Независимо от того, насколько продвинут ваш контроллер движения, он не сможет справиться с плохо спроектированной электромеханической системой.

Системы управления движением состоят из трёх основных компонентов: механизма позиционирования, электроники привода двигателя и контроллера движения. Каждый из этих компонентов следует тщательно выбирать, но для достижения наилучших результатов системы сначала следует спланировать механизм позиционирования. Если механизм не отвечает 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 компонентов на основе этого описания. Этот список включает такие параметры первого порядка, как количество осей, длина перемещения каждой оси, точность движения (включая разрешение, повторяемость и достоверность), грузоподъёмность и физические размеры ступеней. Менее очевидные, но не менее важные параметры включают ограничения или проблемы, связанные с окружающей средой, выбор привода, работу в нескольких ориентациях, управление кабелями в многоосных конфигурациях, планирование срока службы и простоту интеграции. Беглый обзор этих параметров показывает, что все они связаны с механизмом позиционирования, поэтому тщательная оценка этих компонентов критически важна для успеха проекта.

В заявке будет указано, будет ли ступень позиционирования линейной, поворотной или будет представлять собой комбинацию ступеней в многоосной системе. Даже в довольно простых одноосных приложениях необходимо учитывать множество факторов. Нагрузки являются важнейшим аспектом этого профиля, поскольку такие факторы, как вес полезной нагрузки и смещение (центр тяжести), могут существенно влиять на требования к движению. Необходимо учитывать типичные и максимальные веса нагрузки, а также максимальное и минимальное расстояние, которое должна пройти ступень, требуемые скорости перемещения и ускорение.

Важно рассматривать столик как неотъемлемую часть более крупной системы. Например, способ крепления столика и его конструкция существенно влияют на его производительность и соответствие спецификациям. Например, при высокоскоростном контроле, когда образцы быстро колеблются под камерой, столик с линейным позиционированием следует устанавливать на конструкции, способной выдерживать «эффект встряхивания краски» при перемещении груза. Аналогично, столик с линейным позиционированием и большим ходом, выбранный для обеспечения высокой точности плоскостности, должен быть установлен на достаточно ровной поверхности, чтобы избежать искажений, возникающих при соприкосновении столика с неровной поверхностью.

При определении характеристик платформы также учитывайте требования к сроку службы системы. Изменение требований в течение срока службы машины может привести к выходу системы за пределы допусков позиционирования платформы и снижению точности, производительности и надежности машины. Как и у любого подвижного компонента, возможности позиционирования могут меняться при длительном использовании. Убедитесь, что платформа рассчитана на соответствие требованиям к перемещению в течение предполагаемого срока службы машины.

К другим факторам, влияющим на размер системы, относятся ограничения, связанные с окружающей средой. Необходимо учитывать как горизонтальные, так и вертикальные ограничения. Факторы, влияющие на общую площадь системы, включают в себя наличие внешних или внутренних приводных механизмов и организацию кабельной разводки. К ограничениям, связанным с окружающей средой, относятся применение в чистых помещениях, где движущиеся части машины должны генерировать мало частиц, или в загрязненных средах, где частицы из окружающей среды могут вызывать чрезмерное трение внутри ступени и влиять на ее надежность и производительность. Рабочая температура является ключевым фактором, влияющим на окружающую среду, и может существенно повлиять на ее производительность. Изменение температуры всего на два-три градуса может привести к расширению, достаточному для изменения допусков ступени.

Во многих приложениях требуется многокоординатное движение. В многокоординатной системе столы должны быть расположены друг над другом для обеспечения движения в разных направлениях. Например, система контроля кремниевых пластин может требовать обеспечения линейного перемещения.XиYдвижение, а также вращательное движениететаВ таких системах важно учитывать влияние геометрии на допуски остальной части системы. Например, при установке двух ступеней друг на друга верхняя ступень может прогибаться в конце своего перемещения. Прогиб верхней ступени зависит от консольной нагрузки на нижнюю. Этот прогиб необходимо учитывать или рассмотреть другую конфигурацию. Изготовитель ступеней должен гарантировать, что характеристики установленных друг на друга ступеней соответствуют требованиям к применению.

