Для электронной, оптической, компьютерной, инспекционной, автоматизированной и лазерной отраслей промышленности требуются различные спецификации систем позиционирования.Ни одна система не подходит всем.

Чтобы обеспечить оптимальную работу высокоточной системы позиционирования, компоненты, из которых состоит система — подшипники, система измерения положения, система двигателя и привода и контроллер — должны работать вместе как можно лучше, чтобы соответствовать критериям применения.

Основание и подшипник

Чтобы выбрать оптимальную конфигурацию системы, сначала рассмотрите механическую часть системы. Для линейных ступеней это четыре общих варианта конструкции основания и подшипника:
• Алюминиевое основание и направляющие с шарикоподшипниковыми направляющими.
• Алюминиевое или стальное основание и алюминиевая или стальная боковина с четырьмя рециркулирующими роликовыми подшипниковыми блоками на стальных направляющих.
• Основание и направляющие из литого чугуна Meehanite со встроенными роликовыми подшипниками.
• Гранитные направляющие с гранитными или чугунными направляющими и воздушными подшипниками.

Алюминий легче механита или стали, но менее жесткий, менее стабильный, менее устойчивый к ударам и менее устойчивый к нагрузкам. Кроме того, алюминий гораздо более чувствителен к изменениям температуры. Чугун на 150% жестче алюминия и на 300% лучше гасит вибрации. Сталь долговечнее и прочнее железа. Однако она страдает от длительного звона, что отрицательно сказывается на быстром перемещении и времени стабилизации.

Гранитные направляющие с воздушными подшипниками обеспечивают самую жесткую и прочную комбинацию. Гранит можно полировать для достижения плоскостности и прямолинейности в субмикронном диапазоне. Недостатком гранитного стола является то, что из-за массы гранита он имеет большую пространственную оболочку и весит больше, чем стальная или железная система позиционирования. Однако, поскольку нет контакта между подшипниками и поверхностями гранитных направляющих, износ отсутствует, а воздушные подшипники в значительной степени самоочищаются. Кроме того, гранит обладает превосходными характеристиками гашения вибрации и термической стабильностью.

Кроме того, конструкция самого стола важна для его общей производительности. Столы поставляются в различных конфигурациях от сборных узлов с множеством деталей до простых литых оснований и направляющих. Использование одного материала по всему столу обычно обеспечивает более равномерную реакцию на изменения температуры, что приводит к более точной системе. Такие особенности, как ребра, обеспечивают демпфирование, что позволяет быстро усаживаться.

Интегральные направляющие имеют преимущество перед болтовыми направляющими, поскольку даже после длительного использования не требуется регулировка направляющих для обеспечения предварительной нагрузки.

Подшипники с перекрестными роликами имеют линейный контакт между роликом и дорожкой качения, тогда как шариковые подшипники имеют точечный контакт между шариком и дорожкой качения. Это обычно приводит к более плавному движению роликовых подшипников. Поверхностная деформация (и износ) на поверхности качения меньше, а площадь контакта больше, поэтому нагрузка распределяется более равномерно. Нагрузки до 4,5–14 кг/ролик являются стандартными, наряду с высокой механической жесткостью около 150–300 Ньютонов/микрон. К недостаткам можно отнести внутреннее трение от линейного контакта.

Однако малая площадь контакта, ограничивающая трение шарикоподшипника, также ограничивает его грузоподъемность. Роликовые подшипники обычно имеют более длительный срок службы, чем шариковые. 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 подъемных и направляющих подшипников, предварительно нагруженных противостоящими воздушными подшипниками или магнитами из редкоземельных металлов высокой силы, встроенными в направляющие элементы. Эта бесконтактная конструкция позволяет избежать трения других конструкций подшипников. Кроме того, воздушные подшипники не подвергаются механическому износу. Кроме того, воздушные подшипники могут быть расположены на большом расстоянии друг от друга. Таким образом, полученные геометрические погрешности усредняются, что обеспечивает угловые отклонения менее 1 секунды дуги и прямолинейность лучше 0,25 микрона на 200 мм.

