Электронная, оптическая, компьютерная, контрольно-измерительная, автоматизированная и лазерная отрасли требуют разнообразных технических характеристик систем позиционирования.Универсальной системы не существует.

Для обеспечения оптимальной работы высокоточной системы позиционирования все ее компоненты — подшипники, система измерения положения, двигатель и привод, а также контроллер — должны работать максимально согласованно, чтобы соответствовать критериям применения.

Основание и подшипник

Для выбора оптимальной конфигурации системы сначала следует рассмотреть ее механическую часть. Для линейных направляющих наиболее распространены четыре варианта конструкции основания и подшипников:
• Алюминиевое основание и направляющие с шарикоподшипниковыми подшипниками на болтах.
• Основание и боковые стенки из алюминия или стали с четырьмя блоками роликовых подшипников с рециркуляцией воздуха на стальных направляющих.
• Основание и направляющие из чугуна Meehanite со встроенными роликовыми подшипниками.
• Гранитные направляющие с гранитными или чугунными ползунками и пневматическими подшипниками.

Алюминий легче механита или стали, но менее жесткий, менее стабильный, менее устойчивый к ударам и менее прочный. 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 подвержена длительному звону, что негативно сказывается на скорости перемещения и стабилизации.

Гранитные направляющие с пневматическими подшипниками обеспечивают наиболее жесткую и долговечную комбинацию. Гранит можно полировать до плоскостности и прямолинейности в субмикронном диапазоне. Недостатком гранитного стола является то, что из-за массы гранита он занимает больше места и весит больше, чем система позиционирования на основе стали или железа. Однако, поскольку между подшипниками и поверхностями гранитных направляющих нет контакта, износ отсутствует, а пневматические подшипники в значительной степени самоочищаются. Кроме того, гранит обладает превосходными характеристиками гашения вибраций и термической стабильностью.

Кроме того, конструкция самого стола имеет важное значение для его общей производительности. Столы выпускаются в различных конфигурациях: от сборных конструкций из множества деталей до простых литых оснований и направляющих. Использование одного материала по всей конструкции стола, как правило, обеспечивает более равномерную реакцию на колебания температуры, что приводит к более точной работе системы. Такие элементы, как ребра жесткости, обеспечивают демпфирование, что способствует быстрой стабилизации.

Цельные направляющие имеют преимущество перед привинчиваемыми тем, что даже спустя длительное время не требуется регулировка предварительной нагрузки.

В подшипниках с перекрестными роликами контакт ролика и дорожки качения происходит по прямой линии, тогда как в шариковых подшипниках контакт шарика и дорожки качения происходит в точке. Это, как правило, обеспечивает более плавное движение роликовых подшипников. Деформация (и износ) поверхности качения меньшая, а площадь контакта больше, поэтому нагрузка распределяется более равномерно. Стандартные нагрузки составляют от 4,5 до 14 кг/ролик, а также высокая механическая жесткость около 150–300 Ньютонов/микрон. К недостаткам относится присущее подшипникам трение, возникающее из-за линейного контакта.

Однако малая площадь контакта, ограничивающая трение шарикоподшипника, также ограничивает его несущую способность. Роликовые подшипники, как правило, имеют более длительный срок службы, чем шариковые. Однако роликовые подшипники стоят дороже.

Стандартные размеры столов одного из производителей включают длину от 25 до 1800 мм и ширину направляющей от 100 до 600 мм.

Конструкция с воздушными подшипниками состоит из подъемных и направляющих подшипников, предварительно нагруженных противоположными воздушными подшипниками или высокоэффективными редкоземельными магнитами, встроенными в направляющие элементы. Такая бесконтактная конструкция исключает трение, характерное для других конструкций подшипников. Кроме того, воздушные подшипники не подвержены механическому износу. Более того, воздушные подшипники могут быть расположены на значительном расстоянии друг от друга. Таким образом, результирующие геометрические погрешности усредняются, обеспечивая угловые отклонения менее 1 угловой секунды и прямолинейность лучше 0,25 микрона на протяжении 200 мм.

Назвать точные числовые значения сложно — они зависят от множества 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 системы привода, но и от регулировки подшипников, уплотнения стола, смазки и так далее. Поэтому точные значения, которые могут быть достигнуты, во многом зависят от сочетания всех компонентов, что, в свою очередь, зависит от области применения.

Система привода

Из множества типов приводных систем — ременной, реечной, винтовой, прецизионно шлифованной шариковой винтовой и линейного двигателя — для большинства высокоточных систем позиционирования рассматриваются только последние два.

