微型龙门的运动控制分析

在许多市场中，对桌面自动化工具日益增长的需求是显而易见的。生命科学应用的例子包括:胶片扫描仪，DNA分析仪，喷墨打印机，分析和实验室自动化。

其他桌面自动化需求在轻型组件中发现，如螺旋传动、胶水点胶和3D打印。用于此类应用的加工工具由框架、定位系统、控制器、人机界面(HMI)和工具组成。所有桌面工具的一个常见限制是空间有限。这一要求意味着所有的微型部件和小部件都包装在一个密闭的空间里。最终的设计目标是最大限度地提高工作XY行程与占地面积的比例。其他定位要求包括移动负荷、工艺吞吐量、运动平稳性、沉降时间、定位精度和成本。

通过对小型平行运动门架的静态和动态特性的分析，表明它是桌面自动化工具的一种经济高效的选择，因为它具有特征频率、静态精度、动态精度和高性能的频率响应能力。

3D打印机，实验室，灯光组件

桌面自动化工具在实验室自动化和轻型装配应用中越来越受欢迎。这样的应用可能需要高静态和动态精度的过程应用。它们还可能需要高加速度和高速度(相互冲突的需求)，以获得高吞吐量。高吞吐量与所需精度的结合应该以足够低的成本来证明所选运动技术的投资回报。

在需要许多小的步进-重复移动或一个平滑移动的应用程序中，高吞吐量高精度的冲突需求非常明显。图1显示了一个步骤-重复应用程序的示例。该例子显示了一个移动的微孔板，它通过使用固定的光学传感器在XY方向上进行许多小步骤。要在这样的应用中达到高吞吐量，需要高加速度和高颠簸。然而，高激振会激发定位级的许多共振频率，进而使微孔板发生振动。这些振动也可能延长沉降时间，从而降低吞吐量，或扭曲光学图像，这可能反过来降低成像精度。

同样，要求运动流畅性的应用，如喷墨打印，可能会与高速度发生冲突。虽然平稳运动需要最小的干扰，但要在短时间内达到高速度需要高颠簸。高颠簸在短时间内将加速度提高到高值，但也可能导致速度超调，这反过来又延长了稳定到所需的恒定速度所需的时间。

运动系统设计需要知道内部系统振动的根本原因，以确保引起的系统振动不会干扰工艺需求。

下面是一个微型龙门架分析。

小型龙门试验

如图2所示，微型皮带驱动的龙门架具有独特的h形配置，这使得它们对桌面自动化工具具有吸引力。与复合式、悬臂式XY台或劈开式轴相比，其主要优点如下:

• 由于低调的XY轴，工作信封与占用空间的大比例最大化了在非常有限的桌面空间中的工作信封。
• 用于X和Y级的两个固定伺服或步进电机减少了移动重量，消除了Y轴移动电缆，减少了惯性负载，增加了可靠性，并降低了成本。
• 集成到高低立面的小桌面框架上，容易适应空间过程的约束。
• 结构简单，运动部件少，可靠性高，停机时间短。
• 模块化适用于传输线，在传输线中，许多顺序单元沿一条被加工零件的长线同时执行加工工作。

微型平行运动学平台的这些特点增加了可靠性，简化了集成和编程，并降低了材料成本，使微型龙门成为桌面自动化过程的一个有吸引力的候选人。

小型龙门架试验方案、试验配置

为了测试迷你龙门架特性，选择了标准Festo mini H龙门架EXCM-30, X, Y行程370 X 762 mm。龙门架被安全地安装在测试台上，具有1.8 Kg的移动负载。用激光干涉仪在Y滑块上方100毫米阿贝偏移处进行精度测试。舞台张力用电子“音叉”校准到其标准规格。测试使用了Festo的两个步进电机EMMS-ST(带有旋转编码器)和两个伺服放大器EXCM-2ST。

此外，使用Tamagawa伺服电机和ACS spiplus NTM08080808YYY(高性能运动控制器)对mini H进行了第二组测试，包括UDMmc4H4N0YN驱动器与5/10 a和48v dc总线。这些测试是在1.62公斤的负载下进行的。频率响应测试使用ACS运动控制公司的运动控制器进行。

测试程序

测试包括:

• 静态精度。移动到期望的位置。记录精度(未校准)，单向重复性，双向重复性。
• 动态特性。轻拍舞台。记录位置带宽，伺服阻尼和保持位置抖动。
• 动态精度。以500毫米/秒的速度移动工作台，样品位置误差为1 kHz。记录谐振频率和扰动频率、速度变化、加速度阶段结束时恒速度的沉降时间、减速阶段结束时各精度窗口的沉降时间。

静态精度

静精度为:

• 精度730 um[未校正]
• 精度300 um[带有2个端点校正]
• 单向重复性+/- 8 um
• 双向重复性+/- 80 um。

由图可知，微型龙门架的极限精度特性是其迟滞特性，影响了其双向重复性。这是带电机编码器的皮带驱动工作台的典型局限性。在方向改变期间，电机开始移动，编码器开始读取位置变化。然后皮带开始拉伸，但没有任何轴滑动运动，直到皮带张力克服了滑动的静摩擦。只有这样，轴滑块才开始运动，而落后于指示的编码器读数。