Числовые значения предоставить сложно — они зависят от многих факторов. Например, точность позиционирования зависит не только от подшипников или направляющих, но и от системы измерения положения и контроллера. Трение в системе позиционирования зависит не только от выбранной вами системы привода, но и от регулировки подшипников, уплотнения стола, смазки и т. д. Поэтому точные значения, которых можно достичь, во многом зависят от комбинации всех компонентов, что, в свою очередь, зависит от области применения.

Система привода

Из множества типов приводных систем — ременной, реечный, ходовой винт, прецизионный шарико-винтовой привод и линейный двигатель — только последние два рассматриваются для большинства высокоточных систем позиционирования.

Шарико-винтовые приводы поставляются с различными характеристиками разрешения, точности и жесткости и могут обеспечивать высокие скорости (выше 250 мм/сек). Однако, поскольку шарико-винтовой привод ограничен критической скоростью вращения винта, более высокая скорость требует меньшего шага, с меньшим механическим преимуществом и более мощным двигателем. Обычно это означает переход на более мощный двигатель с более высоким напряжением шины. Шарико-винтовые приводы, хотя и широко используются, также могут страдать от механического люфта, скручивания, циклических ошибок шага и трения. Также упускается из виду жесткость механического соединения, которое соединяет двигатель и привод.

В линейном серводвигателе электромагнитная сила напрямую взаимодействует с движущейся массой без механического соединения. Нет механического гистерезиса или циклической ошибки шага. 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 общем, большая полоса пропускания и более высокий коэффициент усиления обеспечивают большую динамическую жесткость. Это можно количественно определить, разделив измеренную импульсную нагрузку на расстояние отклонения:

Динамическая жесткость = ΔF/ΔX

Высокая жесткость и высокая собственная частота приводят к отличному поведению сервопривода с коротким временем установления. Ползунок быстро реагирует на команды изменения положения, поскольку между двигателем и ползуном нет механической связи. Кроме того, поскольку нет «звона» шарикового винта, можно достичь быстрого перемещения и времени установления.

Бесщеточный линейный двигатель состоит из постоянного магнитного узла, закрепленного на основании машины, и катушечного узла, закрепленного на салазках. Между катушечным узлом и магнитами поддерживается зазор около 0,5 мм. Физического контакта между двумя узлами нет.

В сердечнике подвижной катушки находится ряд перекрывающихся и изолированных медных катушек. Они имеют прецизионную намотку и шаг для трехфазной работы. Для электронной коммутации используется ряд 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 (например, 2,5 м/сек2 или более), высокой скорости (например, 2 м/сек или более) или точного управления скоростью, даже при очень низкой скорости (например, всего несколько мм/сек). Более того, такой двигатель не нуждается в смазке или другом обслуживании и не имеет износа. Как и в случае с любым другим двигателем, из-за рассеивания тепла среднеквадратичное значение постоянной силы или тока не должно превышать допустимые значения в течение длительных периодов.

Вы можете получить линейные серводвигатели с постоянными приводными силами от 25 до более 5000 Н. Большинство более крупных двигателей имеют воздушное или водяное охлаждение. Несколько линейных двигателей могут быть соединены параллельно или последовательно для получения более высоких приводных сил.

Поскольку между двигателем и кареткой нет механической связи, нет и механического снижения, как в случае с шарико-винтовой передачей. Нагрузка передается в соотношении 1:1 на двигатель. При использовании шарико-винтовой передачи инерция нагрузки на каретке к двигателю уменьшается на квадрат передаточного отношения. Это делает линейный привод двигателя менее подходящим для приложений с частыми изменениями 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 быть постоянно запитан, чтобы компенсировать силу тяжести. Кроме того, электромеханический тормоз может заблокировать положение стола при отключении питания. Однако вы можете использовать линейный двигатель, если вы компенсируете вес двигателя и нагрузки с помощью пружины, противовеса или воздушного цилиндра.

По первоначальной стоимости линейный двигатель мало чем отличается от шарико-винтового привода, включающего двигатель, муфты, подшипники, подшипниковые блоки и шарико-винтовой привод. В целом, щеточный линейный двигатель немного дешевле шарико-винтового привода, а бесщеточные версии обычно немного дороже.

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

Часть 2 будет посвящена системам измерения положения.