тел: (495) 600-40-84

Производительность линейных платформ с шаговым двигателем. Оптимизация точности, стабильности и повторяемости при позиционировании.

Особенности шаговых двигателей

Независимо от того, что мы рассматриваем – единичное или массовое производство, процесс изготовления продукции в большинстве случаев включает в себя перемещение компонентов на определённую дистанцию.

Для задач по позиционированию всё чаще стали использоваться автоматические механизмы для обеспечения безопасности и воспроизводимости. Надёжные приводы с долгим сроком службы идеально подходят для этих целей. В то же время, в промышленности наблюдается рост спроса на позиционеры, обеспечивающие высокую точность при перемещении.

В данной статье приводится информация о том, как системы позиционирования, оснащённые шаговым двигателем, могут быть использованы для задач прецизионного перемещения, а также рассказывается об особенностях таких позиционеров.

Электродвигатель является типичным и довольно распространённым решением для технологии изготовления позиционеров в промышленном секторе. Нередко отдаётся предпочтение шаговым двигателям, так как они отличаются надёжностью и длительным сроком службы. Кроме того, они обладают высоким крутящим моментом даже при низких скоростях. Шаговые двигатели имеют небольшую стоимость и отличаются простотой в управлении. Данные двигатели имеют свойство нагреваться при непрерывной работе, и это должно быть принято во внимание при проектировании системы позиционирования.

Шаговый двигатель может занимать дискретные положения в пределах одного оборота. Поскольку размер шага является постоянным, величина перемещения может задаваться количеством шагов. Таким образом, необходимость в датчике положения отсутствует. Как правило, один оборот составляет от 200 до 500 шагов. Минимальный размер шага, который может быть достигнут, определяется контроллером, который, в зависимости от версии, может обеспечивать до нескольких тысяч микрошагов между полными шагами. Когда требуется фиксация в заданном положении, шаговые двигатели обеспечивают хорошую стабильность, в особенности, в режиме полного шага. Для этой цели, на шаговый двигатель должен подаваться ток без использования самоблокирующегося редуктора.

Fig1a.JPGFig1b.JPGFig1c.JPGFig1d.JPGFig1eJPG.JPG

Рис.1 Изображения высокоточных позиционеров PI, оснащённых шаговым двигателем: линейная платформа L-509, линейная платформа L-511, поворотная платформа PRS-110, вертикальная платформа ES-100, двухкоординатная платформа MCS (слева направо). 

Прецизионное позиционирование в нанометровом диапазоне.

Угловое перемещение вала шагового двигателя, имеющего 200 полных шагов на один оборот, составляет 1.8° при одном шаге. В результате, с шагом винта в 1 мм линейное перемещение составляет 5 мкм. Разрешение, которое может быть теоретически достигнуто, рассчитывается исходя из числа микрошагов в каждом полном шаге. К примеру, контроллер, обеспечивающий 256 микрошагов, позволяет достичь разрешения в 39 нм, что соответствует 625 нм в случае 16 микрошагов.



Fig2aJPG.JPG

 

Fig2aJPG.JPG

Рис.2 Зависимость координаты (мм) от времени (сек) для L-511 с шагом винта в 2 мм с контроллером, обеспечивающим 16 микрошагов на 1 полный шаг. На графике сверху показано перемещение с шагом 3 мкм, снизу – с шагом 0.6 мкм. 

Контроллеры шаговых двигателей с большим числом микрошагов, к примеру, SMC Hydra (3000 микрошагов), позволяют ещё больше уменьшить минимальный угол поворота. В результате этого увеличивается плавность перемещения, повышается разрешение, расширяется диапазон величин скорости и ускорения. Применения этих контроллеров позволяет снизить нагрев шаговых двигателей. С помощью систем на основе данных высокопроизводительных контроллеров теоретически возможно добиться разрешения в нанометровом диапазоне. Однако существуют ограничения, связанные с механическими характеристиками позиционеров. На рис.3 и 4 показан график перемещения платформы серии L-509 с шагом 100 нм и 25 нм при шаге винта 1 мм.

Fig3.JPG

Рис.3 Движение линейной платформы серии L-509 с шаговым двигателем без системы обратной связи. Величина шага - 100 нм. 

Fig4.JPG

Рис.4 Движение линейной платформы серии L-509 с шаговым двигателем без системы обратной связи. Величина шага - 25 нм.

Оптимизация точности повторного позиционирования посредством использования системы обратной связи

Шаговый двигатель выполняет перемещение с равномерным шагом с высокой точностью повторного позиционирования, однако данный параметр также зависит от механических компонентов, входящих в состав позиционера. Сопрягаемые элементы конструкции, редуктор, приводной винт, приводная гайка и направляющие являются источником различных люфтов. Эти механические эффекты не могут быть полностью устранены. Точность, с которой позиционер перемещается в заданное положение, может быть улучшена путём использования системы обратной связи. Система прямого измерения положения с необходимым разрешением является эффективным средством для корректировки эффектов, связанных с механическим люфтом. В то же время, линейность измерительной системы, как правило, выше чем у двигателя, следовательно, имеется место для усовершенствований.

