Електронна, оптична, комп'ютерна, інспекційна, автоматизована та лазерна галузі промисловості вимагають різноманітних специфікацій систем позиціонування.Жодна система не підходить усім.

Щоб забезпечити оптимальну роботу високоточної системи позиціонування, компоненти, що складають систему — підшипники, система вимірювання положення, система двигуна та приводу та контролер — повинні працювати разом якомога краще, щоб відповідати критеріям застосування.

Основа та підшипник

Щоб визначити оптимальну конфігурацію системи, спочатку розгляньте механічну частину системи. Для лінійних ступеней використовуються чотири поширені варіанти конструкції основи та підшипника:
• Алюмінієва основа та напрямні з болтовими кульковими підшипниками.
• Алюмінієва або сталева основа та алюмінієва або сталева боковина з чотирма рециркуляційними роликовими підшипниковими блоками на сталевих рейках.
• Чавунна основа та напрямні з міханіту з вбудованими роликовими підшипниками.
• Гранітні напрямні з гранітними або чавунними ковзними та пневматичними підшипниками.

Алюміній легший за міханіт або сталь, але менш жорсткий, менш стабільний, менш стійкий до ударів та менш стійкий до напружень. Крім того, алюміній набагато чутливіший до перепадів температури. Чавун на 150% жорсткіший за алюміній та на 300% краще гасить вібрацію. Сталь довговічніша та міцніша за залізо. Однак вона схильна до тривалого дзвінкого звуку, що негативно впливає на швидке переміщення та час стабілізації.

Гранітні напрямні з повітряними підшипниками забезпечують найжорсткішу та найдовговічнішу комбінацію. Граніт можна полірувати для досягнення площинності та прямолінійності в субмікронному діапазоні. Недоліком гранітного столу є те, що через масу граніту він має більший об'єм та важить більше, ніж система позиціонування на основі сталі або заліза. Однак, оскільки між підшипниками та поверхнями гранітних напрямних немає контакту, знос відсутній, а повітряні підшипники значною мірою самоочищаються. Крім того, граніт має чудові характеристики гасіння вібрацій та термостабільність.

Крім того, конструкція самого столу важлива для його загальної продуктивності. Столи бувають різних конфігурацій: від болтових вузлів з багатьма деталями до простих литих основ і напрямних. Використання одного матеріалу по всьому столу зазвичай забезпечує більш рівномірну реакцію на коливання температури, що призводить до більш точної системи. Такі елементи, як ребристість, забезпечують демпфування, що сприяє швидкому осіданню.

Інтегральні напрямні мають перевагу над напрямними на болтах тим, що навіть після тривалого часу не потрібне регулювання напрямних для попереднього натягу.

Перехресні роликові підшипники мають лінійний контакт між роликом і доріжкою кочення, тоді як кулькові підшипники мають точковий контакт між кулькою та доріжкою кочення. Це, як правило, призводить до плавнішого руху роликових підшипників. Поверхня кочення менша деформація (і знос), а площа контакту більша, тому навантаження розподіляється рівномірніше. Стандартними є навантаження від 4,5 до 14 кг/ролик, а також висока механічна жорсткість приблизно від 150 до 300 Ньютонів/мікрон. Недоліки включають властиве тертя від лінійного контакту.

Однак мала площа контакту, яка обмежує тертя кулькового підшипника, також обмежує його вантажопідйомність. Роликові підшипники зазвичай мають довший термін служби, ніж кулькові. Однак роликові підшипники коштують дорожче.

Стандартні розміри столів одного виробника включають довжину від 25 до 1800 мм та ширину супорта від 100 до 600 мм.

Конфігурація пневматичних підшипників складається з підйомних та напрямних підшипників, попередньо натягнутих протилежними пневматичними підшипниками або потужними рідкоземельними магнітами, вбудованими в напрямні елементи. Така безконтактна конструкція запобігає тертю інших конструкцій підшипників. Крім того, пневматичні підшипники не зазнають механічного зносу. Крім того, пневматичні підшипники можна розташовувати на значній відстані один від одного. Таким чином, результуючі геометричні похибки усереднюються, що призводить до кутових відхилень менше 1 дугової секунди та прямолінійності краще 0,25 мікрона на 200 мм.

Числові значення важко надати — вони залежать від багатьох факторів. Наприклад, точність позиціонування залежить не лише від підшипників або напрямних, але й від системи вимірювання положення та контролера. Тертя в системі позиціонування залежить не лише від обраної системи приводу, але й від регулювання підшипників, ущільнення столу, змащення тощо. Тому точні значення, яких можна досягти, дуже залежать від комбінації всіх компонентів, що, у свою чергу, залежить від застосування.

Система приводу

З багатьох типів приводних систем — ремінних, рейкових, ходових гвинтів, прецизійно шліфованих кулькових гвинтів та лінійних двигунів — лише два останні розглядаються для більшості високоточних систем позиціонування.

