Ни одна система не подходит всем.

Компоненты, составляющие вашу высокоточную систему позиционирования — основание и подшипники, система измерения положения, система двигателя и привода и контроллер — должны работать вместе как можно лучше. В части 1 мы рассмотрели основание системы и подшипники. Здесь мы рассмотрим измерение положения. Часть 3 будет охватывать конструкцию сцены, привода и энкодера; усилитель привода; и контроллеры.

Система измерения положения

В общем, контроллеры можно классифицировать как «разомкнутые» или «замкнутые». В контроллерах с разомкнутым контуром (обычно используемых с шаговыми двигателями) каждый импульс, который выдает контроллер, вызывает определенное смещение ползуна. Однако нет способа определить, насколько большим было смещение. Например, может быть выдано 500 импульсов, но из-за трения, допуска шарико-винтовой передачи, гистерезиса, ошибок намотки и т. д. стол может переместиться всего на 498 импульсов. Основным недостатком является то, что не происходит коррекции ошибки позиционирования.

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

На верхнем рисунке изображен слайд без обратной связи по положению, а затем три распространенных метода измерения положения слайда:
• Датчик положения, установленный на валу двигателя или шарико-винтовой передачи.
• Линейный энкодер, установленный на направляющей.
• Лазерный интерферометр с зеркалами, установленными на слайде.

В первом методе положение ползуна измеряется косвенно — датчик положения устанавливается на приводном валу. Допуск, износ и соответствие механических компонентов между ползуном и датчиком положения приводят к отклонениям между желаемым и истинным положением ползуна. В сочетании с шарико-винтовой передачей точность ползуна в лучшем случае ограничивается точностью шарико-винтовой передачи. Типичная точность составляет от ±5 до ±10 мм/ход 300 мм.

Большинство линейных измерительных систем состоят из точной стеклянной шкалы и фотоэлектрической измерительной головки. Либо шкала, либо головка крепятся непосредственно к подвижному слайду и измеряют положение слайда напрямую. Также не вносятся ошибки неточности шарико-винтовой передачи. Типичная точность для самой шкалы составляет от ±1 до ±5 мм/м. Это также точность самого слайда в месте расположения измерительной головки.

Нагрузка на ступень (точность положения которой нас действительно интересует) всегда находится на некотором расстоянии от измерительной шкалы, измеренной в направлении, перпендикулярном направлению движения, поскольку большинство энкодеров расположены под салазками, но нагрузка находится сверху. Это еще более выражено в случае с уложенными друг на друга ступенями. Во время движения, если салазки немного наклоняются из-за отклонений прямолинейности направляющих подшипников, ошибок реверса и т. д., создается отклонение относительно положения нагрузки относительно энкодера.

Небольшая угловая ошибка с большим смещением, как это бывает на сложенных XY-платформах, может привести к умножению неточности шкалы. Другими словами, измерительная шкала предоставляет правильную информацию о положении только в месте крепления измерительной головки.

Например, подвижный столик с точными характеристиками качения показывает типичные угловые погрешности около ±5 угловых секунд (1 угловая секунда = 1/3600 градуса или около 5 мкрад). Для расстояния 100 мм между грузом и шкалой это приводит к погрешности позиционирования ±2,5 мм!

Для особо точных применений наилучшим выбором является система обратной связи позиционирования лазер-интерферометр с плоскими зеркалами. Длина волны гелий-неонового лазера 632,8 нм служит стандартом. Нанометр равен 1 × 10-9 метра. Возможна точность около ±0,1 мм/м для стабилизированного лазерного источника с разрешением до λ/1024 или 0,617 мкм. Лямбда (λ) — длина волны света.

Главное преимущество заключается в том, что зеркала могут находиться в месте нагрузки, то есть там, где точность действительно важна. Ошибки Аббе устраняются. Плоскостность зеркала, обычно в субмикронном диапазоне, определяет линейность, с которой движется слайд.

Кроме того, поскольку движение XY-платформы привязано к фиксированной точке вне плоскости движения, обратная связь автоматически компенсирует любую неперпендикулярность системы XY, поскольку она удерживает слайд на фиксированном расстоянии.

Длина волны света в воздухе зависит от скорости света в воздухе, которая является функцией температуры воздуха, давления и относительной влажности, среди прочего. При использовании измерительной шкалы изменение температуры приводит к ошибкам измерения из-за расширения материала шкалы. Типичные коэффициенты расширения для стеклянных и стальных шкал составляют 8 и 10 мм/м на градус К. С помощью лазерного интерферометра, где невозможно поддерживать стабильную среду, вы можете вносить поправки на атмосферные изменения с помощью дополнительных компонентов автоматической компенсации.