eng
Выпуск #1/2019
И. П. Тарасов, Н. В. Буров, А. Ю. Пищалов
Идентификация и настройка геометрических и динамических ошибок
Идентификация и настройка геометрических и динамических ошибок
Просмотры: 2819
В областях производства, где речь идет о микро- и нанометровых значениях (лазерная резка, скрайбирование, литография, голография, 3D-принтинг, аддитивные технологии и т. д.), чрезвычайно важно обеспечить стабильность и повторяемость значений геометрических и динамических ошибок инструментального оборудования в ходе технологического процесса. В частности, основными параметрами, характеризующими качество механических позиционеров, являются: точность, двухсторонняя повторяемость, ошибка отслеживания и время затухания. Для эффективного управления движением и получения точной геометрии изделия необходимо обеспечить высокочастотное селективное векторное управления током и провести селективную калибровку статических ошибок позиционера. В статье проанализирован один из способов уменьшения значений ошибок и повышения качественных параметров позиционера.
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.1.24.28
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.1.24.28
Теги: micromachining motion control precision movement tracking error микромашининг ошибка отслеживания прецизионный позиционер управление движением
АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ ОШИБОК
Работа над динамическими ошибками и оптимизацией параметров управления заключается в четкой идентификации коэффициентов передаточной функции открытой электромеханической системы и селективной адаптации передаточной функции под определенные характеристики инерции и режимов перемещения [1]. Основное уравнение передаточной функции WOL5(s) открытой системы, включающей механику, мотор и регулятор имеет вид:
(1)
Уравнение (1) характеризирует полную архитектуру позиционера (мотор, механические составляющие) и управления (цифровых фильтров, PID регуляторов). Для идентификации передаточной функции WOL5(s) используется стенд (рис. 1), который построен на основе моторизированного позиционера Standa 8MTL1401–300-LEn1-XXX (технические параметры приведены в табл.).
При первичной идентификации исследуемой системы видно, что динамическая ошибка системы соответствует ~10–1 мм (рис. 2а) во время затухания ~180 мс. После настройки регулятора и адаптации передаточной функции WOL5(s)ошибка уменьшилась практически в 10 раз, то есть до ~10–2 мм (рис. 2b).
Важно отметить, что на двустороннюю повторяемость влияют точная идентификация передаточной функции WOL5(s) и ее селективная настройка [2, 3]. Двухсторонняя повторяемость измеряется внешним лазерным интерферометром и после профессиональной настройки может соответствовать разрешению системы (рис. 3).
АНАЛИЗ СТАТИЧЕСКОЙ ОШИБКИ (НЕТОЧНОСТИ) СИСТЕМЫ
После того как контур, воспроизводимый механической системой, становится стабильным во времени, а также имеет высокую повторяемость, необходимо провести настройку статических ошибок. Статические ошибки (точность) зависят от погрешности изготовления (допусков) деталей и качества сборочного процесса и не зависят от динамики системы. Для того чтобы компенсировать неточность системы, необходимо иметь калибровочную прямую (в случае движения по одной оси X), либо калибровочную матрицу (в случае движения в плоскости XY).
Представим пример использования внешней измерительной системы (рис. 4) – лазерный интерферометр, который позволяет минимизировать величину статической ошибки от 17 · 10–3 мм до <10–3 мм (рис. 5).
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МОТОРИЗИРОВАННОГО ПОЗИЦИОНЕРА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ
Моторизированный позиционер компании Standa серии 8MTL1401–300-LEn1-200 (рис. 6) основан на технологии трехфазного линейного сервопривода. Прямой привод позволяет пользователю осуществлять движение с нулевым люфтом с высокой точностью, повторяемостью и низким коэффициентом трения.
В качестве системы обратной связи используется линейный бесконтактный оптический энкодер, обеспечивающий прямой контроль перемещения с субнанометровым разрешением движения. Естественно состаренный алюминиевый сплав гарантирует высокую температурную стабильность и превосходную длительную кинематику без дрейфа направляющей системы [4].
Устройство обладает следующими особенностями:
• Сверхпрецизионное движение;
• Диапазон перемещения: 300 мм;
• Тип энкодера: бесконтактный, оптический;
• Разрешение энкодера: 200 нм;
• Высокая точность линейных направляющих.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Качество системы управления зависит от ее точности. Анализ параметров подвижки показал, что подбор оптимальной архитектуры регулятора, а также его селективная настройка позволяет достичь уровня динамической ошибки до нескольких микрометров, а значение времени затухания становится равным 100–200 мс; селективная настройка динамической системы обеспечивает высокую двухстороннюю повторяемость, соответствующую значениям разрешения энкодера. Также в результате опытов была установлена необходимость калибровки статической ошибки интерферометром, что позволило достигнуть абсолютной точности системы до <10–3 мм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ISO 230-2:1997. Test of machine tools. Determination of accuracy and repeatability of positioning numerically controlled axes.
ГОСТ 27843–2006. Испытания станков. Определение точности и повторяемости позиционирования осей с числовым программным управлением. 2008.
2. Chen C. S. The Feedforward Friction Compensation of Linear Motor Using Genetic Learning Algorithm. Proceedings of the 17th World Congress, The International Federation of Automatic Control, Seoul, Korea. 2008; July 6–11: 15696–15701.
