Düz ve doğru hareket hiç de kolay değildir.

Düz, doğru hareket hiç de kolay değildir ve doğrusal konumlandırma cihazları bunu bir değil üç boyutta hata yaparak kanıtlıyor

Tam “doğrusal hareket” konseptini çivilediğinizi düşündüğünüzde - hemen gerekli noktaları vurduğunuzda ve evinizdesiniz - partiyi mahvetmek için kalan beş serbestlik derecesi gelir. Kaba bir perspektiften bakıldığında, doğrusal bir taşıyıcının esas olarak bir eksen (buna X ekseni adını verin) boyunca ötelendiği doğrudur, ancak mühendislikle üretilen tüm parçalarda kusurlar vardır ve doğruluk ve kesinliğe yönelik giderek artan ihtiyacımızla birlikte, ayrıntılara olan ilgimizin de ilerlemesi gerekir. buna göre.

O halde sistem doğruluğunu tam olarak tanımlamak için altı serbestlik derecesinin tümünü hesaba katmamız gerekir; bunlar X, Y ve Z eksenlerindeki öteleme ve hemen hemen aynı dönmedir.

Yerleştirme endişeleri

Yeni başlayanlar için, temel konumlandırma parametrelerinin net bir tanımını oluşturalım. Her ne kadar çoğu mühendis doğruluk, tekrarlanabilirlik ve çözünürlük terimlerine aşina olsa da, bunlar pratikte sıklıkla yanlış kullanılmaktadır. Doğruluk, üçü arasında elde edilmesi en zor olanıdır, ardından tekrarlanabilirlik ve son olarak da çözüm gelir. Doğruluk, hareket halindeki bir sistemin, teorik XYZ uzayında yer alan kesin bir konum olan bir komut konumuna ne kadar yakından yaklaştığını açıklar.

Tekrarlanabilirlik veya kesinlik ise aynı konuma rastgele yönlerden art arda hareket etme girişimleri arasındaki hatayı ifade eder. Mükemmel şekilde tekrarlanabilir bir doğrusal sistem son derece hatalı olabilir; komut verilen yerden oldukça uzakta olan aynı konuma sürekli olarak ulaşma kapasitesine sahip olabilir. Örnek olarak, ağır şekilde önceden yüklenmiş takipçi somuna sahip ancak önemli hatve veya "iletkenlik" hatasına sahip bir kurşun vida, zayıf doğrulukla birlikte iyi bir tekrarlanabilirliğe sahip olabilir. Ön yük, somunu eksenel konumunda sert tutar, boşluğu azaltır veya ortadan kaldırır ve somunun ve yükün vida milinin dönüşüne göre tutarlı bir şekilde hareket etmesini sağlar. Ancak perde hatası, amaçlanan döndürme-çeviri ilişkisini bozar, dolayısıyla sistem hatalı olur.

Çözünürlük, gerçekleştirilebilecek en küçük hareket artışıdır. Örneğin, komut konumu 2 μm uzaktaysa ancak sistemin çözünürlüğü 4 μm ise doğruluk 2 μm'den daha iyi olamaz. Bu koşullar altında sistemin istenilen konuma daha fazla yaklaşma kararlılığı yoktur.

Bir sistemin doğru olması için tüm bileşenlerinin doğru, tekrarlanabilir olması ve yeterli çözünürlük sunması gerekir. Her ne kadar bir sistem iyi bir "öncülük" doğruluğu sağlasa da, zayıf tekrarlanabilirlik sağlasa da (yani sistem, komut noktası çevresinde rastgele dağılım oluşturur), genel sistem doğruluğu, tekrarlanabilirliğinden daha iyi olamaz.

Rehberli önlemler

Doğrusal hareket cihazları iki temel bileşenden oluşur: doğrusal bir kılavuz ve itme kuvveti üreten bir cihaz. Kılavuz, üç boyutlu uzayda mevcut olan 6 serbestlik derecesinden 5'indeki hareketi kısıtlamaktan sorumludur. İdeal kılavuz, Y ve Z eksenlerinde hiçbir ötelemeye ve hiçbir eksen etrafında dönmeye izin vermez. İtme cihazının (genellikle bir kurşun veya bilyalı vida) elbette yalnızca sınırlandırılmamış eksende hareket üretmesi beklenir. Bu iki bileşenin doğruluğunu ayrı ayrı değerlendirmek ve daha sonra genel doğruluğu belirlemek için sonuçları birleştirmek uygundur.

Önce rehbere bakalım. Doğrusal bir kılavuzda çeşitli hata kaynakları bulunabilir: yukarı, aşağı veya yan yana eğrilik, diğer bir deyişle düzlük ve doğrusallıktaki sapmalar; dikey salgı; ve rehber ile takipçi arasındaki süreksizlikler.