Кулькові гвинтові приводи мають різну роздільну здатність, точність та жорсткість, і можуть забезпечувати високі швидкості (понад 250 мм/с). Однак, оскільки кульковий гвинтовий привід обмежений критичною швидкістю обертання гвинта, вища швидкість вимагає меншого кроку, з меншою механічною перевагою та потужнішого двигуна. Зазвичай це означає перехід на потужніший двигун з вищою напругою шини. Кулькові гвинтові приводи, хоча й широко використовуються, також можуть страждати від механічного люфту, намотування, циклічних помилок кроку та тертя. Також не враховується жорсткість механічного з'єднання, яке з'єднує двигун і привід.

У лінійному серводвигуні електромагнітна сила безпосередньо взаємодіє з рухомою масою без механічного зв'язку. Немає механічного гістерезису або циклічної похибки кроку. Точність повністю залежить від системи підшипників та системи керування зі зворотним зв'язком.

Динамічна жорсткість показує, наскільки добре сервосистема підтримує положення у відповідь на імпульсне навантаження. Загалом, більша смуга пропускання та вищий коефіцієнт посилення забезпечують більшу динамічну жорсткість. Цю жорсткість можна кількісно визначити, поділивши виміряне імпульсне навантаження на відстань відхилення:

Динамічна жорсткість = ΔF/ΔX

Висока жорсткість і висока власна частота забезпечують чудову роботу сервоприводу з коротким часом стабілізації. Повністю реагує на команди зміни положення, оскільки між двигуном і повзуном немає механічного зв'язку. Також, оскільки немає "дзвінка" кулькового гвинта, можна досягти швидкого переміщення та стабілізації.

Безщітковий лінійний двигун складається з постійного магнітного вузла, закріпленого на основі машини, та котушкового вузла, закріпленого на повзуні. Між котушковим вузлом та магнітами підтримується зазор приблизно 0,5 мм. Між двома вузлами немає фізичного контакту.

Серцевина рухомої котушки містить серію перекриваючихся та ізольованих мідних котушок. Вони мають прецизійну намотку та крок для роботи в трифазному режимі. Для електронної комутації використовується серія датчиків Холла. Конструкція комутаційної електроніки забезпечує рух з незначною пульсацією сили. Оскільки комутація є електронною, а не механічною, комутаційне іскріння виключається.

Ці властивості роблять лінійний серводвигун корисним у застосуваннях, що потребують високого прискорення (скажімо, 2,5 м/с² або більше), високої швидкості (скажімо, 2 м/с або більше) або точного керування швидкістю, навіть за дуже низької швидкості (скажімо, лише кілька мм/с). Крім того, такий двигун не потребує змащення чи іншого технічного обслуговування та не зношується. Як і у випадку з будь-яким іншим двигуном, через розсіювання тепла середньоквадратичне значення безперервної сили або струму не повинно перевищувати допустимі значення протягом тривалого часу.

Ви можете придбати лінійні серводвигуни з безперервним приводним зусиллям від 25 до понад 5000 Н. Більшість більших двигунів мають повітряне або водяне охолодження. Кілька лінійних двигунів можна з'єднати паралельно або послідовно для отримання більших приводних зусиль.

Оскільки між двигуном і повзуном немає механічного зв'язку, немає й механічного зниження, як у випадку з кульковим гвинтом. Навантаження передається на двигун у співвідношенні 1:1. У кульковому гвинтовому приводі інерція навантаження від повзуна до двигуна зменшується на квадрат передаточного числа. Це робить лінійний двигун менш придатним для застосувань з частими змінами навантаження, якщо ви не оберете контролер, який можна запрограмувати з різними наборами параметрів керування двигуном, що відповідають різним навантаженням, щоб отримати ефективну сервокомпенсацію.

Для багатьох вертикальних застосувань кульковий гвинт є простішим та економічнішим — лінійний двигун повинен постійно працювати, щоб компенсувати силу тяжіння. Крім того, електромеханічне гальмо може фіксувати положення столу, коли живлення вимкнено. Однак ви можете використовувати лінійний двигун, якщо компенсувати двигун і навантажити вагу пружиною, противагою або пневматичним циліндром.

За початковою вартістю існує незначна різниця між лінійним двигуном та кульковим гвинтовим приводом, який включає двигун, муфти, підшипники, блоки підшипників та кульковий гвинт. Загалом, лінійний двигун щіткового типу трохи дешевший за кульковий гвинтовий привід, а безщіткові версії зазвичай дещо дорожчі.

Слід враховувати не лише початкову вартість. Більш реалістичне порівняння включає технічне обслуговування, надійність, довговічність та витрати на заміну, включаючи оплату праці. Тут лінійний двигун добре себе показує.

Частина 2 охоплюватиме системи вимірювання положення.