Vedi traduzione automatica
Questa è una traduzione automatica. Per vedere il testo originale in inglese cliccare qui
#Tendenze
{{{sourceTextContent.title}}}
Spingere i limiti della precisione lineare
{{{sourceTextContent.subTitle}}}
Un movimento dritto e preciso è tutt'altro che facile.
{{{sourceTextContent.description}}}
Il movimento dritto e preciso è tutt'altro che facile, e i dispositivi di posizionamento lineare lo dimostrano sbagliando non in una, ma in tre dimensioni
Proprio quando si pensava di aver inchiodato il concetto di "movimento lineare" - colpisci subito i punti necessari e sei a casa - ecco che arrivano i rimanenti cinque gradi di libertà per imbucarsi alla festa. Da una prospettiva grossolana, è vero, un carrello lineare si traduce principalmente lungo un asse (chiamatelo asse X), ma tutte le parti ingegnerizzate hanno imperfezioni, e con la nostra sempre maggiore necessità di accuratezza e precisione, anche la nostra attenzione al dettaglio deve progredire di conseguenza.
Per descrivere a fondo la precisione del sistema, quindi, dobbiamo tenere conto di tutti e sei i gradi di libertà, che sono la traslazione sugli assi X, Y e Z e la rotazione all'incirca la stessa.
Preoccupazioni di collocamento
Per cominciare, stabiliamo una chiara definizione dei parametri chiave di posizionamento. Anche se la maggior parte degli ingegneri ha familiarità con i termini precisione, ripetibilità e risoluzione, essi sono comunemente usati in pratica in modo improprio. L'accuratezza è la più difficile da ottenere, seguita dalla ripetibilità e, infine, dalla risoluzione. L'accuratezza spiega quanto un sistema in movimento si avvicina a una posizione di comando, una posizione esatta che giace nello spazio teorico X-Y-Z.
La ripetibilità o precisione, invece, si riferisce all'errore tra i tentativi successivi di spostarsi nella stessa posizione da direzioni casuali. Un sistema lineare perfettamente ripetibile può essere altamente impreciso - potrebbe essere in grado di raggiungere continuamente la stessa posizione, che è ben lontana da quella comandata. Ad esempio, una vite di piombo con un dado di inseguimento fortemente precaricato, ma con un significativo errore di passo o di "piombo", potrebbe avere una buona ripetibilità insieme ad una scarsa precisione. Il precarico mantiene il dado rigido nella sua posizione assiale, riducendo o eliminando il gioco e garantendo la corsa del dado e del carico in modo costante secondo la rotazione dell'albero della vite. Ma l'errore di beccheggio disattende il rapporto rotazione-traslazione previsto, quindi il sistema è impreciso.
La risoluzione è il più piccolo incremento di movimento che può essere realizzato. Se, ad esempio, la posizione di comando si trova a 2 μm di distanza, ma la risoluzione del sistema è di 4 μm, la precisione non può essere migliore di 2 μm. In queste circostanze, il sistema non ha la risoluzione per muoversi più da vicino sulla posizione desiderata.
Affinché un sistema sia accurato, tutti i suoi componenti devono essere precisi, ripetibili e offrire una risoluzione sufficiente. Anche se un sistema può fornire una buona accuratezza di "piombo" ma una scarsa ripetibilità (cioè il sistema forma una dispersione casuale sul punto di comando), l'accuratezza complessiva del sistema non può essere migliore della sua ripetibilità.
Misure guidate
I dispositivi di movimento lineare sono costituiti da due componenti essenziali, una guida lineare e un dispositivo per produrre la spinta. La guida è responsabile della limitazione del movimento in 5 dei 6 gradi di libertà disponibili nello spazio tridimensionale. La guida ideale non consente alcuna traslazione negli assi Y e Z e nessuna rotazione su uno qualsiasi degli assi. Il dispositivo di spinta (comunemente una vite a testa piombata o a sfera) è, naturalmente, in grado di produrre movimento solo sull'asse non vincolato. È conveniente valutare la precisione di questi due componenti separatamente e poi combinare i risultati per determinare la precisione complessiva.