Düzlük ve düzlük, genellikle en büyük boyutlara sahip oldukları için en yaygın endişelerdir. Mükemmel şekilde yapılmış bir kılavuz, XY düzlemine paralel bir düzlem boyunca ve ayrıca X eksenine paralel bir çizgi boyunca hareket eder. Düzlük hatası esasen XY düzleminden sapmadır. Bir veya iki yönde basit eğriliği kapsayabilir. Düzlük hatası her zaman Z (dikey) ekseninde öteleme yaratır. Eğrinin yönüne bağlı olarak, Y ekseni etrafında adım dönüşüne, X ekseni etrafında yuvarlanmaya (iki boyutlu eğrilik durumunda) veya her ikisine birden neden olabilir. Çarpıtma aynı zamanda Y ekseninde istenen harekete dik olarak hafif bir öteleme de oluşturabilir.

Doğrusallık hatası, taşıyıcının hareket çizgisinin X eksenine paralel olarak ayrılarak ±Y yönüne doğru kıvrılmasına neden olur. Y eksenindeki yer değiştirmenin yanı sıra, Z ekseni etrafında bir sapma dönüşüne de neden olacaktır.

Dikey salgı, ötelenirken doğrusal kılavuzun yüksekliğinde meydana gelen sistematik bir değişikliktir. Bunun nedeni, Z ekseninde öteleme oluşturan dayanma yüzeylerinin imalatındaki yanlışlıklar olabilir. Çoğu kılavuz üreticisi, düzlüğün yanı sıra düzlüğü veya dikey salgıyı da listeler. Doğrusal bir kılavuzun dönme olmadan anlık Y veya Z ötelenmesini tetiklemesi mümkündür, ancak bunların büyüklüğü genellikle küçüktür. Doğrusal kılavuz takipçisi, kusurları uzunluğu boyunca dağıtma eğiliminde olup, istenen harekete çapraz ani kaymaları bastırır.

Dönmenin doğruluk üzerindeki etkisi, ilgi noktasının konum referanslama cihazına göre nerede olduğuna bağlıdır; bu belki de kılavuz vidanın kendisi veya geri bildirim için kullanılan doğrusal bir ölçek olabilir. Her iki durumda da cihazın konumu, istenilen hareket yönüne paralel olarak ölçüm hattını oluşturur. Ancak doğrusal hareket sisteminin hedef noktası olan ilgi noktası ölçüm hattından kaydırılabilir. Bu nedenle herhangi bir dönüş, her birinde farklı yay uzunluklarına neden olacaktır. Ve gerçek hareket mesafesi, dönüş miktarına ve ofsete göre ölçekte kaydedilen mesafeden farklı olacaktır. Ofset ne kadar büyük olursa, Abbé hatası olarak bilinen dönmelerden kaynaklanan çeviri hataları da o kadar büyük olur. Referans cihazı olarak kullanılan kılavuz vida ile ölçüm çizgisi merkezdedir. Ancak genellikle doğrusal kodlayıcılar kullanılır ve yan tarafa monte edilir. Bu, ilgilenilen noktanın konumuna bağlı olarak Abbé hatası koşullarını kötüleştirebilir veya iyileştirebilir (her zaman taşıyıcı ve kılavuz vidayla aynı hizada değildir).

Bunun aksine, Y ve Z eksenlerinde süreksizlikler ve dikey salgı nedeniyle oluşan saf öteleme hataları, ilgilenilen noktadan bağımsız olarak sabit kalır. Rotasyonlardan kaynaklanan hatalar çok daha aldatıcı olabilir. Ofseti en aza indirmek, daha hassas kılavuzlara sahip bir konumlandırma sistemi oluşturmaktan genellikle daha kolay ve daha uygun maliyetlidir.

Sürüş hatası

İtme birçok yolla üretilebilir. Yaygın olarak kullanılan yüksek hassasiyetli cihazlar kurşun vidalar, bilyalı vidalar ve doğrusal motorlardır. Kurşun vidalar ve bilyalı vidalar, doğaları gereği belirli bir tür hata yaratır. Vida döndükçe takipçi, dönme hareketini doğrusala dönüştüren sarmal bir yol üzerinde hareket eder. Helis açısı hiçbir zaman mükemmel olmadığından, az veya fazla hareket beklenmelidir. Bu döngüsel (2π hatası olarak bilinir) veya sistematik (300 mm hareket başına ortalama hata olarak ölçülür) olabilir. Ayrıca salınım veya hareket değişiminin ara frekansları da olabilir. Ortalama hata, kontrolör telafisi ile kolayca ortadan kaldırılabilir. Ara ve döngüsel hataların giderilmesi oldukça zorlaşır. C3 sınıfı hassas bir topraklama vidasının ortalama veya sistematik hatası 8 μm ve 2π hatası 6 μm olacaktır. Daha düşük hassasiyetli vidalarda 2π hatası, ortalama hataya göre önemsiz olduğundan raporlanmaz. Tüm konumlandırma sınıfı kurşun vidalar için ortalama "uç" hatası listelenmiştir.

