Прямий, точний рух далеко не простий.

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 зрозуміли концепцію «лінійного руху» – влучили в потрібні точки на прямій, і ви вдома – з’являються решта п’ять ступенів свободи, які зірвали вечірку. З грубої точки зору, це правда, що лінійна каретка переміщується переважно вздовж однієї осі (назвемо її віссю X), але всі інженерні деталі мають недоліки, і з нашою постійно зростаючою потребою в точності та прецизійності, наша увага до деталей також повинна відповідно розвиватися.

Отже, щоб ретельно описати точність системи, ми повинні врахувати всі шість ступенів свободи, а саме: поступове зміщення по осях X, Y та Z, а також обертання приблизно однакового розміру.

Проблеми розміщення

Для початку давайте чітко визначимо ключові параметри позиціонування. Хоча більшість інженерів знайомі з термінами «точність», «повторюваність» та «роздільна здатність», на практиці вони часто використовуються неправильно. Точність є найскладнішим з трьох показників для досягнення, далі йде повторюваність і, нарешті, роздільна здатність. Точність пояснює, наскільки близько система в русі наближається до командної позиції, точної позиції, що лежить у теоретичному просторі XYZ.

З іншого боку, повторюваність або точність стосується похибки між послідовними спробами переміщення в одне й те саме місце з випадкових напрямків. Ідеально повторювана лінійна система може бути дуже неточною – вона може бути здатною постійно досягати одного й того ж місця, яке, як виявляється, знаходиться далеко від заданого. Наприклад, ходовий гвинт із сильно попередньо натягнутою гайкою слідкувача, але зі значною похибкою кроку або «випередження», може мати хорошу повторюваність разом із низькою точністю. Попередній натяг утримує гайку жорсткою в її осьовому положенні, зменшуючи або усуваючи люфт і забезпечуючи стабільний рух гайки та навантаження відповідно до обертання валу гвинта. Але похибка кроку порушує заплановане співвідношення обертання до поступального переміщення, тому система є неточною.

Роздільна здатність – це найменший крок переміщення, який можна реалізувати. Якщо, наприклад, позиція команди знаходиться на відстані 2 мкм, але роздільна здатність системи становить 4 мкм, точність не може бути кращою за 2 мкм. За цих обставин система не має роздільної здатності, щоб наблизитися до потрібної позиції ближче.

Щоб система була точною, всі її компоненти повинні бути точними, повторюваними та пропонувати достатню роздільну здатність. Хоча система може забезпечувати хорошу точність «випередження», але погану повторюваність (тобто система утворює випадковий розкид навколо точки керування), загальна точність системи не може бути кращою за її повторюваність.

Керовані заходи

Пристрої лінійного руху складаються з двох основних компонентів: лінійної напрямної та пристрою для створення зусилля. Напрямна відповідає за обмеження руху в 5 з 6 ступенів свободи, доступних у тривимірному просторі. Ідеальна напрямна не допускає жодного поступального зміщення по осях Y та Z та жодного обертання навколо будь-якої з осей. Звичайно, очікується, що тяговий пристрій (зазвичай ходовий або кульовий гвинт) створюватиме рух лише по вільній осі. Зручно оцінити точність цих двох компонентів окремо, а потім об'єднати результати для визначення загальної точності.

Спочатку розглянемо напрямну. Лінійна напрямна може мати кілька джерел похибки: кривизна вгору та вниз або з боку в бік – іншими словами, відхилення площинності та прямолінійності; вертикальне биття; та розриви між напрямною та ведучою частиною.

Площинність та прямолінійність є найпоширенішими проблемами, оскільки вони зазвичай найбільші за величиною. Ідеально виготовлена ​​напрямна рухається вздовж площини, паралельної площині XY, і, крім того, вздовж лінії, паралельної осі X. Похибка площинності, по суті, є відхиленням від площини XY. Вона може охоплювати просту кривизну в одному або двох напрямках. Похибка площинності завжди створює переміщення вздовж осі Z (вертикальної). Залежно від орієнтації кривизни, це може спричинити обертання навколо осі Y, кочення навколо осі X (у випадку двовимірної деформації) або те й інше. Деформація також може створювати незначне переміщення вздовж осі Y, перпендикулярне до бажаного руху.

Похибка прямолінійності призводить до того, що лінія руху каретки виходить за межі паралельності з віссю X, вигинаючись у напрямку ±Y. Окрім зміщення по осі Y, це викликає обертання навколо осі Z.

Вертикальне биття – це систематична зміна висоти лінійної напрямної під час її переміщення. Це може бути пов'язано з неточністю виготовлення опорних поверхонь, що створює переміщення по осі Z. Більшість виробників напрямних вказують також площинність або вертикальне биття, а також прямолінійність. Лінійна напрямна може викликати миттєве переміщення по осі Y або Z без обертання, але величина цих зрушень зазвичай невелика. Слідкувальний елемент лінійної напрямної прагне розподілити дефекти вздовж своєї довжини, пригнічуючи раптові зміщення поперек бажаного руху.

Вплив обертання на точність залежить від того, де знаходиться точка інтересу відносно пристрою для визначення положення, яким, можливо, є сам ходовий гвинт або лінійна шкала, що використовується для зворотного зв'язку. В будь-якому випадку розташування пристрою утворює лінію вимірювання, паралельну бажаному напрямку руху. Однак точка інтересу, яка є цільовою точкою системи лінійного руху, може бути зміщена відносно лінії вимірювання. Тому будь-яке обертання призведе до різної довжини дуги в кожній з них. І фактична відстань переміщення буде відрізнятися від відстані, зареєстрованої на шкалі, залежно від величини обертання та зміщення. Чим більше зміщення, тим більші похибки переміщення через обертання – відомі як похибка Аббе. Коли сам ходовий гвинт використовується як пристрій для визначення положення, лінія вимірювання знаходиться по центру. Але зазвичай використовуються лінійні енкодери, які монтуються збоку. Це може погіршити або покращити умови для похибки Аббе, залежно від розташування точки інтересу (вона не завжди вирівняна з кареткою та ходовим гвинтом).

