eng
Выпуск #1/2020
О. С. Большаков, А. В. Кирсанов, В. В. Чернов
Спектральный анализ временного изменения скорости как подход к определению свойств систем позиционирования
Спектральный анализ временного изменения скорости как подход к определению свойств систем позиционирования
Просмотры: 2917
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.1.76.86
В работе описан способ контроля мгновенной скорости перемещаемых элементов систем позиционирования. Показано, что вклад в изменение скорости вносят различные внутренние или внешние источники (двигатели, передачи, каретки и т.п.). Приводится сравнение нескольких типов приводов конкретной системы, в том числе исследован случай резкого уменьшения скорости – дефекта системы типа некритического «заедания», в котором происходит уменьшение амплитуды скорости виброкомпонент до нуля. Разработанный способ представляет интерес для контроля возникновения и развития дефектов систем позиционирования в процессе эксплуатации.
В работе описан способ контроля мгновенной скорости перемещаемых элементов систем позиционирования. Показано, что вклад в изменение скорости вносят различные внутренние или внешние источники (двигатели, передачи, каретки и т.п.). Приводится сравнение нескольких типов приводов конкретной системы, в том числе исследован случай резкого уменьшения скорости – дефекта системы типа некритического «заедания», в котором происходит уменьшение амплитуды скорости виброкомпонент до нуля. Разработанный способ представляет интерес для контроля возникновения и развития дефектов систем позиционирования в процессе эксплуатации.
Теги: growing processing kdp – dkdp crystals positioning systems рост кристаллов группы kdp – dkdp системы позиционирования
Спектральный анализ временного изменения скорости как подход к определению свойств систем позиционирования
О, С. Большаков, А.В. Кирсанов, к. т. н.,
В.В. Чернов, к. ф.‑ м. н.,
Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН),
Нижний Новгород, Россия
Статья получена: 13.01.2020
Статья принята к публикации: 12.02.2020
Введение
Неравномерность скорости позиционирования или остановка подачи в экспериментах и технологических процессах приводят к искажению данных или к падению качества конечного продукта. В ИПФ РАН в последние несколько десятилетий разработана технология роста и обработки кристаллов группы KDP – DKDP, соответственно созданы исследовательские комплексы для проведения целого ряда экспериментов по отработке технологий роста и покрытия кристаллов [1, 2]. Нарушения скорости в процессе покрытия и обработки нелинейных кристаллов приводят к появлению неравномерности поверхности и покрытия нелинейных кристаллов. Одной из финишных операций изготовления водорастворимых кристаллов группы KDP-DKDP является sole-gel покрытие. Оно выполняет несколько функций. Образующаяся на поверхности кристалла пленка по свойствам близкая к керамике, просветляет поверхность после алмазного микрофрезерования и защищает водорастворимый кристалл от воздействия влаги, присутствующей в атмосферном воздухе.
Sole-gel технология покрытия представляет собой равномерный подъем нелинейного элемента из специально подготовленной жидкости. Отклонения скорости при подъеме приводят к неравномерному высыханию защитной плёнки и к последующей неравномерности отражающих и пропускающих свойств нелинейного кристалла. Технической задачей для системы позиционирования в данном случае является перемещение рабочего объекта на участке технологического процесса с постоянной во времени скоростью. Участки разгона и торможения не должны входить в рабочую зону.
