Прямий, точний рух далеко не легкий.

Прямий, точний рух далеко не простий, і пристрої лінійного позиціонування доводять це, помиляючись не в одному, а в трьох вимірах

Саме тоді, коли ви думали, що концепція «лінійного руху» впроваджена в життя – відразу натискайте потрібні точки, і ви вже вдома – з’являються п’ять ступенів свободи, що залишилися, щоб зірвати вечірку. З грубої точки зору, це правда, лінійна каретка переміщується в основному вздовж однієї осі (назвіть її віссю X), але всі сконструйовані частини мають недоліки, і з нашими постійно зростаючими потребами в точності й точності наша увага до деталей також має прогресувати відповідно.

Отже, щоб детально описати точність системи, ми повинні врахувати всі шість ступенів свободи, це трансляція по осях X, Y і Z і обертання приблизно однаково.

Проблеми розміщення

Для початку давайте чітко визначимо ключові параметри позиціонування. Незважаючи на те, що більшість інженерів знайомі з термінами точність, повторюваність і роздільна здатність, на практиці ними часто зловживають. Точність є найважчим для досягнення з трьох, потім повторюваність і, нарешті, роздільна здатність. Точність пояснює, наскільки близько система в русі наближається до командної позиції, точної позиції, що лежить у теоретичному просторі XYZ.

Повторюваність або точність, з іншого боку, відноситься до помилки між послідовними спробами переміщення в те саме місце з випадкових напрямків. Повністю повторювана лінійна система може бути дуже неточною – вона може бути здатна постійно досягати одного й того самого місцезнаходження, яке, як виявляється, знаходиться на великій відстані від заданого. Як приклад, ходовий гвинт із сильно попередньо натягнутою слідковою гайкою, але зі значною похибкою кроку або «випередження» може мати добру повторюваність разом із низькою точністю. Попереднє натяг утримує гайку в осьовому положенні, зменшуючи або усуваючи люфт і забезпечуючи послідовне переміщення гайки та навантаження відповідно до обертання вала гвинта. Але помилка висоти виснажує запланований зв’язок обертання з переміщенням, тому система є неточною.

Роздільна здатність - це найменший приріст руху, який можна реалізувати. Якщо, наприклад, позиція команди знаходиться на відстані 2 мкм, але роздільна здатність системи становить 4 мкм, точність може бути не кращою за 2 мкм. За цих обставин система не має дозволу наближатися до бажаної позиції.

Щоб система була точною, усі її компоненти мають бути точними, повторюваними та мати достатню роздільну здатність. Хоча система може забезпечувати хорошу «випереджуючу» точність, але погану повторюваність (тобто система формує випадковий розкид навколо командної точки), загальна точність системи не може бути кращою, ніж її повторюваність.

Керовані заходи

Пристрої лінійного руху складаються з двох основних компонентів: лінійної направляючої та пристрою для створення тяги. Направляюча відповідає за обмеження руху в 5 з 6 доступних в тривимірному просторі ступенів свободи. Ідеальна напрямна не допускає переміщення по осях Y і Z і жодного обертання навколо будь-якої з осей. Очікується, що тяговий пристрій (зазвичай ходовий або кульковий гвинт) буде здійснювати рух лише по нестримній осі. Зручно оцінити точність цих двох компонентів окремо, а потім об’єднати результати для визначення загальної точності.

Давайте спочатку подивимося на посібник. Лінійна напрямна може страждати від кількох джерел похибок: викривлення вгору та вниз або збоку в бік – іншими словами, відхилення в плоскості та прямолінійності; вертикальне биття; і розриви між керівництвом і послідовником.

Плоскість і прямолінійність є найбільш поширеними проблемами, оскільки вони зазвичай найбільші за величиною. Ідеально зроблена напрямна рухається вздовж площини, паралельної площині XY, а також уздовж лінії, паралельної осі X. Похибка площинності - це, по суті, відхилення від площини XY. Він може охоплювати просту кривизну в одному або двох напрямках. Помилка площинності завжди створює перенесення по осі Z (вертикальній). Залежно від орієнтації кривизни, це може спричинити обертання нахилу навколо осі Y, крен навколо осі X (випадок із двовимірною деформацією) або обидва. Викривлення також може генерувати легке переміщення по осі Y, перпендикулярне бажаному руху.

Помилка прямолінійності призводить до того, що лінія ходу каретки виходить за межі паралелі з віссю X, викривляючись у напрямку ±Y. Окрім зміщення по осі Y, це спричинить поворот навколо осі Z.

Вертикальне биття — це систематична зміна висоти лінійної напрямної при її перекладі. Це може бути пов'язано з неточностями у виготовленні опорних поверхонь, що створюють переміщення по осі Z. Більшість виробників напрямних вказують площинність або вертикальне биття разом із прямолінійністю. Лінійна напрямна може викликати миттєве переміщення Y або Z без обертання, але величина цього зазвичай невелика. Лінійний направляючий слідк має тенденцію розподіляти недоліки по своїй довжині, пригнічуючи раптові зрушення в поперечному напрямку до бажаного руху.