Gerçek konumu kontrol cihazına geri bildirmek için doğrusal kodlayıcıyla birlikte bir kurşun veya bilyalı vida kullanılabilir. Bu, vidanın diş formunda ultra yüksek doğruluk ihtiyacını ortadan kaldırır. Ölçek yetenekleri ve kontrol döngüsü ayarı, doğrusal doğruluk için sınırlayıcı faktörlerdir.

Doğrusal motorlar, doğrusal kodlayıcıdan veya buna benzer başka bir algılama cihazından gelen geri bildirime dayalı olarak hareketi düzenler. Geri besleme cihazının doğruluğu ve çözünürlüğü, her türlü servo uygulamasında önemli bir oyuncu olan sistem ayarı gibi sistem doğruluğunu da sınırlayacaktır. Ayarlama için ölü bir bant seçilir, böylece taşıyıcı bu aralık dahilinde bir konuma ulaştığında avlanmayı durdurur. Bu, yerleşme süresini azaltır ancak aynı zamanda cihazın tekrarlanabilirliğini ve çözünürlüğünü de azaltır. Bununla birlikte, sistemin boşluğunu, sürtünmesini, sapmasını ve benzerlerini oluşturacak hiçbir ara mekanik eleman bulunmadığından, lineer motorlar, kurşun veya bilyalı vidayla tahrik edilen bir sistemin doğruluğunu aşabilir.

Parçaların toplamı

Bir hareket ekseni boyunca genel doğruluğu belirlemek için kılavuz ve itme cihazı hataları birleştirilmelidir. Dönme hataları, ilgilenilen noktada ötelemeye dönüştürülür. Bu hata daha sonra aynı yönde diğer çeviri hatalarıyla birleştirilebilir.

Abbé hatası, dönme ekseni etrafındaki toplam açı değişiminin tanjantının ofset mesafesiyle çarpılmasıyla hesaplanır. Her dönüş için ofset, dönme eksenine dik düzlemde alınmalıdır. Abbé hatasını neredeyse ortadan kaldırmanın tek yolu, geri bildirim cihazını ilgi noktasına konumlandırmaktır.

Kılavuzun öteleme hataları her yönde hesaplandıktan sonra, bunlar yalnızca X ekseni boyunca hataya katkıda bulunan itme cihazından kaynaklanan hatayla birleştirilebilir ve toplam sistem hatası ölçülür.

Tek eksenli doğrusal hareket cihazını analiz ediyorsanız, her yön için öteleme hatalarını konumlandırma gereksinimlerinizle kolayca karşılaştırabilirsiniz. Herhangi bir eksende kabul edilemez bir hata varsa, o eksenin hata bileşenlerini birer birer giderebilirsiniz.

Sistem birden fazla doğrusal hareket tertibatına sahip çok eksenli ise, yine de tek bir ilgi noktanız olur; her eksen için aynıdır. İlgi noktasından en uzak eksen, Abbé hatası açısından en yüksek potansiyele sahip olacaktır. Her aşamadaki çeviri hataları, toplam sistem hatasını belirlemek için ilgi noktasında toplanabilir. Ancak artık eksenler arasındaki diklik de dikkate alınmalıdır. Bu saf bir çeviri üretir. Örneğin bir XY aşaması durumunda, Y ekseninin X'e göre bükülmesi, Y ekseni geçerken ek bir X ötelenmesi üretecektir. Bu, trigonometriyle veya ofsetin doğrudan ölçülmesiyle belirlenebilir. Döndürmelerden farklı olarak çevirilerin ofsetten, yani ilgilenilen noktaya olan mesafeden bağımsız olduğunu unutmayın. Diklik ofsetini doğrudan genel hata bütçenize ekleyebilirsiniz.

Son olarak, "doğruluk" teriminin oldukça özgürce kullanıldığını ve çoğu zaman yoruma açık bırakılabileceğini unutmayın. Bazen belirtilen doğruluk spesifikasyonu yalnızca konumlandırma vidasını hesaba katar. Bu tür yarım yamalak bir gösterim yanıltıcı olabilir. Örneğin, sorun aslında Abbé hatasından kaynaklanıyorsa, bir tasarımcı ortalama kurşun hatasını iyileştirerek sistem doğruluğunu iyileştirmeyi düşünebilir. Optimum yaklaşım değil. Hata kaynağı belirlendikten sonra çoğu zaman basit ve ekonomik bir geometrik çözüm bulunur.