Описание конкретной реализации системы позиционирования
Исследования в работе проводились применительно к системе позиционирования стенда покрытия кристаллов – транслятору [3], устроенной по распространенной схеме (см. рис. 1) на коммерчески доступных элементах [4, 5]: на опорной плите 1 расположены два рельса HIWIN20. По рельсам 2 перемещаются четыре каретки HGW20CC 3, на которых размещён предметный стол 4. Приведено сравнение данных измерения скорости трех различных систем реализаций привода и приведён спектральный анализ изменений скорости. Сначала использовалась пара: стальной винт с трапециевидной резьбой с шагом 4 мм / оборот и капролоновая гайка – реализация 1. В качестве исполнительного механизма использовался шаговый двигатель (ШД) стандарта NEMA23. Поскольку скорость технологического процесса сравнительно малая (подача 1,6–1,65 мм / с), между ШД и валом установлен понижающий редуктор 10 : 1. В системе управления для плавной работы были использованы деление шага на 32 (микростеппинг) и программное подавление резонансов ШД с нагрузкой. Контроль положения обеспечивался с помощью оптической линейки DC‑11 [5]. Скорость записывается специальным контроллером «Speedometer» с соответствующим программным обеспечением. После определенного количества экспериментальной отработки в описанной выше системе появился некоторый износ и соответственно люфт в паре трения: вал-гайка. Это послужило поводом для замены пары трения скольжения: ходовой винт – гайка на шарико-винтовую передачу (ШВП) – реализация 2 с некоторой корректировкой конструкции для увеличения стабильности скорости. Отдельно был опробован в качестве привода линейный шаговый двигатель (ЛШД) на тех же рельсах и каретках-опорах – реализация 3. Коммерчески доступная система позиционирования – транслятор с использованием технологии ЛШД представлен в [6].
Описание контроллера «Speedometer»
Для анализа данных с оптической линейки разработан микроконтроллер «Speedometer» на основе микропроцессора ATmega328 с соответствующим программным обеспечением [7]. В микроконтроллере «Speedometer» собственный кварцевый генератор частоты формирует своё, независимое от компьютерных прерываний, время. С определенной выбранной частотой F микроконтроллер опрашивает и записывает в буфер значение координаты с оптической линейки для дальнейшей передачи данных по интерфейсу USB в компьютер, в котором программный блок «Speedometer» записывает время и координату подвижной части в файл формата csv для дальнейшего анализа. Частота записи F может варьироваться в широких пределах до 10 000 раз в секунду (10 кГц), что, по теореме Котельникова [8], позволяет анализировать спектр до 5 000 Гц. Количество данных перемещения и скорости для сравнительно небольших ходов огромны, но в связи с бурным развитием вычислительной техники массивы в миллионы строк вполне обрабатываются математическими программами (MATLAB, MathCAD, ORIGIN и др.). Из опыта работы с механическими системами видно, что основные резонансы механических систем ниже 200 Гц, но в области 300–900Гц находится рабочая область частоты ШД с его резонансами, которые полезно контролировать. Высокая частота записи координат и скоростей F = 10 кГц является излишней и в то же время приводит к существенному увеличению обрабатываемого массива. Поэтому была выбрана частота записи F = 2 кГц, т. е. один раз в 500 мкс. Соответственно анализируется спектр скорости до 1 кГц. Применялись линейки серии DC‑11 разной длины. У данной серии линеек дискретизация координаты 1 µ.
Следовательно, дискретизация данных для скорости δv = ±2 мм / с.
Для визуализации скорости необходимо её усреднить по определенному окну. Рассмотрев несколько вариантов размера окна усреднения, было выбрано окно усреднения по 500 точкам или за 0,25 с при выбранной нами частоте записи. При этом начало записи и окончание при остановке движения по 0,25 с могут отражаться некорректно при усреднении, поэтому их, как и разгон с торможением, не берут в рассмотрение, выбирая диапазон записи больше технологически необходимого, хотя можно эту проблему программно устранить, усредняя либо по последующим 500 точкам для начала движения, либо по предыдущим для окончания с определённым моментом их сшивания в середине перемещения.
Анализ полученных данных
На рис. 2 представлена зависимость мгновенной скорости предметного стола системы позиционирования (см. рис. 1а) в реализации 1 (ходовой винт с шагом 4 мм на оборот с капролоновой гайкой), нормированной на максимум, от времени для двух диапазонов рассмотрения: на рис. 2а весь технологический процесс от начала до 200-й секунды, на рис. 2b диапазон времени от 10-й до 12-й секунды, т. е. за 2 секунды. На верхнем графике рис. 2а видны два типа колебаний скорости – амплитудная модуляция низкочастотной зависимости с частотой 0,041 Гц с заполнением с частотой 0,413 Гц (частоты легко считаются по представленному на графике времени). На рис. 2b представлен фрагмент предыдущего графика за 2 секунды – с 10-й по 12-ю секунды. При этом зависимость скорости вся изрезана более высокочастотными колебаниями. Можно сделать два вывода:
Зависимость средней скорости от времени v (t) носит периодический характер, с периодом Т = S / vср., где S = 4 мм – шаг резьбы для реализации системы 1, Т ≈ 2,42 с для данной средней скорости vср. = 1,65 мм / с;
Ближайшее рассмотрение показывает наличие вибрации. Вибрации предметного стола означают, что у системы есть свободный ход и что в системе есть источники вибрации. Свободный ход в механических системах необходим для их нормального функционирования – например в технике принципиально наличие тепловых зазоров.