Шариковинтовые приводы различаются по разрешению, точности и жесткости, и могут обеспечивать высокие скорости (выше 250 мм/сек). Однако, поскольку скорость вращения шариковинтового привода ограничена критической скоростью вращения винта, для достижения более высокой скорости требуется меньший шаг, меньшее механическое преимущество и более мощный двигатель. Обычно это означает замену двигателя на более мощный с более высоким напряжением шины. Шариковинтовые приводы, несмотря на широкое распространение, также могут страдать от механического люфта, закручивания, циклических ошибок шага и трения. Также часто упускается из виду жесткость механической муфты, соединяющей двигатель и привод.

В линейном сервомоторе электромагнитная сила напрямую воздействует на движущуюся массу без механической связи. Отсутствует механический гистерезис или циклическая ошибка шага. Точность полностью зависит от подшипниковой системы и системы обратной связи.

Динамическая жесткость показывает, насколько хорошо сервосистема удерживает положение в ответ на импульсную нагрузку. В целом, большая полоса пропускания и более высокое усиление обеспечивают большую динамическую жесткость. Это можно количественно оценить, 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. Ползунок быстро реагирует на изменения команд положения, поскольку отсутствует механическая связь между двигателем и ползунком. Кроме того, благодаря отсутствию «звона» шариковинтовой передачи, достигается быстрое перемещение и стабилизация.

Бесщеточный линейный двигатель состоит из узла с постоянными магнитами, закрепленного на основании станка, и узла катушки, закрепленного на направляющей. Между узлом катушки и магнитами поддерживается зазор около 0,5 мм. Физического контакта между двумя узлами нет.

В основе подвижной катушки лежит ряд перекрывающихся и изолированных медных катушек. Они намотаны с высокой точностью и имеют шаг намотки, рассчитанный на трехфазное питание. Для электронной коммутации используется ряд датчиков Холла. Конструкция коммутационной электроники обеспечивает движение с незначительными пульсациями силы. Поскольку коммутация осуществляется электронным, а не механическим способом, исключается искрение при коммутации.

Эти свойства делают линейный серводвигатель полезным в приложениях, требующих высокого ускорения (например, 2,5 м/с² или более), высокой скорости (например, 2 м/с или более) или точного управления скоростью, даже при очень низкой скорости (например, всего несколько мм/с). Более того, такой двигатель не требует смазки или другого технического обслуживания и не подвержен износу. Как и в случае с любым другим двигателем, из-за тепловыделения среднеквадратичное значение постоянной силы или тока не должно превышать допустимые значения в течение длительных периодов времени.

Можно приобрести линейные серводвигатели с постоянным усилием привода от 25 до более чем 5000 Н. Большинство более крупных двигателей имеют воздушное или водяное охлаждение. Для получения большего усилия привода можно соединять несколько линейных двигателей параллельно или последовательно.

Поскольку между двигателем и направляющей отсутствует механическая связь, нет и механического редукции, как в случае с шариковинтовой передачей. Нагрузка передается на двигатель в соотношении 1:1. В случае с шариковинтовой передачей инерция нагрузки на направляющую, передаваемая на двигатель, уменьшается пропорционально квадрату коэффициента редукции. Это делает линейный привод менее подходящим для применений с частыми изменениями нагрузки, если только не выбрать контроллер, который можно запрограммировать с различными наборами параметров управления двигателем, соответствующими различным нагрузкам, для эффективной сервокомпенсации.

Для многих вертикальных применений шариковый винт проще и экономичнее — линейный двигатель должен постоянно находиться под напряжением, чтобы компенсировать силу тяжести. Кроме того, электромеханический тормоз может фиксировать положение стола при отключении питания. Однако линейный двигатель можно использовать, если компенсировать вес двигателя и нагрузки с помощью пружины, противовеса или пневматического цилиндра.

В плане первоначальной стоимости линейный двигатель и шариковинтовой привод, включающие двигатель, муфты, подшипники, подшипниковые блоки и шариковинтовую передачу, практически не отличаются. В целом, линейный двигатель с щетками немного дешевле, чем шариковинтовой привод, а бесщеточные версии обычно несколько дороже.

Следует учитывать не только первоначальную стоимость. Более реалистичное сравнение включает в себя затраты на техническое обслуживание, надежность, долговечность и замену, включая оплату труда. В этом отношении линейный двигатель показывает себя хорошо.

Во второй части будут рассмотрены системы измерения положения.