Большинство людей думают о системах с параллельным приводом как о тех, которые используются в декартовых/портальных роботах. Но системы с параллельным приводом можно также рассматривать как два или более линейных двигателя, работающих параллельно от одного контроллера привода. Это охватывает декартовых/портальных роботов, а также другие основные области управления движением, такие как высокоточные и сверхвысокоточные одноосевые роботы с разрешением и точностью позиционирования в диапазоне от субнанометра до высокого пикометра. Эти системы входят в такие области, как оптика и микроскопы, производство полупроводников, станки, приводы с высокой силой, оборудование для испытания материалов, работы по подъему и перемещению, сборочные операции, погрузочно-разгрузочные работы со станками и дуговая сварка. В целом, существуют приложения как в микронном, так и в субмикронном мире.

Проблемы с параллельным приводом
Основная проблема всех систем с параллельным приводом — ортогональное выравнивание: способность сохранять параллельные оси квадратными. В таких механических системах, как винтовые, реечные, ременные и цепные, основная проблема — это застревание механической системы из-за несоосности или наложенных друг на друга допусков. В системах с прямым приводом есть дополнительная проблема синусоидальной ошибки, возникающей из-за ошибок установки и отклонений в линейных двигателях.

Наиболее распространенная практика преодоления этих проблем — управлять и контролировать каждую сторону параллельной системы независимо, но синхронизировать их электронно. Стоимость такой системы высока, поскольку ей требуется вдвое больше привода и электроники определения положения, чем одноосной системе. Она также добавляет ошибки синхронизации и отслеживания, которые могут ухудшить производительность системы.

То, что позволяет подключать линейные двигатели параллельно, — это высокочувствительный двигатель. Динамическое движение, создаваемое любыми двумя идентичными линейными двигателями, одинаково при подаче на них одного и того же управляющего сигнала.

Как и во всех системах с параллельным приводом, двигатели с линейным валом должны физически соединяться с механизмом, который позволяет оси иметь только одну степень свободы движения. Это заставляет двигатели с параллельным линейным валом действовать как единое целое, чтобы обеспечить работу с одним энкодером и одним сервоприводом. И поскольку правильно установленный двигатель с линейным валом работает без контакта, он не может внести никаких механических ограничений в систему.

Эти утверждения справедливы для любого бесконтактного линейного двигателя. Двигатели с линейным валом отличаются от других бесконтактных линейных двигателей в нескольких областях, которые позволяют им хорошо работать в параллельном приложении.

Конструкция линейного двигателя с валом помещает постоянный магнит в центр электромагнитного поля, делая воздушный зазор некритичным. Катушка полностью окружает магнит, поэтому чистый эффект магнитного поля — сила. Это фактически исключает любые изменения силы, вызванные разницей в воздушном зазоре, либо из-за несоосности, либо из-за различий в обработке, что упрощает выравнивание и установку двигателя.

Однако ошибка синуса — серьезная проблема — может привести к разнице сил в любом бесконтактном линейном двигателе.

Линейные двигатели, как и двигатели с линейным валом, определяются как синхронные двигатели. По сути, ток подается на катушку, чтобы сформировать электромагнит, который синхронизируется с магнитным полем постоянных магнитов в магнитной дорожке. Сила в линейном двигателе генерируется из относительной силы этих магнитных полей и угла их преднамеренного смещения.

В системе параллельного привода все катушки и магнитные дорожки становятся одним двигателем, когда все их магнитные поля идеально выровнены. Однако любое несовпадение катушек или магнитных дорожек приведет к несовпадению магнитных полей, создавая разные силы в каждом двигателе. Эта разница сил может, в свою очередь, связать систему. Таким образом, ошибка синуса — это разница в силах, создаваемых несовпадением катушек или магнитных дорожек.

Погрешность синуса можно рассчитать с помощью следующего уравнения:

F_диф=F_ген× грех(2πD_диф/MP_нн)

гдеF_диф= разница сил между двумя катушками,F_ген= генерируемая сила,D_диф= длина смещения, иMP_нн= магнитный наклон с севера на север.

Большинство линейных двигателей на рынке спроектированы с шагом магнита север-север в диапазоне от 25 до 60 мм под предлогом попытки уменьшить потери IR и электрическую постоянную времени. Например, несоосность всего в 1 мм в линейном двигателе с шагом 30 ммнншаг приведет к потере мощности примерно на 21%.

Двигатель с линейным валом компенсирует эту потерю, используя гораздо более длинный магнитный шаг с севера на север, что снижает эффект синусоидальной ошибки, вызванной случайным смещением. Такое же смещение в 1 мм в двигателе с линейным валом с шагом nn 90 мм приведет к потере мощности всего в 7%.

Системы параллельного привода
Действительно точное позиционирование возможно только для высокоточных и сверхвысокоточных одноосевых роботов, когда обратная связь находится прямо в центре масс рабочей точки. Генерация силы от двигателя также должна быть сосредоточена прямо в центре масс рабочей точки. Однако обычно невозможно, чтобы двигатель и обратная связь находились в одном и том же месте!

Размещение энкодера в центре масс и использование параллельных линейных двигателей с равномерным расстоянием от центра масс дает желаемую обратную связь и генерацию силы в центре масс. Это невозможно для других типов систем параллельного привода, которым для создания этого типа параллельного привода требуются два набора энкодеров и сервоприводов.

Один привод/один энкодер лучше всего работает в сверхточных применениях и дает строителям портальных систем огромное преимущество. В прошлом системы могли иметь два разных двигателя, приводящих в движение отдельные шариковые винты с использованием двух разных контроллеров, которые были электронно соединены, или даже два линейных двигателя с двумя энкодерами, электронно соединенными с двумя приводами. Теперь те же действия могут исходить от двух линейных двигателей с валом, одного энкодера и одного усилителя/драйвера, пока жесткость в системе достаточно высока.

Это также является преимуществом для приложений, требующих чрезвычайно большого количества силы. Можно соединить параллельно любое количество линейных двигателей, тем самым суммируя их силы.