Выявление разного типа колебаний скорости является предпосылкой для рассмотрения её спектра как в сверхнизких частотах (от 0 до 1 Гц), так и в частотах до 200 Гц.
На рис. 3 представлен спектр, нормированный на максимум спектральной плотности. Он получен в результате Фурье-анализа зависимости скорости от времени на всей длине хода технологического процесса. На рис. 3а показан спектр от 0 до 300 Гц, овалом 1 выделена компонента на частоте 0,413 Гц – частота вращения приводного вала системы позиционирования в реализации 1 для средней скорости технологического процесса vcр. = 1,65 мм / сек и резьбы 4 мм на оборот с редуктором 1 : 10 между ШД и ходовым валом, показанная на рис 3b. Овалом 2 выделена группа компонент на средней частоте 82,5 Гц, более подробно показанная на рис. 3с. Видно, что спектр дискретный с величиной дискретизации 0,413 Гц. Овалом 3 отмечена компонента спектра на частоте примерно 206 Гц – 1 / 4 от частоты следования шагов ШД для данной средней скорости 1,65 мм / с.
Выше 300 Гц особых выделенных компонент нет, если, с одной стороны, выполнены условия подавления резонансов ШД и нагрузки и, с другой стороны, использовано деление шага (в нашем случае на 32). Большое время записи и соответственно огромное количество точек приводит к возможности рассматривать в спектральной зависимости сверхнизкие частоты. Так, видимые глазом биения скорости на графике рис. 2а с частотой 0,041 Гц представлены в качестве частотной компоненты в спектральной плотности. Компонента с частотой 0,041 Гц возникает как 1 / 10 от частоты биений ходового вала.
Поскольку все колебания скорости для пользователей являются негативным явлением, с которым необходимо бороться, одной из задач анализа скорости и её спектра было идентифицировать все компоненты спектра и определить причины возникновения данного типа колебаний. Достаточно большие отклонения скорости peak to peak для реализации 1–6% в начале и 7,4% в конце технологического процесса и появившийся износ послужили причиной появления реализации 2 данной системы позиционирования. Пара трения скольжения: ходовой вал – гайка была заменена на шарико-винтовую передачу (ШВП) с шагом 5 мм / оборот. Поскольку очевидно, что причиной колебаний скорости на частоте вращения ходового винта и причиной разницы этих колебаний в начале и в конце перемещения являются угловые и координатные несоосности ходового винта и приводных механизмов, в следующих реализациях постарались эти дефекты минимизировать.
Рассмотрим получившуюся характеристику скорости и её спектр. На данном графике (см. рис. 4) видно, что отклонения скорости peak to peak составляют 4%. В спектре, по сравнению со случаем 1, к размытым уширенным компонентам с частотами 80 Гц и 160 Гц добавляется узкая (около 0,07 Гц по 50%) компонента на частоте 64 Гц с интенсивностью, такой же, как и у предыдущих компонент. В области сверхнизких частот присутствует компонента 0,32 Гц (частота вращения – биение основного приводного вала).