На противагу цьому, чисті похибки переміщення по осях Y та Z, спричинені розривами та вертикальним биттям, залишаються постійними незалежно від точки інтересу. Похибки від обертань можуть бути набагато більш оманливими. Зазвичай простіше та економічно ефективніше мінімізувати зміщення, ніж створювати систему позиціонування з більш точними напрямними.

Помилка керування

Тягу можна створювати багатьма способами. Поширеними високоточними пристроями є ходові гвинти, кулькові гвинти та лінійні двигуни. Ходові гвинти та кулькові гвинти створюють специфічний тип похибки, властивий їхній природі. Під час обертання гвинта ведучий елемент рухається по гвинтовій траєкторії, перетворюючи обертальний рух на лінійний. Оскільки кут нахилу спіралі ніколи не буває ідеальним, слід очікувати недостатнього або надмірного ходу. Це може бути циклічним (відомим як похибка 2π) або систематичним (вимірюється як середня похибка на 300 мм ходу). Також можуть бути проміжні частоти коливань або варіації ходу. Середню похибку можна легко усунути за допомогою компенсації контролера. Проміжні та циклічні похибки стає досить важко усунути. Прецизійний шліфований гвинт класу C3 матиме середню або систематичну похибку 8 мкм та похибку 2π 6 мкм. Для гвинтів нижчої точності похибка 2π не вказується, оскільки вона незначна по відношенню до середньої похибки. Середня похибка «похибки» вказана для всіх ходових гвинтів класу позиціонування.

Ходовий або кульковий гвинт може використовуватися разом з лінійним енкодером для передачі фактичного положення назад до контролера. Це усуває необхідність надвисокої точності форми різьби гвинта. Тоді масштабні можливості та налаштування контуру керування є обмежувальними факторами для лінійної точності.

Лінійні двигуни регулюють рух на основі зворотного зв'язку від лінійного енкодера або іншого подібного сенсорного пристрою. Точність і роздільна здатність пристрою зворотного зв'язку обмежуватимуть точність системи, як і налаштування системи, що є важливим фактором у будь-якому застосуванні сервоприводу. Для налаштування вибирається зона нечутливості таким чином, щоб, як тільки каретка досягає положення в цьому діапазоні, вона припиняла блукання. Це зменшує час встановлення, але також зменшує повторюваність і роздільну здатність пристрою. Тим не менш, оскільки немає проміжних механічних елементів, які б спричиняли люфт системи, заїдання, відхилення тощо, лінійні двигуни здатні перевершити точність системи з ходовим або кульковим гвинтом.

Сума частин

Щоб визначити загальну точність вздовж однієї осі руху, необхідно поєднати похибки напрямної та тяги. Похибки обертання перетворюються на поступальні в точці інтересу. Цю похибку потім можна поєднати з іншими поступальними похибками в тому ж напрямку.

Похибка Аббе розраховується шляхом множення тангенса повної зміни кута навколо осі обертання на відстань зміщення. Для кожного обертання зміщення слід визначати в площині, перпендикулярній до осі обертання. Єдиний спосіб практично усунути похибку Аббе – це розташувати пристрій зворотного зв'язку в точці інтересу.

Після того, як поступальні помилки напрямної розраховані в кожному напрямку, їх можна поєднати з помилкою від тягового пристрою, яка вносить свій внесок у помилку лише вздовж осі X, і загальна системна помилка визначається кількісно.

Якщо ви аналізуєте одноосьовий пристрій лінійного руху, ви можете просто порівняти поступальні похибки для кожного напрямку з вашими вимогами до позиціонування. Якщо якась вісь має неприйнятну похибку, ви можете розглядати компоненти похибки цієї осі по черзі.

Якщо система багатоосьова, з кількома вузлами лінійного руху, у вас все одно є лише одна точка інтересу; вона однакова для кожної осі. Найдальша вісь від точки інтересу матиме найвищий потенціал для похибки Аббе. Похибки переміщення з кожного етапу можна підсумувати в точці інтересу, щоб визначити загальну системну похибку. Однак тепер також необхідно враховувати ортогональність між осями. Це призводить до чистого переміщення. Наприклад, у випадку етапу XY, перекіс осі Y відносно X призведе до додаткового переміщення X під час руху осі Y. Це можна визначити за допомогою тригонометрії або шляхом безпосереднього вимірювання зміщення. Пам'ятайте, що на відміну від обертань, переміщення не залежать від зміщення, відстані до точки інтересу. Ви можете додати зміщення ортогональності безпосередньо до вашого загального бюджету похибок.

Зрештою, пам'ятайте, що термін «точність» використовується досить вільно і часто може бути відкритим для різних інтерпретацій. Іноді цитована специфікація точності враховує лише позиціонувальний гвинт. Такий тип схематичного представлення може вводити в оману. Наприклад, конструктор може подумати про покращення точності системи шляхом покращення середньої похибки випередження, коли проблема насправді полягає в похибці Аббе. Це не оптимальний підхід. Часто існує просте та економічне геометричне рішення, як тільки джерело похибки визначено.