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平台定位系统概述

时间:2011-3-30  点击数:2456

     逐个介绍每个部件! 为帮助读者较好的理解定位系统,我们将采取分开介绍的方法,将整个系统分解为各个组成部件逐个进行介绍。 我们将定位系统按照功能总体分为以下部分:

1. 滑轨
2. 执行器
3. 电机
4. 反馈装置
5. 电子驱动器和控制器
6. 外部设备功能

方向控制技术可谓五花八门,并各自都有自己的优缺点。 下面我们将分别介绍其中几种:


 运动学

运动学设计强调通过仔细选择单点接触来抑制其他多余的自由度。 如果选择得当,此类设计的每个接触点可抑制一种自由度。 因此,五个接触点将会产生只有一种自由度的接触点 (6-5=1);而如果一个系统同时存在六个接触点的话会使系统处于不平衡状态。 多数情况下,运动学设计要求施加作用力(重力、磁力、真空或弹簧作用力)使所有各点保持接触;另外,如果使用滚珠作为接触点,那 么滑动摩擦力将被滚动摩擦力所代替。 尽管此类设计是“纯粹”符合力学原理的设计,由于接触点较少因而其负载能力较低。 在所有设计方法中,运动学设计是一种比较极端的设计,而另外一种极端的设计则为面积平均设计(例如燕尾滑轨 - 见下面介绍)。 通过对运动学和“弹性平均”法对比,有助于发现比较理想的设计方法。 运动学设计基本上可真实的再现运动表面的几何形状( 通常由平面和/或柱面组成)。 例如,这种方法不会传递由于热膨胀而产生的应力. 但是,无法避免的是它的这些优点会受到低固有频率、低 刚性以及低负载能力的困扰。


 燕尾滑轨

燕尾滑轨与运动学设计可形成鲜明对比;这种设计方法不是仅仅选取几个接触点,而 是依靠非常大的接触面积来提高刚性和负载能力。 这种运动表面通常需要进行“打磨”以获得较高的表面平整度,燕 尾法可以提高表面运动部件在运动过程中的稳定性。 燕尾法通常用于机械加工工具的设计,因为此类机械对负载能力要求很高。 与滚动方式相比,滑动方式会明显的提高摩擦力。 由于部件在滑动过程中会发生磨损,绝大多数设计都含有可调整预载荷或加固装置,以 减少摩擦。 尽管通常燕尾法设计的质量较大,但它一般由铸铁制成,刚性较大,与滑轨本身材料接近。 从而提高滑轨整体组件的固有频率,这 对于高速铣刨操作是非常关键的。


交叉圆柱形滚珠滑轨

交叉圆柱形滚珠滑轨的结构是在 "V" 字形轨道中放入圆柱形滚珠. 每隔一个滚珠的旋转角度为 90 度,形 成对称的负载能力。 由于滚珠与 "V" 字形轨道之间为直线接触,因而可以提供比球形滑轨高出一个级别的负载能力。 滚珠的保持力和预加载荷与球形滑轨相似。 交叉滚珠设计提供中等均匀的摩擦力、高负载能量、高线性和抗扭刚度、中 等成本和非常好的直线准确性。

交叉滚珠滑块的线接触特性与球形滑轨相比防止异物干扰的能力较弱。 因此,后者比较适用于存在精细研磨异物的环境中使用( 例如研磨操作)。 与球形滚珠滑块相比,圆柱形滚珠的摩擦力较大,但是由于线接触比较平均的特性因而降低了摩擦力的波动性。


滚珠滑块

本文中所说的滚珠一词指滑块组件,它包括一个硬化轨道和三个或更多脚轮或凸轮从动机构,这 些主要用来定义运动组件的运动方向和运动本身。 例如包括带有六个从动凸轮( 其中两对分别位于两个不同的侧面,另外两个弹簧式从动轮位于其余的两个侧面上)的方形、四面滑块和带有三个或更多共轭滚轮的双 "V" 字形滑块。 由于不使用循环部件,此类设计融合了循环组件的紧凑型设计和运动流畅的特点。 这种结构在实际运行过程中,其 中的滚珠仍然会被重复利用,但是在其重复利用的过程中预紧力将始终存在。 这样就避免了传统循环组件的摩擦力波动问题。 通常这种滑块成本较低,荷载能力较低或中等、摩擦力低而且均匀,而且直线运动的准确性与使用滚轮的滑块一样好。


