В электронной, оптической, компьютерной, контрольно-измерительной, автоматизированной и лазерной отраслях требуются разнообразные спецификации систем позиционирования.Ни одна система не подходит всем.

Чтобы обеспечить оптимальную работу высокоточной системы позиционирования, все ее компоненты — подшипники, система измерения положения, система двигателя и привода, а также контроллер — должны работать вместе как можно лучше, чтобы соответствовать критериям применения.

Основание и подшипник

Чтобы выбрать оптимальную конфигурацию системы, сначала рассмотрите её механическую часть. Для линейных ступеней существуют четыре распространённых варианта конструкции основания и подшипников:
• Алюминиевое основание и направляющие с шарикоподшипниковыми направляющими.
• Алюминиевое или стальное основание и алюминиевая или стальная боковина с четырьмя блоками рециркулирующих роликовых подшипников на стальных рельсах.
• Основание и направляющие из литого чугуна марки «Механит» со встроенными роликовыми подшипниками.
• Гранитные направляющие с гранитными или чугунными направляющими и воздушными подшипниками.

Алюминий легче механита или стали, но менее жёсткий, менее стабильный, менее устойчив к ударам и нагрузкам. Кроме того, алюминий гораздо более чувствителен к перепадам температур. Чугун на 150% жёстче алюминия и на 300% лучше гасит вибрации. Сталь долговечнее и прочнее железа. Однако она подвержена длительному звону, что негативно сказывается на скорости перемещения и стабилизации.

Гранитные направляющие с воздушными подшипниками обеспечивают самую жёсткую и долговечную комбинацию. Гранит можно полировать до плоскостности и прямолинейности с точностью до субмикрона. Недостаток гранитного стола заключается в том, что из-за своей массы он занимает больше места и весит больше, чем система позиционирования на основе стали или железа. Однако, поскольку подшипники не контактируют с поверхностями гранитных направляющих, износ отсутствует, а воздушные подшипники в значительной степени самоочищаются. Кроме того, гранит обладает отличными характеристиками гашения вибраций и термостабильностью.

Кроме того, конструкция самого стола играет важную роль в его общей производительности. Столы представлены в различных конфигурациях: от сборных конструкций с множеством деталей на болтах до простых литых оснований и направляющих. Использование одного материала во всей конструкции стола, как правило, обеспечивает более равномерную реакцию на изменения температуры, что приводит к более точной работе системы. Такие особенности, как рёбра жёсткости, обеспечивают демпфирование, что способствует быстрой усадке.

Преимущество цельных направляющих перед болтовыми соединениями заключается в том, что даже после длительного срока эксплуатации не требуется регулировка направляющих для обеспечения предварительной нагрузки.

В подшипниках с перекрёстными роликами контакт между роликом и дорожкой качения осуществляется по линии, тогда как в шарикоподшипниках контакт между шариком и дорожкой качения осуществляется по точке. Это, как правило, обеспечивает более плавное движение роликовых подшипников. Деформация поверхности (и износ) на поверхности качения меньше, а площадь контакта больше, что позволяет распределить нагрузку более равномерно. Стандартные нагрузки составляют от 4,5 до 14 кг/ролик, а также высокая механическая жёсткость — около 150–300 Н/мкм. К недостаткам можно отнести трение, возникающее при линейном контакте.

Однако малая площадь контакта, ограничивающая трение шарикоподшипника, также ограничивает его грузоподъёмность. Роликовые подшипники, как правило, имеют более длительный срок службы, чем шариковые. Однако роликовые подшипники стоят дороже.

Стандартные размеры столов одного производителя включают длину от 25 до 1800 мм и ширину направляющих от 100 до 600 мм.

Конфигурация с воздушными подшипниками состоит из подъёмных и направляющих подшипников, предварительно нагруженных противолежащими воздушными подшипниками или мощными редкоземельными магнитами, встроенными в направляющие элементы. Такая бесконтактная конструкция исключает трение, характерное для других подшипников. Кроме того, воздушные подшипники не подвержены механическому износу. Более того, воздушные подшипники могут быть размещены на большом расстоянии друг от друга. Таким образом, результирующие геометрические погрешности усредняются, обеспечивая угловые отклонения менее 1 угловой секунды и прямолинейность лучше 0,25 микрона на расстоянии 200 мм.

Числовые значения сложно определить, так как они зависят от многих факторов. Например, точность позиционирования зависит не только от подшипников или направляющих, но и от системы измерения положения и контроллера. Трение в системе позиционирования зависит не только от выбранной приводной системы, но и от регулировки подшипников, герметизации стола, смазки и т. д. Поэтому точные значения, которых можно достичь, во многом зависят от сочетания всех компонентов, что, в свою очередь, зависит от области применения.

Система привода

Из множества типов приводных систем — ременной, реечный, ходовой винтовой, прецизионный шарико-винтовой и линейный двигатель — только последние два рассматриваются для большинства высокоточных систем позиционирования.

Шарико-винтовые приводы обладают различными характеристиками разрешения, точности и жёсткости и могут обеспечивать высокие скорости (более 250 мм/с). Однако, поскольку шарико-винтовой привод ограничен критической скоростью вращения винта, для более высокой скорости требуется меньший шаг, что даёт меньший механический выигрыш и более мощный двигатель. Обычно это означает переход на более мощный двигатель с более высоким напряжением на шине. Шарико-винтовые приводы, несмотря на широкое распространение, также могут страдать от люфта, закручивания, циклических ошибок шага и трения. Также не учитывается жёсткость механического соединения двигателя и привода.

В линейном серводвигателе электромагнитная сила напрямую воздействует на подвижную массу без механического соединения. Отсутствуют механический гистерезис и циклическая погрешность шага. Точность полностью зависит от системы подшипников и системы управления с обратной связью.

Динамическая жёсткость показывает, насколько хорошо сервосистема сохраняет положение в ответ на импульсную нагрузку. Как правило, более широкая полоса пропускания и более высокий коэффициент усиления обеспечивают более высокую динамическую жёсткость. Её можно количественно оценить, разделив измеренную импульсную нагрузку на расстояние прогиба:

Динамическая жесткость = ΔF/ΔX

Высокая жёсткость и высокая собственная частота обеспечивают превосходную работу сервопривода с коротким временем установления. Каретка быстро реагирует на команды изменения положения, поскольку отсутствует механическая связь между двигателем и кареткой. Кроме того, отсутствие «звона» шарико-винтовой передачи обеспечивает быстрое перемещение и установление.

Бесщёточный линейный двигатель состоит из блока постоянных магнитов, закреплённого на основании машины, и блока катушек, закреплённого на каретке. Между блоком катушек и магнитами поддерживается зазор около 0,5 мм. Физический контакт между этими двумя блоками отсутствует.

В сердечнике подвижной катушки расположен ряд перекрывающихся изолированных медных катушек. Они имеют прецизионную намотку и шаг спиралей для работы в трёхфазном режиме. Для электронной коммутации используется ряд датчиков Холла. Конструкция коммутационной электроники обеспечивает движение с пренебрежимо малыми пульсациями силы. Поскольку коммутация электронная, а не механическая, исключается возникновение дуги.

Эти свойства делают линейный серводвигатель полезным в приложениях, требующих высокого ускорения (например, 2,5 м/с² или более), высокой скорости (например, 2 м/с или более) или точного управления скоростью даже при очень низкой скорости (например, всего несколько мм/с). Более того, такой двигатель не требует смазки или другого обслуживания и не подвержен износу. Как и в случае любого другого двигателя, из-за рассеивания тепла среднеквадратичное значение постоянной силы или тока не должно превышать допустимых значений в течение длительного времени.

Линейные серводвигатели выпускаются с постоянным усилием привода от 25 до более чем 5000 Н. Большинство крупных двигателей имеют воздушное или водяное охлаждение. Несколько линейных двигателей можно соединить параллельно или последовательно для получения большего усилия привода.

Поскольку между двигателем и кареткой нет механической связи, отсутствует и механическое передаточное отношение, как в шарико-винтовой передаче. Нагрузка передаётся на двигатель в соотношении 1:1. В шарико-винтовой передаче инерция нагрузки, действующая на каретку и двигатель, уменьшается пропорционально квадрату передаточного отношения. Это делает линейный привод менее подходящим для приложений с частыми изменениями нагрузки, если только вы не используете контроллер, который можно запрограммировать с различными наборами параметров управления двигателем, соответствующими различным нагрузкам, для эффективной сервокомпенсации.

Для многих вертикальных применений шарико-винтовая передача проще и экономичнее — линейный двигатель должен постоянно работать, чтобы компенсировать силу тяжести. Кроме того, электромеханический тормоз может блокировать положение стола при отключении питания. Однако линейный двигатель можно использовать, если компенсировать вес двигателя и груза с помощью пружины, противовеса или пневмоцилиндра.

Первоначальная стоимость линейного двигателя и шарико-винтового привода, включающего двигатель, муфты, подшипники, подшипниковые блоки и шарико-винтовой привод, практически не различаются. В целом, щёточный линейный двигатель немного дешевле шарико-винтового привода, а бесщёточные варианты обычно несколько дороже.

Необходимо учитывать не только первоначальную стоимость. Более реалистичное сравнение включает в себя техническое обслуживание, надежность, долговечность и стоимость замены, включая оплату труда. Здесь линейный двигатель показывает себя с самой лучшей стороны.

Часть 2 будет посвящена системам измерения положения.