию и производительность системы. Обратитесь к производителю сцены за инновационными кабельными решениями. Они могут включать в себя внутреннюю интеграцию кабелей для уменьшения трения и сопротивления или использование единого внешнего кабельного интерфейса вместо внешних кабельных разъемов для большей гибкости.

Выбор системного диска является ключевым моментом. Двумя наиболее распространенными типами приводов являются шарико-винтовые передачи и линейные двигатели. Шарико-винтовые передачи недороги и просты в понимании. Благодаря естественному демпфированию ими легко управлять, и можно легко добавить тормоз. С другой стороны, механическое трение может затруднить поддержание постоянной скорости. В некоторых условиях, например при экстремальных температурах или влажности, шаг ШВП может измениться и повлиять на точность. Если тепловые эффекты являются проблемой, может потребоваться линейный энкодер или каскад с линейным двигателем может быть лучшим выбором.

Трансмиссии с линейным двигателем состоят из магнитной дорожки и катушки. Магнитная дорожка обычно является стационарной и состоит из ряда постоянных магнитов, установленных на стальной подложке. Катушка в сборе содержит все медные обмотки и обычно крепится к каретке подвижной ступени. Некоторые ступени линейных двигателей имеют постоянные магниты на узле скользящей каретки для упрощения прокладки кабелей, но длина магнитов ограничивает перемещение этих систем.

Приводы с линейным двигателем обычно лучше всего подходят для легких и умеренных нагрузок в высокоскоростных, постоянных скоростях или приложениях с большими перемещениями. Приводы с линейным двигателем имеют гораздо больший ход, чем шариковинтовые трансмиссии, поскольку они не провисают при увеличении длины хода. Они могут обеспечить лучший контроль скорости, но подвижная катушка и электроника линейного энкодера усложняют прокладку кабелей. Кроме того, большие линейные приводы тяжелее и могут стать дороже по мере увеличения длины хода и размера магнита.

Важным фактором при выборе типа привода является останавливающая способность и ориентация установки. Приводы с линейным двигателем двигаются свободно и без энергии, тогда как в приводах с шарико-винтовой парой имеется трение, амортизирующее движение. Это особенно важно в приложениях, где привод должен монтироваться вертикально. Поскольку ступень с линейным двигателем практически не имеет трения, потеря мощности приведет к свободному падению каретки. Кроме того, всегда необходимо преодолевать силу тяжести, что требует от двигателя больших постоянных усилий. Шарико-винтовые передачи больше подходят для вертикального применения, поскольку линейные двигатели могут быстро перегреваться при вертикальной работе или могут потребовать противовеса.

Выбор двигателя также может включать в себя компромиссы. Обычные роторные двигатели являются наименее дорогим вариантом, но они увеличивают требования к пространству для системы привода. Линейные двигатели занимают меньше места, но стоят дороже, поскольку имеют больше магнитов, чем роторный двигатель, и требуют линейного энкодера. В каскадах с шарико-винтовым приводом могут использоваться линейные энкодеры, но поворотные энкодеры на двигателе и шарико-винтовой передаче часто работают так же хорошо и стоят дешевле. Существуют также компромиссы, связанные с использованием шаговых двигателей или серводвигателей. Шаговые двигатели дешевле, но серводвигатели имеют лучшие высокоскоростные характеристики.

Вариант ступени с ШВП – безрамный двигатель. Безрамный двигатель — это стандартный бесщеточный двигатель, встроенный в сцену. Магниты ротора прикреплены непосредственно к валу ШВП, а обмотки статора встроены в конец ступени. В этой конфигурации отсутствует соединитель двигателя, что экономит несколько дюймов пространства. Отсутствие муфты уменьшает гистерезис и намотку соединения двигателя с шарико-винтовой парой, что повышает производительность. Производители сцен должны предоставить экспертные знания по двигателям и энкодерам, чтобы помочь определить лучшее комплексное решение для конкретного применения.

Как только механические и электрические аспекты движения системы будут хорошо поняты и выбраны этапы, можно будет решить детали системы управления. Система управления должна быть совместима с электроникой привода, при этом особое внимание следует обратить на тот факт, что не все приводы предоставляют информацию обратной связи на своих разъемах. В идеале контроллер должен напрямую взаимодействовать с сигналами преобразователя и исполнительного механизма без дополнительного оборудования. Контроллер также должен иметь достаточную производительность, чтобы замыкать контуры управления в пределах естественных скоростей передачи данных системы или одновременно координировать движение по нескольким осям движения по мере необходимости.