На рис. 5-9 показаны графики перемещения платформы серии L-511 с различным шагом. Шаг винта платформы составляет 2 мм. Измерения проводились с использованием системы обратной связи. Как видно из графиков, существует возможность достигнуть хорошей повторяемости при шаге в 20 нм.

Fig5.JPG

Рис.5 График перемещения линейной платформы серии L-511 с шаговым двигателем и системой обратной связи. Шаг 100 нм. Частота обновления информации с датчика 10 кГц.

Fig6.JPG

Рис.6 Данные рис.5 в увеличенном масштабе.

Fig7.JPG

Рис.7. График перемещения линейной платформы серии L-511 с шаговым двигателем и системой обратной связи. Шаг 35 нм.

Fig8.JPG

Рис. 8 График перемещения линейной платформы серии L-511 с шаговым двигателем и системой обратной связи. Шаг 20 нм.

Fig9.JPG

Рис. 9 График перемещения линейной платформы серии L-511 с шаговым двигателем и системой обратной связи. Шаг 10 нм. Шаги всё ещё можно дифференцировать, однако их величина изменяется.

Стабильность и разрешение


Позиционеры с шаговым двигателем отличаются высокой стабильностью. Почему?

Классические серводвигатели постоянного тока демонстрируют осцилляции с амплитудой в пределах диапазона разрешения. В зависимости от параметров сервоприводов, осцилляции могут значительно превосходить величину разрешения, что приводит к нестабильности системы. При использовании шаговых двигателей данные эффекты отсутствуют.

Для шагового двигателя изначально нет необходимости в подстройке стабильности положения. Как только ток подводится к двигателю, он создаёт момент, в то время как находится в состоянии покоя. В отличие от двигателей постоянного тока, шаговые двигатели имеют собственную систему управления скоростью. Это является необходимым условием для отличной стабильности. Обычные шаговые двигатели с 256 микрошагами на один полный шаг, позволяют осуществлять плавное управление размером шага. Однако малые величины шагов, в пределах десяти нанометров, не являются достижимыми.

Контроллеры шаговых двигателей с большим количеством микрошагов позволяют плавно управлять положением позиционера. Максимальная точность достигается, когда входной сигнал передается как аналоговый синусно-косинусный сигнал и затем оцифровывается в контроллере с высоким разрешением. Разрешение данной системы позиционирования ограничивается только датчиком.


Установка в заданное положение


Время установки в заданное положение оказывает решающее влияние на время выполнения команды по перемещению. Первоначально, алгоритмы управления в контроллере оказывают влияние на время установки позиционера в заданную координату. Контроллеры серии SMC подавляют высокие частоты и позволяют осуществлять динамическое позиционирование с минимальным отклонением от заданного положения. При подходе в заданную координату позиционер не генерирует осцилляции, что негативным образом может сказаться на всей установке. Для достижения кратчайшего времени установки в заданное положение, рабочие параметры должны быть оптимизированы в соответствии с особенностями приложения. Масса нагрузки, результирующие моменты, ориентация оси перемещения обязательно должны быть приняты во внимание. 


Fig10.JPG

Рис. 10. Перемещение линейной платформы серии L-511 с шагом 1 мм в режиме с обратной связью, скорость 15 мм/сек, ускорение 200 мм/сек2


Fig11.JPG

Рис. 11 Данные рис.10 в увеличенном масштабе. Видны небольшие осцилляции, величина которых составляет менее 10 мкм.


Fig12.JPG

Рис.12. Данные рис.11 в увеличенном масштабе. Видна только одна осцилляция. Заданная координата достигается в течение нескольких десятых долей секунды с погрешностью менее 20 нм.


Постоянство скорости при её малых величинах

Скорость является одним из решающих параметров, определяющих выбор системы позиционирования. Часто в приложениях требуется быстрое позиционирование. Однако, в некоторых задачах необходимо медленное перемещение. В частности, обеспечение постоянства скорости представляет собой проблему. Требуемая скорость может находиться в диапазоне от 100 мкм/сек до 100 нм/сек и менее. Это соответствует перемещению на несколько миллиметров за день. Для оптимального перемещения, систему позиционирования рекомендуется оснащать измерительной системой высокого разрешения (порядка 1 нм). 

Fig13.JPG

Рис. 13. Постоянство скорости при величине 1 мкм/сек для платформы серии L-511 с системой обратной связи.


Fig14.JPG

Рис. 14. Постоянство скорости при её величине 50 нм/сек для платформы серии L-511 с системой обратной связи.


Fig15.JPG

Рис.15. Данные рис.14 в увеличенном масштабе.


Как число микрошагов влияет на характеристики позиционирования?

Постоянство скорости

Если на один полный шаг имеется небольшое количество микрошагов, то при малых скоростях каждый шаг является заметным и, следовательно, оказывает влияние на плавность хода. Особенно это хорошо проиллюстрировано на графиках ниже при достаточном масштабировании временно́й шкалы.