В многоступенчатых системах управление кабелями может стать проблемой логистики и надежности. Кабели часто упускаются из виду, но они могут влиять на срок службы, геометрию и производительность системы. Обратитесь к производителю ступеней за инновационными решениями для кабельной разводки. 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 привода системы — ключевой элемент. Два наиболее распространённых типа привода — это шарико-винтовые и линейные двигатели. Шарико-винтовые приводы недороги и просты в использовании. Благодаря естественному демпфированию ими легко управлять, и их можно легко оснастить тормозом. С другой стороны, механическое трение может затруднить поддержание постоянной скорости. В некоторых условиях, например, при экстремальных температурах или влажности, шаг шарико-винтовой передачи может изменяться, что влияет на точность. Если тепловые эффекты представляют проблему, может потребоваться линейный энкодер или более предпочтительным выбором может быть линейный двигатель.

Трансмиссии линейных двигателей состоят из магнитной дорожки и блока катушек. Магнитная дорожка обычно неподвижна и состоит из ряда постоянных магнитов, установленных на стальной подложке. Блок катушек содержит все медные обмотки и обычно крепится к подвижной каретке. В некоторых линейных двигателях постоянные магниты расположены на подвижной каретке для упрощения кабельной разводки, но длина магнитов ограничивает ход таких систем.

Линейные приводы обычно лучше всего подходят для лёгких и средних нагрузок в высокоскоростных системах с постоянной скоростью или большим ходом. Линейные приводы имеют гораздо больший ход, чем приводы с шарико-винтовой передачей, поскольку не провисают при увеличении длины хода. Они обеспечивают лучшее управление скоростью, но подвижная катушка и электроника линейного энкодера усложняют прокладку кабелей. Кроме того, крупные линейные приводы тяжелее и могут стать дороже по мере увеличения длины хода и размера магнита.

Важным фактором при выборе типа привода является способность к торможению и ориентация при монтаже. Линейные двигатели свободно вращаются без подачи питания, в то время как шарико-винтовые приводы используют трение для гашения колебаний. Это особенно важно в случаях, когда привод должен быть установлен вертикально. Поскольку ступень линейного двигателя практически лишена трения, потеря мощности может привести к свободному падению каретки. Кроме того, необходимо постоянно преодолевать силу тяжести, что требует от двигателя больших усилий. Шарико-винтовые приводы больше подходят для вертикального применения, поскольку линейные двигатели могут быстро перегреваться при вертикальной работе или требовать противовеса.

Выбор двигателя также может потребовать компромиссов. Обычные роторные двигатели являются наименее дорогим вариантом, но они увеличивают требования к пространству в системе привода. Линейные двигатели занимают меньше места, но дороже, поскольку имеют больше магнитов, чем роторные двигатели, и требуют линейного энкодера. В узлах с шарико-винтовой передачей могут использоваться линейные энкодеры, но роторные 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 обладают более высокой скоростью.

Вариантом для привода шарико-винтовой передачи является бескорпусной двигатель. Бескорпусной двигатель — это стандартный бесщёточный двигатель, встроенный в привод. Магниты ротора крепятся непосредственно к валу шарико-винтовой передачи, а обмотки статора интегрированы в торцевую часть привода. Такая конфигурация исключает необходимость в соединительной муфте двигателя, что позволяет сэкономить несколько дюймов пространства. Отсутствие соединительной муфты снижает гистерезис и скручивание соединения двигателя с шарико-винтовой передачей, что повышает производительность. Производители приводов должны предоставлять экспертные знания о двигателях и энкодерах, чтобы помочь определить оптимальное комплексное решение для конкретной области применения.

После того, как механические и электрические аспекты движения системы хорошо изучены и этапы выбраны, можно приступить к детальному проектированию системы управления. Система управления должна быть совместима с электроникой привода, при этом особое внимание следует уделять тому, что не все приводы предоставляют информацию обратной связи на своих разъёмах. В идеале контроллер должен напрямую взаимодействовать с сигналами преобразователей и исполнительных механизмов без использования дополнительного оборудования. Контроллер также должен обладать достаточной производительностью для замыкания контуров управления в пределах естественных скоростей передачи данных системы или одновременной координации движения по нескольким осям движения при необходимости.