Вплив обертання на точність залежить від того, де знаходиться точка інтересу відносно пристрою визначення положення, яким, можливо, є сам ходовий гвинт або лінійна шкала, яка використовується для зворотного зв’язку. У будь-якому випадку розташування пристрою утворює лінію вимірювання, паралельну бажаному напрямку руху. Проте точка інтересу, яка є цільовою точкою системи лінійного руху, може бути зміщена від лінії вимірювання. Таким чином, будь-яке обертання призведе до різної довжини дуги в кожному. І фактична відстань переміщення буде відрізнятися від відстані, зареєстрованої на шкалі, відповідно до величини обертання та зміщення. Чим більше зсув, тим більші помилки трансляції через повороти – відомі як помилки Аббе. Коли сам ходовий гвинт використовується як контрольний пристрій, лінія вимірювання розташована по центру. Але зазвичай використовуються лінійні кодери, які встановлюються збоку. Це може погіршити або покращити умови для помилки Аббе, залежно від розташування точки інтересу (вона не завжди вирівнюється з кареткою та ходовим гвинтом).

Навпаки, чисті помилки трансляції по осях Y і Z через розриви та вертикальне биття залишаються незмінними незалежно від точки інтересу. Помилки від обертання можуть бути набагато більш оманливими. Як правило, простіше та економічніше мінімізувати зміщення, ніж будувати систему позиціонування з більш точними напрямними.

Помилка водіння

Тяга може бути створена різними способами. Поширеними високоточними пристроями є ходові гвинти, кулькові гвинти та лінійні двигуни. Ходові гвинти та кулькові гвинти створюють певний тип помилки, властивий їх природі. Коли гвинт обертається, толкатель рухається по гвинтовій траєкторії, перетворюючи обертальний рух на лінійний. Оскільки кут спіралі ніколи не буває ідеальним, слід очікувати недостатній або надмірний хід. Це може бути циклічним (відомим як помилка 2π) або систематичним (вимірюється як середня помилка на 300 мм шляху). Можуть бути також проміжні частоти коливань або зміни ходу. Середню похибку можна легко усунути за допомогою компенсації контролера. Проміжні та циклічні помилки стає досить важко усунути. Гвинт прецизійного заземлення класу C3 матиме середню або систематичну похибку 8 мкм і похибку 2π 6 мкм. Для гвинтів меншої точності помилка 2π не повідомляється, оскільки вона є незначною відносно середньої помилки. Середня похибка «виведення» вказана для всіх ходових гвинтів класу позиціонування.

Ходовий або кульковий гвинт можна використовувати разом із лінійним енкодером, щоб подати фактичне положення назад до контролера. Це усуває потребу в надвисокій точності форми різьби гвинта. Тоді можливості масштабування та налаштування контуру керування є обмежуючими факторами для лінійної точності.

Лінійні двигуни регулюють рух на основі зворотного зв’язку від лінійного кодера або іншого подібного чутливого пристрою. Точність і роздільна здатність пристрою зворотного зв'язку обмежать точність системи, як і налаштування системи, важливий гравець у будь-якій сервосистемі. Для налаштування вибирається зона нечутливості, коли коли каретка досягає положення в межах цього діапазону, вона припиняє полювання. Це зменшує час встановлення, але також зменшує повторюваність і роздільну здатність пристрою. Тим не менш, оскільки немає проміжних механічних елементів, які створюють системний люфт, зчеплення, відхилення тощо, лінійні двигуни здатні перевищувати точність системи з ходовим або кульковим гвинтом.

Сума частин

Щоб визначити загальну точність уздовж однієї осі руху, необхідно поєднати похибки направляючого та натискного пристроїв. Обертальні помилки перетворюються на поступальні в точці інтересу. Потім цю помилку можна поєднати з іншими помилками перекладу в тому ж напрямку.

Похибка Аббе обчислюється множенням тангенса повної зміни кута відносно осі обертання на відстань зсуву. Для кожного повороту зміщення слід брати в площині, перпендикулярній до осі обертання. Єдиний спосіб практично усунути помилку Аббе - це розташувати пристрій зворотного зв'язку в точці інтересу.

Після того, як похибки поступального руху направляючої обчислено в кожному напрямку, їх можна об’єднати з похибкою від тягового пристрою, яка сприяє похибці лише вздовж осі X, і загальна похибка системи визначається кількісно.

Якщо ви аналізуєте одноосьовий пристрій лінійного руху, ви можете просто порівняти похибки трансляції для кожного напрямку з вашими вимогами до позиціонування. Якщо будь-яка вісь має неприйнятну помилку, ви можете усунути компоненти помилки цієї осі по черзі.

Якщо система є багатоосьовою, з декількома вузлами лінійного руху, у вас все ще є лише одна точка інтересу; це однаково для кожної осі. Найвіддаленіша вісь від точки інтересу матиме найвищий потенціал помилки Аббе. Помилки перекладу з кожного етапу можна підсумувати в цікавій точці, щоб визначити загальну помилку системи. Однак зараз також потрібно враховувати ортогональність між осями. Це створює чистий переклад. Наприклад, у випадку стадії XY перекіс осі Y щодо X призведе до додаткового переміщення X під час переміщення осі Y. Це можна визначити за допомогою тригонометрії або шляхом безпосереднього вимірювання зсуву. Пам’ятайте, що на відміну від обертання, зсув не залежить від зсуву, відстані до точки інтересу. Ви можете додати зміщення ортогональності безпосередньо до загального бюджету помилок.

Нарешті, майте на увазі, що термін «точність» використовується досить вільно і часто може залишатися відкритим для тлумачення. Іноді наведена специфікація точності враховує лише позиціонуючий гвинт. Цей тип схематичного представлення може ввести в оману. Наприклад, розробник може подумати про покращення точності системи шляхом покращення середньої помилки випередження, коли проблема фактично заснована на помилці Аббе. Не оптимальний підхід. Багато разів є просте та економічне геометричне рішення, коли джерело помилки ідентифіковано.