3. Dynamic Error Compensation. Application Note. ACS Motion Control Inc. 2018.
4. Standa motorized positioner. URL: http://www.standa.lt/products/catalog/motorised_positioners?item=596&prod=Direct-Drive-Linear-Translation-Stage (appeal date: 04.01.2019)
Компания «Ленинградские Лазерные Системы» представляет весь спектр продукции Standa на территории РФ и предлагает наиболее выгодные условия поставки продукции, полную техническую поддержку, а также поставку образцов. Для получения дополнительной информации обращайтесь в компанию ЛЛС.
Работа над динамическими ошибками и оптимизацией параметров управления заключается в четкой идентификации коэффициентов передаточной функции открытой электромеханической системы и селективной адаптации передаточной функции под определенные характеристики инерции и режимов перемещения [1]. Основное уравнение передаточной функции WOL5(s) открытой системы, включающей механику, мотор и регулятор имеет вид:
(1)
Уравнение (1) характеризирует полную архитектуру позиционера (мотор, механические составляющие) и управления (цифровых фильтров, PID регуляторов). Для идентификации передаточной функции WOL5(s) используется стенд (рис. 1), который построен на основе моторизированного позиционера Standa 8MTL1401–300-LEn1-XXX (технические параметры приведены в табл.).
При первичной идентификации исследуемой системы видно, что динамическая ошибка системы соответствует ~10–1 мм (рис. 2а) во время затухания ~180 мс. После настройки регулятора и адаптации передаточной функции WOL5(s)ошибка уменьшилась практически в 10 раз, то есть до ~10–2 мм (рис. 2b).
Важно отметить, что на двустороннюю повторяемость влияют точная идентификация передаточной функции WOL5(s) и ее селективная настройка [2, 3]. Двухсторонняя повторяемость измеряется внешним лазерным интерферометром и после профессиональной настройки может соответствовать разрешению системы (рис. 3).
АНАЛИЗ СТАТИЧЕСКОЙ ОШИБКИ (НЕТОЧНОСТИ) СИСТЕМЫ
После того как контур, воспроизводимый механической системой, становится стабильным во времени, а также имеет высокую повторяемость, необходимо провести настройку статических ошибок. Статические ошибки (точность) зависят от погрешности изготовления (допусков) деталей и качества сборочного процесса и не зависят от динамики системы. Для того чтобы компенсировать неточность системы, необходимо иметь калибровочную прямую (в случае движения по одной оси X), либо калибровочную матрицу (в случае движения в плоскости XY).
Представим пример использования внешней измерительной системы (рис. 4) – лазерный интерферометр, который позволяет минимизировать величину статической ошибки от 17 · 10–3 мм до <10–3 мм (рис. 5).
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МОТОРИЗИРОВАННОГО ПОЗИЦИОНЕРА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ
Моторизированный позиционер компании Standa серии 8MTL1401–300-LEn1-200 (рис. 6) основан на технологии трехфазного линейного сервопривода. Прямой привод позволяет пользователю осуществлять движение с нулевым люфтом с высокой точностью, повторяемостью и низким коэффициентом трения.
В качестве системы обратной связи используется линейный бесконтактный оптический энкодер, обеспечивающий прямой контроль перемещения с субнанометровым разрешением движения. Естественно состаренный алюминиевый сплав гарантирует высокую температурную стабильность и превосходную длительную кинематику без дрейфа направляющей системы [4].
Устройство обладает следующими особенностями:
• Сверхпрецизионное движение;
• Диапазон перемещения: 300 мм;
• Тип энкодера: бесконтактный, оптический;
• Разрешение энкодера: 200 нм;
• Высокая точность линейных направляющих.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Качество системы управления зависит от ее точности. Анализ параметров подвижки показал, что подбор оптимальной архитектуры регулятора, а также его селективная настройка позволяет достичь уровня динамической ошибки до нескольких микрометров, а значение времени затухания становится равным 100–200 мс; селективная настройка динамической системы обеспечивает высокую двухстороннюю повторяемость, соответствующую значениям разрешения энкодера. Также в результате опытов была установлена необходимость калибровки статической ошибки интерферометром, что позволило достигнуть абсолютной точности системы до <10–3 мм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ISO 230-2:1997. Test of machine tools. Determination of accuracy and repeatability of positioning numerically controlled axes.
ГОСТ 27843–2006. Испытания станков. Определение точности и повторяемости позиционирования осей с числовым программным управлением. 2008.
2. Chen C. S. The Feedforward Friction Compensation of Linear Motor Using Genetic Learning Algorithm. Proceedings of the 17th World Congress, The International Federation of Automatic Control, Seoul, Korea. 2008; July 6–11: 15696–15701.
3. Dynamic Error Compensation. Application Note. ACS Motion Control Inc. 2018.
4. Standa motorized positioner. URL: http://www.standa.lt/products/catalog/motorised_positioners?item=596&prod=Direct-Drive-Linear-Translation-Stage (appeal date: 04.01.2019)
Компания «Ленинградские Лазерные Системы» представляет весь спектр продукции Standa на территории РФ и предлагает наиболее выгодные условия поставки продукции, полную техническую поддержку, а также поставку образцов. Для получения дополнительной информации обращайтесь в компанию ЛЛС.
Отзывы читателей
