Электронная, оптическая, компьютерная, инспекционная, автоматическая и лазерная отрасли требуют разнообразных характеристик систем позиционирования.Ни одна система не подходит всем.

Чтобы обеспечить оптимальную работу высокоточной системы позиционирования, компоненты, составляющие систему — подшипники, система измерения положения, система двигателя и привода и контроллер — должны работать вместе, чтобы максимально соответствовать критериям применения. .

Основание и подшипник

Чтобы принять решение об оптимальной конфигурации системы, сначала рассмотрите механическую часть системы. Для линейных ступеней существуют четыре распространенных варианта конструкции основания и подшипников:
• Алюминиевое основание и направляющие на шарикоподшипниках.
• Алюминиевое или стальное основание и алюминиевая или стальная боковая часть с четырьмя вращающимися роликоподшипниковыми блоками на стальных направляющих.
• Основание и направляющие из чугуна Meehanite со встроенными роликовыми подшипниками.
• Гранитные направляющие с гранитными или чугунными направляющими и воздушными подшипниками.

Алюминий легче, чем механит или сталь, но менее жесткий, менее стабильный, менее устойчивый к ударам и менее устойчивый к нагрузкам. Кроме того, алюминий гораздо более чувствителен к перепадам температуры. Чугун на 150 % жестче алюминия и на 300 % лучше гасит вибрации. Сталь долговечна и прочнее железа. Однако он страдает от продолжительного звона, что вредно для быстрого перемещения и установления времени.

Гранитные направляющие с воздушными подшипниками обеспечивают самую жесткую и долговечную комбинацию. Гранит можно полировать до плоскостности и прямолинейности в субмикронном диапазоне. Недостаток гранитного стола заключается в том, что из-за массы гранита он имеет большую пространственную оболочку и весит больше, чем система позиционирования на основе стали или железа. Однако, поскольку между подшипниками и гранитными направляющими поверхностями нет контакта, износ отсутствует, а воздушные подшипники в основном самоочищаются. Также гранит обладает отличными виброгасящими характеристиками и термической стабильностью.

Кроме того, дизайн самого стола важен для его общей производительности. Столы бывают самых разных конфигураций: от скрепленных болтами узлов с множеством деталей до простых литых оснований и направляющих. Использование одного материала в таблице обычно обеспечивает более равномерную реакцию на изменения температуры, что приводит к более точной системе. Такие особенности, как ребра, обеспечивают демпфирование, что обеспечивает быструю стабилизацию.

Цельные направляющие имеют преимущество перед направляющими с болтовым креплением в том, что даже по прошествии длительного времени не требуется регулировка преднатяга направляющих.

Скрещенные роликоподшипники имеют линейный контакт между роликом и дорожкой качения, тогда как шарикоподшипники имеют точечный контакт между шариком и дорожкой качения. Обычно это приводит к более плавному движению роликовых подшипников. Поверхность качения меньше деформируется (и изнашивается) и имеет большую площадь контакта, поэтому нагрузка распределяется более равномерно. Стандартными являются нагрузки от 4,5 до 14 кг/ролик, а также высокая механическая жесткость от 150 до 300 Ньютон/микрон. К недостаткам можно отнести внутреннее трение, возникающее при контакте с линией.

Однако небольшая площадь контакта, ограничивающая трение шарикоподшипника, также ограничивает его нагрузочную способность. Роликоподшипники обычно имеют более длительный срок службы, чем шарикоподшипники. Однако роликовые подшипники стоят дороже.

Стандартные размеры столов одного производителя составляют длину от 25 до 1800 мм и ширину направляющих от 100 до 600 мм.

Конфигурация воздушного подшипника состоит из подъемного и направляющего подшипников, предварительно нагруженных противостоящими воздушными подшипниками или мощными редкоземельными магнитами, встроенными в направляющие элементы. Эта бесконтактная конструкция позволяет избежать трения, характерного для подшипников других конструкций. Кроме того, воздушные подшипники не подвергаются механическому износу. Кроме того, воздушные подшипники могут быть разнесены на большое расстояние. Таким образом, результирующие геометрические ошибки усредняются, что приводит к угловым отклонениям менее 1 угловой секунды и прямолинейности более 0,25 микрона на расстоянии 200 мм.

Численные значения указать сложно — они зависят от многих факторов. Например, точность позиционирования зависит не только от подшипников или направляющих, но также от системы измерения положения и контроллера. Трение в системе позиционирования зависит не только от того, какую систему привода вы выбрали, но также от регулировки подшипников, уплотнения стола, смазки и т. д. Таким образом, точные значения, которых можно достичь, во многом зависят от комбинации всех компонентов, что, в свою очередь, зависит от применения.