在桌面应用程序中，低双向可重复性限制可能不是一个问题，因为一个过程总是在一个方向上进行——例如，在螺钉驱动系统中，当一个螺钉总是在一个方向上被拾取，并且总是在相反的方向上放置在一个对象上，例如印刷电路板(PCB)。在这种情况下，拿起螺丝并将其放置在PCB上的重复性将始终处于单向值。

另一方面，如果该过程是双向的，则可以根据需要在轴上添加线性编码器来提高双向重复性。线性编码器不会对皮带拉伸不敏感，只会对滑动运动做出反应。这是一个非标准的选项，一些迷你龙门架。

图4显示了Festo Mini H龙门架的典型频谱。最初的观察显示了三个不同的区域，但没有线索显示其根本原因。最令人感兴趣的是最低两个模态的接近程度。

为了解释这些频率，用Fn =√(k/m)/ (2 *л)估算X和Y平移的固有频率。采用有限元法对Y级的弯曲模态进行了估计，并测量了带柱振动作为参考。

然后将观测到的频率与各种振动模式的计算频率进行关联。我们发现这些结果非常接近，可以得出以下结论:

• 前两种模式是X和Y平移。由于皮带刚度和移动载荷的比例相似，它们非常接近。

• 第三模态和第四模态分别与y轴偏航和y轴弯曲相关，如图5所示。

其他频率很可能是Y级振动的更高模式，以及同步带啮合皮带轮槽，再循环轨道的球抖动和皮带弦振动。

请注意，微型龙门架中最低的三个固有频率对于精度控制是最关键的。它们是最尖锐的，具有最大的放大，并且是位置带宽的主要限制因素。带宽位置是高动态精度、运动平稳性和低沉降时间的关键，通常在最低固有频率的1/3左右。

表3为mini H采用Tamagawa标准伺服电机和ACS伺服控制器/放大器(负载1.62 kg)的动态精度测试结果。请注意，在负载恒定的应用程序中，优化的动态性能是可能的。

如图6所示，使用高性能伺服电机和运动控制器(包括双四和陷波滤波器)，微型龙门架的动态性能可以优化到一个数量级更高的性能。图7结果显示Y级的带宽为159 Hz，相位裕度为38度，增益裕度为15 db。表3结果显示，Y级在500mm /s、1 g和1.68 kg移动重量时的最大动态误差分别为70 um，稳态CV误差为21 um, 12 msec内沉降时间为6 um。

直线电机效果好，皮带驱动成本高

这些结果，在许多方面，在同一数量级的直线电机阶段，但成本的皮带驱动阶段。

微型H型龙门架的双向重复性在100 um量级。正如预期的那样，它受到皮带滞后的影响。通过使用单向定位过程或使用定制的线性编码器，mini H的重复性可以根据需要提高+/- 10 um的数量级。

三种最低自然频率范围为30 ~ 70hz。它们是与皮带刚度相关的频率，包括X张力、Y张力和Y偏航。接下来的频率是结构固有频率，在70到200赫兹之间，包括Y梁弯曲和扭转。较高的频率(不太重要)很可能与皮带串振动有关，也与其他随运动而变化的振动源有关，如皮带/皮带轮相互作用和循环轴承球进出沟槽。

结果表明，在标准Festo步进电机配置中，标准mini H龙门架的动态精度可在200毫秒内稳定到10 um。一个数量级的更高的性能可以通过使用伺服电机和更高性能的控制器，高阶滤波器，如Tamagawa和ACS运动控制器。

最后，通过了解应用程序对行程、吞吐量、移动重量、运动平稳性和静态精度的要求，可以认为具有运动参数的迷你龙门配置是自动化桌面流程最具成本效益的解决方案。

对于测试和分析工作的支持，作者感谢Festo USA的Mustansir Faizullabhoy、Colin Johnson、Nick Xie和Patrick Haran;以及ACS运动控制公司的杰森·乔治和安德鲁·海恩斯。

- Boaz Eidelberg博士，Festo美洲客户解决方案;由内容经理马克·霍斯克编辑，控制工程，mhoske@cfemedia.com．

www.festo.com/us

费斯托龙门https://www.festo.com/cat/en-us_us/products__22136

Mini H龙门信息:patrick.haran@us.festo.com

费斯托是相2015年3月5日成员

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关键概念

• 微型并联龙门的运动控制分析有助于将技术与实际应用相匹配。
• 微型龙门架可用于3D打印、螺旋驱动、点胶和灯具组装。
• 行程、吞吐量、移动重量、运动平稳性和静态精度都是应用标准。

考虑一下这个

测试可以帮助将正确的技术与运动控制应用相匹配。询问说明书。

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参见下面链接的其他运动控制文章。

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