Guardiamo prima alla guida. Una guida lineare può soffrire di diverse fonti di errore: curvatura verso l'alto e verso il basso o da un lato all'altro - in altre parole deviazioni di planarità e rettilineità, scostamenti verticali e discontinuità tra guida e seguace.
Piattezza e rettilineità sono le preoccupazioni più comuni, in quanto sono generalmente di maggiore entità. Una guida perfettamente realizzata viaggia lungo un piano parallelo al piano X-Y e, inoltre, lungo una linea parallela all'asse X. L'errore di planarità è essenzialmente una deviazione dal piano X-Y. Può comprendere una semplice curvatura in una o due direzioni. L'errore di planarità crea sempre una traslazione nell'asse Z (verticale). A seconda dell'orientamento della curvatura, può causare una rotazione del passo intorno all'asse Y, un rotolamento intorno all'asse X (il caso con curvatura bidimensionale), o entrambi. L'ordito può anche generare una leggera traslazione sull'asse Y, perpendicolare al movimento desiderato.
L'errore di rettilineità fa sì che la linea di corsa del carrello lasci il parallelo con l'asse X, curvando nella direzione ±Y. Oltre allo spostamento sull'asse Y, indurrà una rotazione di imbardata intorno all'asse Z.
Il runout verticale è un cambiamento sistematico dell'altezza della guida lineare durante la traslazione. Ciò può essere dovuto a imprecisioni nella fabbricazione delle superfici di appoggio, creando traslazioni sull'asse Z. La maggior parte dei produttori di guide elenca la planarità o il runout verticale, insieme alla rettilineità. È possibile che una guida lineare induca una traslazione istantanea Y o Z senza rotazione, ma l'entità di queste è solitamente piccola. Il seguace della guida lineare tende a distribuire le imperfezioni lungo la sua lunghezza, sopprimendo gli spostamenti improvvisi trasversali al movimento desiderato.
L'effetto della rotazione sulla precisione dipende da dove il punto di interesse è relativo al dispositivo di riferimento della posizione, che è forse la vite di piombo stessa o una scala lineare utilizzata per il feedback. In entrambi i casi, la posizione del dispositivo forma la linea di misura, parallela alla direzione di spostamento desiderata. Il punto di interesse, tuttavia, che è il punto di riferimento del sistema di movimento lineare, può essere sfalsato dalla linea di misura. Qualsiasi rotazione, quindi, causerà lunghezze d'arco diverse a ciascuna di esse. E, la distanza effettiva dello spostamento varierà dalla distanza registrata sulla scala in funzione della quantità di rotazione e dell'offset. Più grande è l'offset, maggiore è l'errore di traslazione dovuto alle rotazioni - noto come errore di Abbé. Con la vite di piombo stessa utilizzata come dispositivo di riferimento, la linea di misura è centrata. Ma gli encoder lineari sono tipicamente usati, e sono montati lateralmente. Ciò potrebbe peggiorare o migliorare le condizioni per l'errore di Abbé, a seconda della posizione del punto di interesse (non sempre è allineato con il carrello e la vite di piombo).
Al contrario, i puri errori di traslazione negli assi Y e Z dovuti alle discontinuità e al runout verticale rimangono costanti indipendentemente dal punto di interesse. Gli errori di rotazione possono essere molto più ingannevoli. In genere è più facile e più conveniente ridurre al minimo l'offset che costruire un sistema di posizionamento con guide più precise.
Errore di guida
La spinta può essere prodotta in molti modi. I dispositivi comuni ad alta precisione sono le viti a testa cilindrica, le viti a ricircolo di sfere e i motori lineari. Le viti di piombo e le viti a sfera creano un tipo specifico di errore intrinseco alla loro natura. Mentre la vite ruota, il seguace viaggia su un percorso elicoidale convertendo il moto rotatorio in lineare. Poiché l'angolo dell'elica non è mai perfetto, è da aspettarsi un sotto o un sovracorsa. Questo può essere ciclico (noto come errore 2π) o sistematico (misurato come errore medio per 300 mm di corsa). Ci possono essere anche frequenze intermedie di oscillazione o di variazione della corsa. L'errore medio può essere facilmente rimosso con la compensazione del controllore. Gli errori intermedi e ciclici diventano piuttosto difficili da rimuovere. Una vite di precisione rettificata di classe C3 avrà un errore medio o sistematico di 8 μm e un errore di 2π di 6 μm. Con viti di precisione inferiore, l'errore di 2π non viene segnalato in quanto è insignificante rispetto all'errore medio. L'errore medio "piombo" è elencato per tutte le viti con piombo di classe di posizionamento.
