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定位系统精度

时间:2011-4-24  点击数:3103

      定位系统精度可方便地分为两大类: 导轨本身的精度和沿导轨的直线定位精度。 前者描述了导轨(滚珠和杆、交叉滚子、空气轴承等)提供理想单轴平移的精度,而后者涉及沿轴进行的增量运动的精度(通常与导螺杆、直线编码器或其它反馈装置有关)。
导轨精度
      任何运动的物体都具有 6 个自由度,它们包括沿三个相互垂直轴中的任意轴的平移、直线运动以及沿这些轴的转动(qx、qy 和 qz)。 直线定位导轨的功能是准确限制物体向一个单平移轴的运动(通常为 X 轴)。 沿 X 轴任何与理想直线运动的偏差都是导轨装置不准确的结果。
— 六个自由度
共有 5 种可能的导轨不准确度类型,相应于 5 个其余自由度: Y 轴中的平移;Z 轴中的平移;沿 X 轴的转动(横摆);沿 Y 轴的转动(纵倾);以及沿 Z 轴的转动(横倾)。 由于这些误差之间相互联系(例如,角位移会在除转动中心以外的任意点产生平移误差),因此,值得仔细去检查每种误差类型的效果及其测量方法。 — 可能的导轨不准确度 导轨平移误差
由于可产生直线运动的所有有用方法在多个点上进行平均(因多个滚珠或滚柱,或者空气轴承的面积), 来自直线运动的“纯粹”平移误差通常较小。 滚动体导轨中的一个夸大的正弦波误差可取得不带旋转的纯粹平移误差, 就像是导轨中的每个滚子同时滚过污染颗粒物的情况;这两种情况在实际中不会遇上。 如果一个滚动体平台经受大的冲击,则导轨可能会在每个滚珠或滚珠位置凹陷;这会导致沿行程周期性产生纯粹平移误差。 然而,定位工作台会显示出某些垂直和水平偏心(通常分别称为平面度和直线度误差),可通过将一个足够灵敏的指示器放置在工作台上并沿行程测量垂直或水平位移来测量这些误差。 一种典型的高分辨率测量技术将一块涂有导电涂层的光学平玻璃放置在被测试平台上, 并通过一个电容计来监视偏心误差。 这将揭示出可分为 3 大类的误差:

 
1. 一个随距离大致成直线的潜在较大成分。


      这是因光学平玻璃和导轨之间缺乏平行性引起的。 可以通过调节光学平玻璃以使其与平台导轨平行来消除。 但要注意,为了将垂直偏心(平面度误差)降到较低,客户的部件得与导轨进行类似的平行准直,但可以不与平台底座或其顶部准确平行。


2. 无法通过调节光学平玻璃而消除的低频成分。


     这很少是一种“纯粹”平移误差,而是导轨中基本角误差(ì纵倾、横摆和横倾)î的结果。 由于平台的移动部分(在某种程度上)沿一个弯曲的轨迹移动,因此存在与直线方向的一个相应直线偏差。 角误差和直线误差相关性很好,可以通过积分或微分相互推导得到。


3. 来自各种误差来源可能不是来自导轨误差的较高频成分。


      如果使用滚珠螺杆,则工作台会每转上升和下降一次,特别是在每个行程末端附近。 使用挠性连接螺母和/或紧固螺母降低这种作用。 较高频平面度误差的附加来源包括导轨或滚动体中的微细结构、驱动器和/或电机引起的振动以及平台顶部的结构共振。 由于许多光学定位应用限制了应用深度,因此了解上述每种影响的大小并修改平台设计以将影响降到较低程度是十分重要的。 空气轴承和直线电机的使用可将平面度和直线总误差降低到小于 0.5 微米/250 mm 和小于 20 毫微米/10 mm。