 挠曲 

挠曲是一种常常会被忽略的滑块技术。 它们利用零件本身的弹性对线性平移轴的运动进行定义。 比较常见的例子是使用两块带有光刻螺纹的薄金属片连接内径和外径。 扬声器使用挠曲滑块定义声音线圈的运动轴. 另外一种常见的设计是平行四边形挠曲滑块。 对于某些行程有限的应用,挠曲滑块将是一种紧凑的、经济的滑块技术。 除了高度平稳的运动特性并且没有转动部分之外,挠曲滑块可作为线性变送器使用,可以放大或降低输入运动。 市面上可购买到的具有相当高的放大分辨率的挠曲滑块,只需使用一个简单的微分头就可以获得可重复的埃单位级的运动。

2. 执行器

通过选择合适的导轨设定好某一种自由度运动方式之后,我们接下来就可以开始着手解决另外一个独立的问题,即 如何沿着导轨产生增量运动。 我们将能够产生运动的装置称为执行器。 首先要区分可沿着运动方向选择两个位置中的一个位置的执行器和通过编程从多个位置中任意选择一个位置的执行器。 前一种执行器中为常见的设备是电磁阀和气压/液压缸。 一般来说,如果应用过程中要求仅从两个位置中重复定位其中一个位置,使用“ 一个数位”的执行器通常比使用功能全面的、基于 CPU 的职能定位系统要更加经济。 不过这对于像我们这样专门制造“稀奇古怪”的 定位系统的生产商而言可不是什么好消息。


A. 双位执行器


电磁阀

电磁阀是一种设计紧凑的、低成本执行器,如果和好的导轨、动量吸收器、高硬度制动器一起使用,它可以提供重复性高、快 速双位置定位功能。 它主要依靠作为运动部分的软铁芯和由线圈所产生的梯度电磁场之间的相互吸引进行工作。 由于它难以在较远距离下产生高梯度磁场,因而电磁阀限于相对较短的冲程的应用(通常为 1 cm)。 基于电磁阀的设计存在线圈发热、交流感应振动或咔哒声以及电磁吸力存在较强的非线性。


气缸

气压缸或液压缸可以提供低成本、高作用力、高速的双位置的运动执行功能。 尽管随着行程的增加它们的体积变得愈来愈大, 现在已经有了“杆件较少”气缸,它们的设计则较为紧凑,与循环滑轨相似。 当与结构较为复杂的伺服比例阀和反馈设备一起使用时,气 缸也可进行编程定位多个位置。


凸轮

凸轮具有多种双位置索引功能,尤其在往复运动时。 汽车吸气和排气阀也许是它常见的应用。 尽管它们利用滑动摩擦力原理(表面易于磨损),内燃机凸轮执行机构仍然可以可靠而准确的工作,可以实现无故障运行,尽 管每天平均运行次数高达 1 百万次之多! 凸轮定位限于行程较短的应用。

B. 多位置执行器


凸轮

如果使用可编程旋转执行器,凸轮可以定义多个位置的有效荷载。 尽管冲程有限,但是可获得非常高的分辨率;通 过施加适当的导向力,可重复性和刚性也会非常高。

 

切向执行器

切向执行器包含一个可编程旋转执行器(电机),电机通过驱动皮带与一对滑轮相连。 有效荷载由一个单独的滑轨组件控制并与驱动带相连。 该系统可获得非常高的速度、中等分辨率和输出力。 其准确度和可重复性受驱动带和皮带轮质量限制(除非使用直线编码器)。 通常用于质量较小、中等准确度的有效荷载的驱动,可 进行高速定位;常见的应用包括笔式绘图仪、液压点胶机和“拣拾机”。 通过使用新型高强度驱动带材料,切向执行器的应用范围更广,可 以支持非常高的有效荷载质量。


直线电机

旋转式步进电机和有刷或无刷式伺服电机都具有直接的、“非转动式”直线驱动的特点。 它们无需使用机械连接即可直接提供直线致动性。 二者仍然需要使用滑轨组件,但是直线步进电机的工作台中通常都带有滑轨。 由于此类设备兼有电机和执行器两种功能。(信息源来自网络)

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