Fig16.JPG

Рис.16. Зависимость перемещения (мкм) от времени (сек) для линейной платформы L-511. Управление с помощью контроллера C-663.11 (полный шаг содержит 16 микрошагов). Скорость 5 мкм/сек. Система обратной связи не используется.


Fig17.JPG

Рис.17. Данные рис.16 в увеличенном масштабе.

При применении контроллера серии SMC Hydra (3000 микрошагов в полном шаге), улучшается постоянство скорости, и соответственно, плавность хода.

Fig18.JPG

Рис.18 Зависимость перемещения (мкм) от времени (сек) для линейной платформы серии L-511. Управление с помощью контроллера серии SMC Hydra. Скорость 5 мкм/сек. Система обратной связи не используется.

Fig19.JPG

Рис.19 Данные рис.18 в увеличенном масштабе


Если в системе используется датчик положения вместе с системой обратной связи, то это приводит к наилучшим результатам. При этом отклонение от заданного положения составляет менее 100 нм. 

Fig20.JPG

Рис.20 Зависимость перемещения (мкм) от времени (сек) для линейной платформы L-511, оснащённой энкодером. Управление с помощью контроллера серии SMC Hydra. Скорость 5 мкм/сек.

Fig21.JPG

Рис.21 Данные рис. 20 в увеличенном масштабе

Отклонение от заданного положения и частотные характеристики

Если управление позиционером осуществляется с помощью контроллера, который содержит малое число микрошагов на полный шаг, то отклонение от заданного положения составляет 1 мкм. Остаточные колебания механики наблюдаются на высоких частотах.

Fig22.JPG

Рис. 22. Стабильность положения линейной платформы L-511 с контроллером C-663.11.

Fig23.JPG

Рис.23. Частотный спектр

Контроллер с большим числом микрошагов значительно снижает нестабильность положения (рис.24,25).

Fig24.JPG

Рис.24. Стабильность положения линейной платформы L-511 с контроллером SMC Hydra.

Fig25.JPG

Рис.25. Частотный спектр

При использовании энкодера амплитуда осцилляций снижается до 100 нм.

Fig26.JPG

Рис.26. Стабильность положения линейной платформы L-511 с энкодером и контроллером SMC Hydra.

Fig27.JPG

Рис.27. Частотный спектр

Коррекция положения позиционера при перемещении

Повышение точности позиционирования может быть достигнуто за счёт использования метода коррекции положения позиционера. В частности, если рассматривать вращающиеся платформы, с помощью данного метода удаётся улучшить абсолютную точность в 10 раз. Для этой цели с помощью измерительной системы определяют отклонение позиционера от заданного положения при каждом заранее выбранном шаге. Измеренные величины отклонения сохраняются в памяти контроллера в виде корректировочной таблицы. В ходе работы данные значения используются для формирования траектории движения позиционера. Таким образом, происходит уменьшение погрешности при перемещении.

Fig28.JPG

Рис. 28. Абсолютная точность вращающейся платформы PRS-110 (L-611) с шаговым двигателем и измерительной системой. Отклонение от заданного положения определяется с шагом в 1°. Ошибка находится в пределах ±0.004°.

Fig29.JPG

Рис.29. Измеренные значения, показанные на рис.28, хранятся в контроллере SMC Hydra и используются для корректировки положения позиционера. При смене направления перемещения зависимость на графике практически не изменяется. Удалось значительно снизить отклонение от заданного положения до диапазона ±0.0003°.

Fig30.JPG

Рис.30. Точность повторного позиционирования была значительно улучшена путём использования корректировочных данных. Были проведены перемещения с шагом 10° в обоих направлениях.

Сведения об измерительной установке

Все вышеприведённые измерения были проведены при стандартных лабораторных условиях, при температуре 22°C ±1°C и влажности 43% ±3%. Измерительная установка находилась на виброизоляционном столе. Термические, акустические и другие внешние воздействия отсутствовали.

Измерительное оборудование: Renishaw XL-80, Heidenhain RON-905.

Fig31.JPG

Рис.31. Измерения шума при использовании контроллера SMC Hydra. Позиционер находится в покое, подключен к контроллеру (частота обновления данных 10 кГц). Уровень шума составляет 3 нм

Внешние условия влияют на точность позиционирования при перемещении. К примеру, флуктуация температуры окружающей среды на 0.01 °С приводит к тепловому расширению платформы из алюминия и, следовательно, к смещению на величину порядка 10 нм. Таким образом, стабилизация положения является базовым требованием для обеспечения высокой точности и повторяемости. При необходимости, высокоточные позиционеры могут иметь гранитное основание.

Измерения были выполнены с использованием стандартных серийных линейных и поворотных платформ, некоторые из которых были оснащены датчиками положения. Были протестированы следующие позиционеры: L-511L-509L-611. Использовались контроллеры производства PI.