导轨角误差


      横摆、纵倾和横倾(分别为 qx、qy 和 qz)的角误差总是在某种程度上存在于定位工作台中,并以几种方式使性能下降。 它们的直接效果是改变用户有效载荷的角方向;由于可以相容易地将这些误差保持在较低水平(1-50 弧秒,取决于平台技术), 有效载荷角度改变的作用在许多应用中并不重要。 但是,某些光学定位任务可能会直接受到角误差的影响。 人们较大程度上关心的是来自基本角误差的平移误差。 图 3 中显示的、相应于 1 公里曲率半径的 ±±16.5 弧秒的简单纵倾误差,将会在行程的每个末端的半米行程平台中相对于中心位置产生 20 微米的 Z 轴平移。 由于行程两端负载的外伸性质,这种简单纵倾误差通常可在非循环工作台设计中发现。 涉及横摆、纵倾和横倾的更复杂曲率以及多中心曲率也可能遇到。

      角误差的坏影响是所得到的可影响直è线定位精度的阿贝误差(偏差)。 与上例中所描述的简单平移误差不同,阿贝误差会随着精度决定è元件与测量点之间距离的增加而增加。 这种效果将在阿贝误差è部分中详细说明。 导轨角误差很容易受安装定位平台的方法的影响(参见安装问题)。 一般来说,空气轴承可提供峰值的角精度,因为它们一个内在的平均作用,并且它们的参考面可以做的非常平坦。 The best stages can hold angular errors to as low as 1 arc-second per 250 mm. Angular errors of a way assembly can best be measured using a laser interferometer. 我们使用一个双光路光学组件来消除对直线平移的灵敏性,同时为纵倾或横倾提供 6.5 微弧秒(32 毫微弧度)的分辨率。 横摆的测量需要使用一个矩形光学平玻璃和一个自动准直仪或一对差动工作的电容计。


直线定位精度 有各种技术


     可以用来以增量方式沿一个直线轴对用户有效载荷进行定位。 迄今为止,导螺杆和滚珠螺杆为常用,虽然直线电机、压电机构和驱动器也在使用。 直线定位精度简单地说就是受命令支配的运动与定义的长度单位的匹配程度。 按照 Comitee Consultif pour Definition du Metre 的定义,所有长度测量结果都以米为单位。 1 米的当前值为光在 1/299,792,458 秒内在真空中所行进的距离。


基于导螺杆的系统

 
      低到中等精度系统通常依靠导螺杆或滚珠螺杆来提供准确增量运动。 这些系统经常是通过步进电机而进行开环驱动;如果使用闭环驱动,经常要使用一个旋转编码器。 在这两种情况下,导螺杆是一个主要精度决定元件。 导螺杆具有一种具有单调性质的累积导程误差,以及一个循环且随螺杆的每次转动而变化的周期性成分。 另外,螺母中可能存在会在方向反转时显示出来的侧隙。 精密定位平台通常使用一个预加负荷的滚珠螺杆或一个带有防侧隙紧固螺母。 滚珠螺杆更适用于高速应用,并因其固有的刚性而可提供较高固有频率。 带有防侧隙螺母的导螺杆可以中等成本提供很高的重复性,适合大多数应用。 NEAT 导螺杆具有商业级和精密级两种,精密级具有 0.0001î/in.(1 微米/cm)的累积导程误差,而商业级具有 0.0004î/in.(4 微米/cm)的导程误差。 周期性误差值分别为 0.0004î(10 微米)和 0.001î(25 微米)。 上面的累积导程误差分别相应于精密级和商业级的 100 和 400 ppm。 使用带有指定累积导程误差、周期性误差和重复性的导螺杆并不能确保定位工作台能提供该级别的精度,认识到这一点很重要。 可使总体性能下降的联合因素,包括因环境温度变化和螺母摩擦引起的热量而产生的热膨胀以及阿贝è误差。 后面这两种作用可产生不同的误差值,取决于在用户有效载荷上的位置。 在导螺杆热膨胀情况下,螺母相对于平台双轴承的位置很重要,而对于阿贝误差,起重要作用的是从到螺杆中心线到客户有效载荷的距离。

定位系统精度