Универсальной системы не существует.

Компоненты, составляющие вашу высокоточную систему позиционирования — основание и подшипники, система измерения положения, система двигателя и привода, а также контроллер — должны работать максимально согласованно. В части 1 мы рассмотрели основание системы и подшипники. Здесь мы рассмотрим измерение положения. В части 3 будет рассмотрена конструкция платформы, привода и энкодера; усилитель привода; и контроллеры.

Система измерения положения

В целом, контроллеры можно классифицировать как «разомкнутые» или «замкнутые». В разомкнутых контроллерах (обычно используемых с шаговыми двигателями) каждый импульс, испускаемый контроллером, вызывает определенное перемещение направляющей. Однако определить величину этого перемещения невозможно. Например, может быть испущено 500 импульсов, но из-за трения, допусков шариковинтовой передачи, гистерезиса, ошибок обмотки и т. д., стол может переместиться только за 498 импульсов. Основной недостаток заключается в отсутствии коррекции ошибок позиционирования.

В системе с замкнутым контуром, или сервосистеме, энкодер положения обеспечивает обратную связь с контроллером. Контроллер продолжает посылать сигналы управления двигателем до тех пор, пока не будет достигнуто точное желаемое положение ползунка.

На верхнем рисунке показан слайд без обратной связи о положении, а затем три распространенных метода измерения положения слайда:
• Датчик положения установлен на валу двигателя или шариковинтовой передачи.
• Линейный энкодер установлен на направляющей.
• Лазерный интерферометр с зеркалами, установленными на слайде.

В первом методе положение направляющей измеряется косвенно — энкодер положения устанавливается на приводном валу. Допуски, износ и податливость механических компонентов между направляющей и энкодером положения приводят к отклонениям между желаемым и истинным положением направляющей. В сочетании с шариковинтовой передачей точность направляющей в лучшем случае ограничивается точностью шариковинтовой передачи. Типичная точность составляет от ±5 до ±10 мм/300 мм хода.

Большинство линейных измерительных систем состоят из точной стеклянной шкалы и фотоэлектрической измерительной головки. Либо шкала, либо головка крепятся непосредственно к подвижной направляющей и измеряют положение направляющей напрямую. Неточности шариковинтовой передачи также не вносят погрешностей. Типичная точность самой шкалы составляет от ±1 до ±5 мм/м. Это также соответствует точности самой направляющей в месте расположения измерительной головки.

Нагрузка на направляющую (точность позиционирования которой нас действительно интересует) всегда находится на некотором расстоянии от измерительной шкалы, измеренном в направлении, перпендикулярном направлению движения, поскольку большинство энкодеров расположены под направляющей, а нагрузка — сверху. Это еще более заметно в случае многоярусных направляющих. Во время перемещения, если направляющая немного наклоняется из-за отклонений от прямолинейности направляющих подшипников, ошибок реверсирования и т. д., возникает отклонение относительно положения нагрузки относительно энкодера.

Небольшая угловая погрешность с большим смещением, например, как на многоуровневых XY-платформах, может привести к многократному увеличению погрешности шкалы. Другими словами, измерительная шкала предоставляет правильную информацию о положении только в месте крепления измерительной головки.

Например, подвижный стол с прецизионными характеристиками вращения демонстрирует типичные угловые погрешности около ±5 угловых секунд (1 угловая секунда = 1/3600 градуса или около 5 мкрад). При расстоянии 100 мм между грузом и шкалой это приводит к погрешности позиционирования ±2,5 мм!

Для чрезвычайно точных задач наилучшим выбором является система позиционирования на основе лазерного интерферометра с плоскими зеркалами. В качестве стандарта используется длина волны гелий-неонового лазера, 632,8 нм. Нанометр равен 1 × 10⁻⁹ метра. Для стабилизированного лазерного источника возможна точность около ±0,1 мм/м, с разрешением до λ/1024 или 0,617 мкм. Лямбда (λ) — длина волны света.

Главное преимущество заключается в том, что зеркала могут располагаться непосредственно в месте приложения нагрузки, то есть там, где точность действительно важна. Исключаются ошибки Аббе. Плоскостность зеркал, обычно находящаяся в субмикронном диапазоне, определяет линейность перемещения ползунка.

Кроме того, поскольку движение XY-платформы привязано к фиксированной точке вне плоскости движения, обратная связь автоматически компенсирует любые отклонения от перпендикулярности XY-системы, так как она поддерживает направляющую на фиксированном расстоянии.

Длина волны света в воздухе зависит от скорости света в воздухе, которая, в свою очередь, зависит от температуры воздуха, давления и относительной влажности, а также от других факторов. При использовании измерительной шкалы изменение температуры приводит к погрешностям измерений из-за расширения материала шкалы. Типичные коэффициенты расширения для стеклянных и стальных шкал составляют 8 и 10 мм/м на градус Кельвина соответственно. В лазерном интерферометре, где невозможно поддерживать стабильную среду, можно корректировать атмосферные изменения с помощью дополнительных компонентов автоматической компенсации.