Per riportare la posizione reale al controllore si può utilizzare una vite a testa cilindrica o a ricircolo di sfere con un sistema di misura lineare. In questo modo si elimina la necessità di una precisione ultra-elevata nella forma della filettatura della vite. Le capacità di scala e la sintonizzazione del loop di controllo sono quindi i fattori limitanti per la precisione lineare.
I motori lineari regolano il movimento in base al feedback di un encoder lineare o di un altro dispositivo di rilevamento di questo tipo. La precisione e la risoluzione del dispositivo di feedback limiterà la precisione del sistema, così come la sintonizzazione del sistema, un giocatore importante in qualsiasi applicazione servo. Per la sintonizzazione viene scelta una banda morta, in modo tale che una volta che il carrello raggiunge una posizione all'interno di questo intervallo, smette di cacciare. Questo diminuisce il tempo di assestamento ma anche la ripetibilità e la risoluzione del dispositivo. Tuttavia, poiché non ci sono elementi meccanici intermedi per introdurre il gioco del sistema, la sticità, la deflessione e simili, i motori lineari sono in grado di superare la precisione di un sistema a vite a piombo o a sfera.
Somma delle parti
Per determinare la precisione complessiva lungo un asse di corsa, è necessario combinare gli errori del dispositivo di guida e di spinta. Gli errori di rotazione vengono convertiti in traslazionali nel punto di interesse. Questo errore può quindi essere combinato con altri errori di traslazione nella stessa direzione.
L'errore di abbé è calcolato moltiplicando la tangente della variazione totale dell'angolo intorno all'asse di rotazione per la distanza di offset. Per ogni rotazione, l'offset deve essere preso nel piano perpendicolare all'asse di rotazione. L'unico modo per eliminare virtualmente l'errore di Abbé è quello di posizionare il dispositivo di retroazione nel punto di interesse.
Una volta calcolati gli errori di traslazione della guida in ogni direzione, essi possono essere combinati con l'errore del dispositivo di spinta, che contribuisce all'errore lungo il solo asse X, e l'errore totale del sistema viene quantificato.
Se si analizza un dispositivo di movimento lineare a singolo asse, è possibile confrontare semplicemente gli errori di traslazione per ogni direzione con le proprie esigenze di posizionamento. Se un asse presenta un errore inaccettabile, è possibile indirizzare i componenti di errore di quell'asse uno alla volta.
Se il sistema è multiasse, con più assi di movimento lineare, si ha ancora un solo punto di interesse; è lo stesso per ogni asse. L'asse più lontano dal punto di interesse avrà il più alto potenziale di errore Abbé. Gli errori di traslazione di ogni fase possono essere sommati nel punto di interesse per determinare l'errore totale del sistema. Tuttavia, anche l'ortogonalità tra gli assi deve essere considerata ora. Questo produce una traduzione pura. Nel caso di uno stadio X-Y, per esempio, un'asimmetria dell'asse Y rispetto all'asse X produrrà un'ulteriore traslazione X mentre l'asse Y attraversa. Questo può essere determinato con la trigonometria o misurando direttamente l'offset. Ricordate che, a differenza delle rotazioni, le traslazioni sono indipendenti dall'offset, dalla distanza dal punto di interesse. Potete aggiungere l'offset di ortogonalità direttamente al vostro budget di errore complessivo.
Infine, si tenga presente che il termine "accuratezza" è usato in modo piuttosto libero, e spesso può essere lasciato aperto all'interpretazione. A volte le specifiche di precisione citate tengono conto solo della vite di posizionamento. Questo tipo di rappresentazione sommaria può essere fuorviante. Per esempio, un progettista potrebbe pensare di migliorare la precisione del sistema migliorando l'errore medio del piombo, quando il problema è in realtà basato su un errore di Abbé. Non è l'approccio ottimale. Molte volte esiste una soluzione geometrica semplice ed economica, una volta che la fonte dell'errore è stata identificata.