Система привода

Из многих типов приводных систем — ременного, реечного, ходового винта, шарико-винтовой передачи с прецизионной заточкой и линейного двигателя — только два последних рассматриваются для большинства высокоточных систем позиционирования.

Шарико-винтовые передачи имеют различные характеристики разрешения, точности и жесткости и могут обеспечивать высокие скорости (более 250 мм/сек). Однако, поскольку привод ШВП ограничен критической скоростью вращения винта, более высокая скорость требует меньшего шага, с меньшим механическим преимуществом и двигателем большей мощности. Обычно это означает переход на более мощный двигатель с более высоким напряжением на шине. Шарико-винтовые передачи, хотя и широко используются, также могут страдать от механического люфта, раскручивания, циклических ошибок шага и трения. Также упускается из виду жесткость механической муфты, соединяющей двигатель и привод.

В линейном серводвигателе электромагнитная сила непосредственно воздействует на движущуюся массу без механического соединения. Никакого механического гистерезиса или циклической ошибки шага нет. Точность полностью зависит от системы подшипников и системы управления с обратной связью.

Динамическая жесткость показывает, насколько хорошо сервосистема сохраняет положение в ответ на импульсную нагрузку. В целом, большая полоса пропускания и более высокий коэффициент усиления обеспечивают большую динамическую жесткость. Это можно определить количественно, разделив измеренную импульсную нагрузку на расстояние отклонения:

Динамическая жесткость = ΔF/ΔX

Высокая жесткость и высокая собственная частота обеспечивают превосходное поведение сервопривода с коротким временем стабилизации. Ползун быстро реагирует на команды изменения положения, поскольку между двигателем и слайдом нет механической связи. Кроме того, поскольку отсутствует «звон» шарико-винтовой пары, можно добиться быстрого перемещения и стабилизации.

Бесщеточный линейный двигатель состоит из узла постоянного магнита, прикрепленного к основанию машины, и узла катушки, прикрепленного к ползуну. Между катушкой в ​​сборе и магнитами сохраняется зазор около 0,5 мм. Между двумя узлами нет физического контакта.

В сердечнике узла подвижной катушки находится ряд перекрытых и изолированных медных катушек. Они имеют прецизионную обмотку и рассчитаны на трехфазную работу. Для электронной коммутации используется серия датчиков Холла. Конструкция коммутационной электроники обеспечивает движение с незначительной пульсацией силы. Поскольку коммутация является электронной, а не механической, коммутационная дуга исключается.

Эти свойства делают линейный серводвигатель полезным в приложениях, требующих высокого ускорения (скажем, 2,5 м/с2 или более), высокой скорости (скажем, 2 м/с или более) или точного контроля скорости, даже при очень низкой скорости (скажем, всего несколько мм/с). /сек). Более того, такой мотор не нуждается в смазке или другом обслуживании и не изнашивается. Как и в случае с любым другим двигателем, из-за рассеяния тепла среднеквадратичное значение постоянной силы или тока не должно превышать допустимые значения в течение длительного времени.

Вы можете приобрести линейные серводвигатели с постоянным приводным усилием от 25 до более 5000 Н. Большинство более крупных двигателей имеют воздушное или водяное охлаждение. Несколько линейных двигателей могут быть подключены параллельно или последовательно для получения более высоких приводных сил.

Поскольку между двигателем и кареткой нет механической связи, нет и механического уменьшения, как в случае с шарико-винтовой парой. Нагрузка передается на двигатель в соотношении 1:1. При использовании шариковинтовой передачи инерция нагрузки на ползун к двигателю уменьшается на квадрат передаточного числа. Это делает привод линейного двигателя менее подходящим для приложений с частым изменением нагрузки, если только вы не выберете контроллер, который можно запрограммировать с различными наборами параметров управления двигателем, соответствующими различным нагрузкам, чтобы получить эффективную сервокомпенсацию.

Для многих вертикальных применений шариковый винт проще и экономичнее — линейный двигатель должен постоянно получать питание для компенсации силы тяжести. Кроме того, электромеханический тормоз может блокировать положение стола при отключении питания. Однако вы можете использовать линейный двигатель, если компенсируете вес двигателя и нагрузки с помощью пружины, противовеса или пневмоцилиндра.

По первоначальной стоимости разница между линейным двигателем и шариковинтовой передачей, включающей двигатель, муфты, подшипники, блоки подшипников и шариковый винт, невелика. В целом линейный двигатель щеточного типа немного дешевле шариковинтовой передачи, а бесщеточные версии обычно несколько дороже.

Необходимо учитывать не только первоначальную стоимость. Более реалистичное сравнение включает затраты на техническое обслуживание, надежность, долговечность и замену, включая рабочую силу. Здесь линейный двигатель показывает себя хорошо.

Часть 2 будет посвящена системам измерения положения.