Нами был протестирован вариант (см. рис 5) такой же системы позиционирования на тех же направляющих и каретках-опорах с приводом типа линейный шаговый двигатель. В спектре скорости видны те же компоненты с частотами 80 Гц, 160 Гц, а также гармоники 240 Гц и 320 Гц. Девиация скорости в данном случае менее 1%, поэтому её не приводим. Для всех трёх проанализированных реализаций привода перемещения предметного стола можно выделить общие характерные особенности спектров: для скорости около рабочей 1,6 мм / сек есть компоненты со средними частотами, близкими значениям 80, 160, 240 Гц. Кроме того, в случае с ШВП возникает еще одна компонента с частотой 64 Гц. При изменении заданной скорости средние частоты всех этих компонент изменяются в соответствии с формулами:
fкаретки = n A v, (1)
fШВП = 0,8 A v, (2)
где n = 1, 2, 3... – целое число, A = 50 [мм–1] – некий коэффициент, характерный для данного типа опор HIWIN, v [мм / с] – скорость предметного стола.
Поскольку скорость меняется, соответственно с формулами (1) и (2) мы имеем механическое частотное уширение спектральных компонент, имеется в виду, что с изменением скорости меняется частота связанных с ней компонент согласно формулам (1) и (2), что видно на спектрах реализаций 1 и 2. В реализации 3 (ЛШД) скорость изменяется меньше, чем на 1%, и соответственно уширение в данном случае не заметно. Источником данных типов колебаний являются системы, состоящие из корпусов каретки и гайки ШВП с одной стороны и рециркулирующих элементов качения – шаров с другой стороны (см. рис. 1b). Элементы качения входят / выходят из нагруженной зоны предварительного натяга с неким ударом, который возбуждает колебания корпуса каретки или гайки ШВП.
В некотором смысле это оборотная сторона использования систем с предварительным натягом. В процессе эксплуатации системы позиционирования её необходимо обслуживать – смазывать согласно регламенту. Необходимо отметить, что после смазывания элементов, например всех кареток 3 (см. рис. 1), амплитуда возбуждаемых ими колебаний падает и постепенно увеличивается к следующему обслуживанию, поскольку часть смазки неизбежно покидает зону контакта элементов качения. В качестве выводов об использовании данного типа систем позиционирования заметим следующее: очевидно, что привод типа вал-гайка ШВП лучше работает, чем привод на основе пары ходового вала и гайки на трении скольжения. Во всех системах с источником движения на основе двигателей вращения необходимо минимизировать угловые и координатные несоосности ходового вала и системы привода. При этом можно добиться отклонений скорости в таких системах менее 1%, как и в случае привода типа линейного шагового двигателя. Отклонения скорости мене 1% практически не оказывают влияния на технологический процесс.
Влияние внешних источников
Для проверки возможностей системы Speedometer был проделан некий эксперимент: на предметный стол был установлен вертикальный излучатель. В процессе перемещения он излучал на низкой частоте 66Гц. Геометрия излучателя и системы позиционирования была выбрана таким образом, чтобы основное воздействие излучателя было сонаправлено с направлением перемещения. Система перемещения представляла обычный транслятор (см. рис. 1): две направляющие, на них каретки с рециркулирующими шарами, на них закреплён предметный стол.
При включении внешнего источника вибрации в спектре скорости возникают несколько новых узких спектральных (менее 1%) компонент – на частоте вибрации источника 66 Гц, на второй 132 Гц и третьей гармонике 198 Гц. Привычные для данной системы на данной скорости компоненты спектра остаются, поскольку источники вибрации никак не связаны друг с другом.
Кратковременные
уменьшения скорости
В эксплуатации систем позиционирования возникают ситуации, при которых скорость предметного стола кратковременно падает. Пример кратковременного падения скорости представлен на рис. 6. На верхнем рис. 6а представлена нормированная на максимум скорость за 26 секунд перемещения, окружностью отмечен случай кратковременного уменьшения скорости на 5% на 242 секунде записи. Не вдаваясь в рассмотрение причин данного «заклинивания», можно сказать, что система проскочила данный дефект. В данном случае дефект оказался некритическим для системы позиционирования. На нижнем рис. 6b показана подробно скорость в этом случае. На времена Т1 и Т2 приходятся моменты времени, когда амплитуда виброколебаний скорости равна нулю – именно эти моменты и есть моменты «заклинивания». Такие одноразовые всплески- выбросы сильно искажают – портят спектр скорости в сверхнизких частотах, что можно использовать для диагностики возникновения таких дефектов. Слабые компоненты типа 1 / 10 частоты вращения приводного вала не видны на их фоне.
Выводы
Предложен и реализован новый подход к анализу мгновенной скорости перемещаемых объектов в экспериментах или технологических процессах. Данный подход к спектральному анализу временных изменений скорости позиционируемых элементов позволяет контролировать возникновение и развитие негативного влияния дефектов систем перемещения в процессе эксплуатации. В работе рассмотрен случай применения данного метода анализа скорости для систем линейного перемещения. Однако он может быть более интересен для контроля систем вращения. Вместо сигнала с оптической линейки системой Speedometer можно использовать сигнал углового положения с осевого инкрементального энкодера, например с 1 000 отсчетов на оборот, и анализировать угловую скорость. После процедуры усреднения можно наблюдать динамику угловой скорости или провести Фурье-анализ массива данных угловой скорости для рассмотрения спектральной зависимости скорости, в которой проявляются особенности или дефекты механической системы.
Работа профинансирована Министерством науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания ИПФ РАН, проект № 0035-2019-0015.
References
V. I. Bespalov et al. Effective technology for fabricating KDP, DKDP crystals to be used in high-energy lasers. Proc. SPIE Vol.2633(1995), p.732–739.
Н. Андреев и др. Производство крупногабаритной оптики из водорастворимых кристаллов // Фотоника, 2007, № 5 c. 34–37. DOI:10.22184 / 1993–7296. FRos. 2007.5.34.37.
N. Andreev et al. Large-size optics made from water-soluble crystals // Photonics, 2007, № 5 p. 34–37. DOI:10.22184 / 1993–7296. FRos. 2007.5.34.37.
https://www.optomech.ru/ (дата обращения 25.02.2020)
https://www.hiwin.com.ru/files/pdf/hiwin.com.ru/linear_guidway/linear_guideway_rg.pdf/ (дата обращения 25.02.2020)
https://www.purelogic.ru/ (дата обращения 25.02.2020)
http://www.standa.lt/products/catalog/motorised_positioners?item=664 (дата обращения 25.02.2020)
Заявка на изобретение RU2019143712 от 25.12.2019. Способ измерения линейной скорости и её неоднородности / Большаков О. С., Кирсанов А. В.
Application for invention RU2019143712 from 25.12.2019. Method of measuring linear velocity and its deviations / Bolshakov O. S., Kirsanov A. V.
Биккенин Р. Р., Чесноков М. Н. Теория электрической связи. – М.: Академия, 2010.-329 с.
Bikkenin R. R., Chesnokov M. N. Theory of electrical connection.-M.: Akademia, 2010–329p.
О, С. Большаков, А.В. Кирсанов, к. т. н.,
В.В. Чернов, к. ф.‑ м. н.,
Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН),
Нижний Новгород, Россия
Статья получена: 13.01.2020
Статья принята к публикации: 12.02.2020
Введение
Неравномерность скорости позиционирования или остановка подачи в экспериментах и технологических процессах приводят к искажению данных или к падению качества конечного продукта. В ИПФ РАН в последние несколько десятилетий разработана технология роста и обработки кристаллов группы KDP – DKDP, соответственно созданы исследовательские комплексы для проведения целого ряда экспериментов по отработке технологий роста и покрытия кристаллов [1, 2]. Нарушения скорости в процессе покрытия и обработки нелинейных кристаллов приводят к появлению неравномерности поверхности и покрытия нелинейных кристаллов. Одной из финишных операций изготовления водорастворимых кристаллов группы KDP-DKDP является sole-gel покрытие. Оно выполняет несколько функций. Образующаяся на поверхности кристалла пленка по свойствам близкая к керамике, просветляет поверхность после алмазного микрофрезерования и защищает водорастворимый кристалл от воздействия влаги, присутствующей в атмосферном воздухе.
Sole-gel технология покрытия представляет собой равномерный подъем нелинейного элемента из специально подготовленной жидкости. Отклонения скорости при подъеме приводят к неравномерному высыханию защитной плёнки и к последующей неравномерности отражающих и пропускающих свойств нелинейного кристалла. Технической задачей для системы позиционирования в данном случае является перемещение рабочего объекта на участке технологического процесса с постоянной во времени скоростью. Участки разгона и торможения не должны входить в рабочую зону.
Описание конкретной реализации системы позиционирования
Исследования в работе проводились применительно к системе позиционирования стенда покрытия кристаллов – транслятору [3], устроенной по распространенной схеме (см. рис. 1) на коммерчески доступных элементах [4, 5]: на опорной плите 1 расположены два рельса HIWIN20. По рельсам 2 перемещаются четыре каретки HGW20CC 3, на которых размещён предметный стол 4. Приведено сравнение данных измерения скорости трех различных систем реализаций привода и приведён спектральный анализ изменений скорости. Сначала использовалась пара: стальной винт с трапециевидной резьбой с шагом 4 мм / оборот и капролоновая гайка – реализация 1. В качестве исполнительного механизма использовался шаговый двигатель (ШД) стандарта NEMA23. Поскольку скорость технологического процесса сравнительно малая (подача 1,6–1,65 мм / с), между ШД и валом установлен понижающий редуктор 10 : 1. В системе управления для плавной работы были использованы деление шага на 32 (микростеппинг) и программное подавление резонансов ШД с нагрузкой. Контроль положения обеспечивался с помощью оптической линейки DC‑11 [5]. Скорость записывается специальным контроллером «Speedometer» с соответствующим программным обеспечением. После определенного количества экспериментальной отработки в описанной выше системе появился некоторый износ и соответственно люфт в паре трения: вал-гайка. Это послужило поводом для замены пары трения скольжения: ходовой винт – гайка на шарико-винтовую передачу (ШВП) – реализация 2 с некоторой корректировкой конструкции для увеличения стабильности скорости. Отдельно был опробован в качестве привода линейный шаговый двигатель (ЛШД) на тех же рельсах и каретках-опорах – реализация 3. Коммерчески доступная система позиционирования – транслятор с использованием технологии ЛШД представлен в [6].
Описание контроллера «Speedometer»
Для анализа данных с оптической линейки разработан микроконтроллер «Speedometer» на основе микропроцессора ATmega328 с соответствующим программным обеспечением [7]. В микроконтроллере «Speedometer» собственный кварцевый генератор частоты формирует своё, независимое от компьютерных прерываний, время. С определенной выбранной частотой F микроконтроллер опрашивает и записывает в буфер значение координаты с оптической линейки для дальнейшей передачи данных по интерфейсу USB в компьютер, в котором программный блок «Speedometer» записывает время и координату подвижной части в файл формата csv для дальнейшего анализа. Частота записи F может варьироваться в широких пределах до 10 000 раз в секунду (10 кГц), что, по теореме Котельникова [8], позволяет анализировать спектр до 5 000 Гц. Количество данных перемещения и скорости для сравнительно небольших ходов огромны, но в связи с бурным развитием вычислительной техники массивы в миллионы строк вполне обрабатываются математическими программами (MATLAB, MathCAD, ORIGIN и др.). Из опыта работы с механическими системами видно, что основные резонансы механических систем ниже 200 Гц, но в области 300–900Гц находится рабочая область частоты ШД с его резонансами, которые полезно контролировать. Высокая частота записи координат и скоростей F = 10 кГц является излишней и в то же время приводит к существенному увеличению обрабатываемого массива. Поэтому была выбрана частота записи F = 2 кГц, т. е. один раз в 500 мкс. Соответственно анализируется спектр скорости до 1 кГц. Применялись линейки серии DC‑11 разной длины. У данной серии линеек дискретизация координаты 1 µ.
Следовательно, дискретизация данных для скорости δv = ±2 мм / с.
Для визуализации скорости необходимо её усреднить по определенному окну. Рассмотрев несколько вариантов размера окна усреднения, было выбрано окно усреднения по 500 точкам или за 0,25 с при выбранной нами частоте записи. При этом начало записи и окончание при остановке движения по 0,25 с могут отражаться некорректно при усреднении, поэтому их, как и разгон с торможением, не берут в рассмотрение, выбирая диапазон записи больше технологически необходимого, хотя можно эту проблему программно устранить, усредняя либо по последующим 500 точкам для начала движения, либо по предыдущим для окончания с определённым моментом их сшивания в середине перемещения.
Анализ полученных данных
На рис. 2 представлена зависимость мгновенной скорости предметного стола системы позиционирования (см. рис. 1а) в реализации 1 (ходовой винт с шагом 4 мм на оборот с капролоновой гайкой), нормированной на максимум, от времени для двух диапазонов рассмотрения: на рис. 2а весь технологический процесс от начала до 200-й секунды, на рис. 2b диапазон времени от 10-й до 12-й секунды, т. е. за 2 секунды. На верхнем графике рис. 2а видны два типа колебаний скорости – амплитудная модуляция низкочастотной зависимости с частотой 0,041 Гц с заполнением с частотой 0,413 Гц (частоты легко считаются по представленному на графике времени). На рис. 2b представлен фрагмент предыдущего графика за 2 секунды – с 10-й по 12-ю секунды. При этом зависимость скорости вся изрезана более высокочастотными колебаниями. Можно сделать два вывода:
Зависимость средней скорости от времени v (t) носит периодический характер, с периодом Т = S / vср., где S = 4 мм – шаг резьбы для реализации системы 1, Т ≈ 2,42 с для данной средней скорости vср. = 1,65 мм / с;
Ближайшее рассмотрение показывает наличие вибрации. Вибрации предметного стола означают, что у системы есть свободный ход и что в системе есть источники вибрации. Свободный ход в механических системах необходим для их нормального функционирования – например в технике принципиально наличие тепловых зазоров.
Выявление разного типа колебаний скорости является предпосылкой для рассмотрения её спектра как в сверхнизких частотах (от 0 до 1 Гц), так и в частотах до 200 Гц.
На рис. 3 представлен спектр, нормированный на максимум спектральной плотности. Он получен в результате Фурье-анализа зависимости скорости от времени на всей длине хода технологического процесса. На рис. 3а показан спектр от 0 до 300 Гц, овалом 1 выделена компонента на частоте 0,413 Гц – частота вращения приводного вала системы позиционирования в реализации 1 для средней скорости технологического процесса vcр. = 1,65 мм / сек и резьбы 4 мм на оборот с редуктором 1 : 10 между ШД и ходовым валом, показанная на рис 3b. Овалом 2 выделена группа компонент на средней частоте 82,5 Гц, более подробно показанная на рис. 3с. Видно, что спектр дискретный с величиной дискретизации 0,413 Гц. Овалом 3 отмечена компонента спектра на частоте примерно 206 Гц – 1 / 4 от частоты следования шагов ШД для данной средней скорости 1,65 мм / с.
Выше 300 Гц особых выделенных компонент нет, если, с одной стороны, выполнены условия подавления резонансов ШД и нагрузки и, с другой стороны, использовано деление шага (в нашем случае на 32). Большое время записи и соответственно огромное количество точек приводит к возможности рассматривать в спектральной зависимости сверхнизкие частоты. Так, видимые глазом биения скорости на графике рис. 2а с частотой 0,041 Гц представлены в качестве частотной компоненты в спектральной плотности. Компонента с частотой 0,041 Гц возникает как 1 / 10 от частоты биений ходового вала.
Поскольку все колебания скорости для пользователей являются негативным явлением, с которым необходимо бороться, одной из задач анализа скорости и её спектра было идентифицировать все компоненты спектра и определить причины возникновения данного типа колебаний. Достаточно большие отклонения скорости peak to peak для реализации 1–6% в начале и 7,4% в конце технологического процесса и появившийся износ послужили причиной появления реализации 2 данной системы позиционирования. Пара трения скольжения: ходовой вал – гайка была заменена на шарико-винтовую передачу (ШВП) с шагом 5 мм / оборот. Поскольку очевидно, что причиной колебаний скорости на частоте вращения ходового винта и причиной разницы этих колебаний в начале и в конце перемещения являются угловые и координатные несоосности ходового винта и приводных механизмов, в следующих реализациях постарались эти дефекты минимизировать.
Рассмотрим получившуюся характеристику скорости и её спектр. На данном графике (см. рис. 4) видно, что отклонения скорости peak to peak составляют 4%. В спектре, по сравнению со случаем 1, к размытым уширенным компонентам с частотами 80 Гц и 160 Гц добавляется узкая (около 0,07 Гц по 50%) компонента на частоте 64 Гц с интенсивностью, такой же, как и у предыдущих компонент. В области сверхнизких частот присутствует компонента 0,32 Гц (частота вращения – биение основного приводного вала).
Нами был протестирован вариант (см. рис 5) такой же системы позиционирования на тех же направляющих и каретках-опорах с приводом типа линейный шаговый двигатель. В спектре скорости видны те же компоненты с частотами 80 Гц, 160 Гц, а также гармоники 240 Гц и 320 Гц. Девиация скорости в данном случае менее 1%, поэтому её не приводим. Для всех трёх проанализированных реализаций привода перемещения предметного стола можно выделить общие характерные особенности спектров: для скорости около рабочей 1,6 мм / сек есть компоненты со средними частотами, близкими значениям 80, 160, 240 Гц. Кроме того, в случае с ШВП возникает еще одна компонента с частотой 64 Гц. При изменении заданной скорости средние частоты всех этих компонент изменяются в соответствии с формулами:
fкаретки = n A v, (1)
fШВП = 0,8 A v, (2)
где n = 1, 2, 3... – целое число, A = 50 [мм–1] – некий коэффициент, характерный для данного типа опор HIWIN, v [мм / с] – скорость предметного стола.
Поскольку скорость меняется, соответственно с формулами (1) и (2) мы имеем механическое частотное уширение спектральных компонент, имеется в виду, что с изменением скорости меняется частота связанных с ней компонент согласно формулам (1) и (2), что видно на спектрах реализаций 1 и 2. В реализации 3 (ЛШД) скорость изменяется меньше, чем на 1%, и соответственно уширение в данном случае не заметно. Источником данных типов колебаний являются системы, состоящие из корпусов каретки и гайки ШВП с одной стороны и рециркулирующих элементов качения – шаров с другой стороны (см. рис. 1b). Элементы качения входят / выходят из нагруженной зоны предварительного натяга с неким ударом, который возбуждает колебания корпуса каретки или гайки ШВП.
В некотором смысле это оборотная сторона использования систем с предварительным натягом. В процессе эксплуатации системы позиционирования её необходимо обслуживать – смазывать согласно регламенту. Необходимо отметить, что после смазывания элементов, например всех кареток 3 (см. рис. 1), амплитуда возбуждаемых ими колебаний падает и постепенно увеличивается к следующему обслуживанию, поскольку часть смазки неизбежно покидает зону контакта элементов качения. В качестве выводов об использовании данного типа систем позиционирования заметим следующее: очевидно, что привод типа вал-гайка ШВП лучше работает, чем привод на основе пары ходового вала и гайки на трении скольжения. Во всех системах с источником движения на основе двигателей вращения необходимо минимизировать угловые и координатные несоосности ходового вала и системы привода. При этом можно добиться отклонений скорости в таких системах менее 1%, как и в случае привода типа линейного шагового двигателя. Отклонения скорости мене 1% практически не оказывают влияния на технологический процесс.
Влияние внешних источников
Для проверки возможностей системы Speedometer был проделан некий эксперимент: на предметный стол был установлен вертикальный излучатель. В процессе перемещения он излучал на низкой частоте 66Гц. Геометрия излучателя и системы позиционирования была выбрана таким образом, чтобы основное воздействие излучателя было сонаправлено с направлением перемещения. Система перемещения представляла обычный транслятор (см. рис. 1): две направляющие, на них каретки с рециркулирующими шарами, на них закреплён предметный стол.
При включении внешнего источника вибрации в спектре скорости возникают несколько новых узких спектральных (менее 1%) компонент – на частоте вибрации источника 66 Гц, на второй 132 Гц и третьей гармонике 198 Гц. Привычные для данной системы на данной скорости компоненты спектра остаются, поскольку источники вибрации никак не связаны друг с другом.
Кратковременные
уменьшения скорости
В эксплуатации систем позиционирования возникают ситуации, при которых скорость предметного стола кратковременно падает. