任何位移臺(tái)都有6個(gè)自由度:3個(gè)分別沿著x、y、z軸方向的平移自由度,另外3個(gè)則是圍繞x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)自由度(如圖1)。
此處描述的所有運(yùn)動(dòng)都是關(guān)于右手坐標(biāo)系的,所有的運(yùn)動(dòng)都可以看成是由沿坐標(biāo)軸方向的平動(dòng)和繞坐標(biāo)軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)選擇一款專業(yè)的位移臺(tái)時(shí),需要考慮很多不同評(píng)定位移臺(tái)性能的指標(biāo)。了解各種各樣參數(shù)的定義以及他們?nèi)绾斡绊戇\(yùn)行結(jié)果將簡(jiǎn)化產(chǎn)品的選擇過(guò)程。
1. 分辨率Resolution
分辨率是指移動(dòng)系統(tǒng)可以分辨的最小位置增量,它不同于系統(tǒng)的最小控制增量。同樣涉及到顯示器和數(shù)據(jù)采集器的分辨率,通常取決于編碼器的輸出,但由于滯后、背隙等導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)的降低,因而大多系統(tǒng)的最小移動(dòng)增量都不等于分辨率,除非編碼器直接測(cè)量傳動(dòng)。
(1)對(duì)于電動(dòng)平移臺(tái)而言,分辨率為步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)最小的一步,位移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)輸出量。
電動(dòng)平移臺(tái)的分辨率可以用以下公式計(jì)算:
2. 靈敏度Sensitivity
能產(chǎn)生一個(gè)輸出運(yùn)動(dòng)的最小輸入,通常用來(lái)表征手動(dòng)位移臺(tái),也可以定義為輸入驅(qū)動(dòng)和輸出運(yùn)動(dòng)的比值,這個(gè)術(shù)語(yǔ)經(jīng)常和分辨率混淆。
3. 精度Accuracy
對(duì)于一個(gè)給定的輸入,實(shí)際位置和理想位置之間的最大差距。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的精度跟實(shí)際位置的測(cè)量方式有很大的關(guān)系,所以對(duì)于開環(huán)設(shè)備中精度并不是一個(gè)很有意義的參數(shù)。
4. 絕對(duì)精度Absolute Accuracy
絕對(duì)精度是指系統(tǒng)針對(duì)命令輸入或理想輸入的輸出,更直觀的說(shuō)應(yīng)該叫不確定度。當(dāng)要求一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)精確運(yùn)動(dòng)10mm,而實(shí)際上只運(yùn)動(dòng)了9.99mm,則不確定度是0.01mm。位移臺(tái)的軸線和測(cè)量尺的軸的角度誤差會(huì)導(dǎo)致一個(gè)與角度呈余玄關(guān)系的單調(diào)遞增誤差,這就是常說(shuō)的余玄誤差。
5. 精確度Precision
精度是指對(duì)相同輸入,覆蓋95%運(yùn)動(dòng)偏移的變化輸出位置的變動(dòng)范圍。精確度也叫重復(fù)定位精度。精度和精確度是不同的概念。
6. 重復(fù)定位精度Repeatability
重復(fù)定位精度是指移動(dòng)系統(tǒng)多次可到達(dá)一個(gè)既定點(diǎn)的能力。通常所說(shuō)的重復(fù)定位精度指的是單向重復(fù)定位精度,單向重復(fù)定位精度是指運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)僅在一個(gè)方向上做重復(fù)增量運(yùn)動(dòng)。這個(gè)參數(shù)避開了系統(tǒng)的空回和滯后。
因此一個(gè)更重要的定義是雙向重復(fù)定位精度,即無(wú)論運(yùn)動(dòng)方向多次嘗試達(dá)到一個(gè)嚴(yán)格意義點(diǎn)的能力。
7. 空回Backlash
空回是指不至引起反向可測(cè)量輸出的最大輸入量。軸向預(yù)緊不夠或傳動(dòng)鏈元件的嚙合不好會(huì)導(dǎo)致空回,例如嚙合齒輪上的齒不好??栈厥窍鄬?duì)穩(wěn)定的,并且可以用好的控制器補(bǔ)償。
8. 誤差Error
誤差是指實(shí)測(cè)的品質(zhì)參數(shù)和理想的/需要的結(jié)果之間的差值。誤差主要有兩個(gè)方面:軸向誤差,如精度,與沿著運(yùn)動(dòng)方向的參數(shù)有關(guān);非軸向誤差,如傾斜,與約束的自由度方向相關(guān)。
9. 偏心和擺動(dòng)Eccentricity and Wobble
偏心有時(shí)也稱同心度,旋臺(tái)的偏心是指當(dāng)旋臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)它的旋轉(zhuǎn)中心與平均位置的偏差。如果一個(gè)旋臺(tái)是絕對(duì)同心的,那么在旋轉(zhuǎn)時(shí)就沒有偏心。對(duì)于旋臺(tái),擺動(dòng)是旋轉(zhuǎn)軸的角度偏差。
10. 跳動(dòng)Runout
跳動(dòng)是指非軸向線性誤差。這是位移臺(tái)的理想直線運(yùn)動(dòng)和實(shí)測(cè)直線運(yùn)動(dòng)之間的偏差。跳動(dòng)有兩個(gè)正交分量:表征水平方向偏差的直線度和表征垂直方向偏差的平面度。
11. 傾斜和晃動(dòng)Tilt and Wobble
傾斜和晃動(dòng)是指非軸向角度誤差。它是指理想的運(yùn)動(dòng)直線和實(shí)測(cè)的運(yùn)動(dòng)臺(tái)之間的偏移量。傾斜和晃動(dòng)有三個(gè)相互垂直的分量,一般指的是轉(zhuǎn)動(dòng)、俯仰和偏擺。這三個(gè)分量決定了由幾何形狀引起的所有運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)誤差。
12. 負(fù)載能力Load Capacity
對(duì)于位移臺(tái)來(lái)說(shuō),負(fù)載能力是指所允許的作用于位移臺(tái)臺(tái)面中心且與運(yùn)動(dòng)方向和工作臺(tái)面垂直的合力的大小。對(duì)于旋轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)說(shuō),合力的方向是沿著旋轉(zhuǎn)軸的。若負(fù)載不在工作臺(tái)的中心,則負(fù)載須適當(dāng)減少。
13. 法向負(fù)載能力Normal Load Capacity
法向負(fù)載能力是指可直接作用于移動(dòng)臺(tái)面上中心的最大負(fù)載,負(fù)載量主要受限于工作臺(tái)軸承所能承受的負(fù)載能力。
14. 橫向負(fù)載能力Transverse Load Capacity
橫向負(fù)載能力也叫側(cè)面負(fù)載能力,是作用于垂直運(yùn)動(dòng)方向軸線且沿著工作臺(tái)面的最大的負(fù)載力,通常受限于軸承的負(fù)載力,并且由于幾乎沒有軸承承載,因而比法向負(fù)載力能力要小。
15. 軸向負(fù)載能力Axial Load Capacity
傳動(dòng)方向上的最大負(fù)載,對(duì)于豎直安裝的線性位移臺(tái),標(biāo)稱的垂直載重能力經(jīng)常由軸向負(fù)載能力所限制。更多時(shí)候軸向負(fù)載能力取決于電機(jī)和螺桿的負(fù)載能力。
16. 動(dòng)態(tài)負(fù)載Dynamic Load
動(dòng)態(tài)負(fù)載是指靜態(tài)負(fù)載和運(yùn)動(dòng)阻力的總和。需要考慮的負(fù)載的一些動(dòng)態(tài)特性包括摩擦力和慣性。由于動(dòng)態(tài)載荷限制了系統(tǒng)所能達(dá)到的最大加速度,因此在評(píng)價(jià)整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)性能時(shí),必須要考慮此因素。
17. 速度Velocity (Speed)
速度是指單位時(shí)間內(nèi)位移的改變量。最大速度是指位移臺(tái)正常負(fù)載情況下的最大速度。負(fù)載越輕速度越快。最小穩(wěn)定速度主要依賴于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的速度穩(wěn)定性。
18. 速度穩(wěn)定性Speed Stability
速度穩(wěn)定性是指保持恒定速度的能力,也用速度調(diào)節(jié)能力表征。這個(gè)參數(shù)取決于平臺(tái)的機(jī)械設(shè)計(jì)、反饋機(jī)制、所用的控制算法和速度的大小。
19. 加速度Acceleration
加速度是指單位時(shí)間內(nèi)速度的變化量。
20. 慣量Inertia
慣量是負(fù)載抵抗速度改變的一個(gè)量度。慣量性越大,負(fù)載加速或減速時(shí)需要的轉(zhuǎn)矩也越大。慣量是一個(gè)負(fù)載大小和形狀的函數(shù)。如果能對(duì)轉(zhuǎn)矩做出限制,那么允許加速和減速的次數(shù)就會(huì)增加。
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