Ни одна система не подходит всем.

Компоненты вашей высокоточной системы позиционирования — основание и подшипники, система измерения положения, система двигателя и привода, а также контроллер — должны работать максимально эффективно. В части 1 мы рассмотрели основание и подшипники системы. Здесь мы рассмотрим измерение положения. В части 3 мы рассмотрим конструкцию платформы, привода и энкодера, усилитель привода и контроллеры.

Система измерения положения

В целом, контроллеры можно разделить на контроллеры с разомкнутым и замкнутым контуром. В контроллерах с разомкнутым контуром (обычно используемых с шаговыми двигателями) каждый импульс, выдаваемый контроллером, вызывает определённое смещение ползуна. Однако невозможно определить величину этого смещения. Например, может быть выдано 500 импульсов, но из-за трения, несоответствия шарико-винтовой передачи, гистерезиса, ошибок намотки и т. д. стол может переместиться всего за 498 импульсов. Основным недостатком является отсутствие коррекции ошибок позиционирования.

В системе с замкнутым контуром, или сервосистеме, энкодер положения обеспечивает обратную связь с контроллером. Контроллер продолжает посылать сигналы управления двигателем до тех пор, пока ползун не достигнет точно заданного положения.

На верхнем рисунке изображен слайд без обратной связи по положению, а также 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. Допуски, износ и податливость 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 ±5–±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 каретке и измеряют её положение. Погрешности, связанные с неточностями шарико-винтовой передачи, также не вносят погрешностей. Типичная точность самой шкалы составляет от ±1 до ±5 мм/м. Это также соответствует точности самой каретки в месте установки измерительной головки.

Нагрузка на платформу (точность положения которой нас интересует) всегда находится на некотором расстоянии от измерительной шкалы, измеренной в направлении, перпендикулярном направлению движения, поскольку большинство энкодеров расположены под кареткой, а груз — сверху. Это ещё более заметно при использовании многоуровневых платформ. Во время движения, если каретка немного наклоняется из-за отклонений прямолинейности направляющих, ошибок реверса и т. д., возникает отклонение положения нагрузки относительно энкодера.

Небольшая угловая погрешность при большом смещении, например, при использовании многоуровневых XY-позиционных столов, может привести к увеличению погрешности шкалы. Другими словами, измерительная шкала обеспечивает точную информацию о положении только в месте крепления измерительной головки.

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

Для высокоточных приложений наилучшим выбором является система обратной связи позиционирования на основе лазера-интерферометра с плоскими зеркалами. Длина волны гелий-неонового лазера, 632,8 нм, служит стандартом. Нанометр равен 1 × 10⁻¹ метра. Для стабилизированного лазерного источника возможна точность около ±0,1 мм/м с разрешением до λ/1024 или 0,617 мкм. Лямбда (λ) — это длина волны света.

Главное преимущество заключается в том, что зеркала могут располагаться в месте приложения нагрузки, то есть там, где точность действительно важна. Ошибки Аббе исключаются. Плоскостность зеркала, обычно в субмикронном диапазоне, определяет линейность движения слайда.

Кроме того, поскольку движение стола XY 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, помимо прочего, зависит от температуры, давления и относительной влажности воздуха. При использовании измерительной шкалы изменение температуры приводит к погрешностям измерений из-за расширения материала шкалы. Типичные коэффициенты расширения стеклянных и стальных шкал составляют 8 и 10 мм/м на градус Кельвина. С помощью лазерного интерферометра, где невозможно поддерживать стабильную среду, можно вносить поправки на атмосферные изменения с помощью дополнительных компонентов автоматической компенсации.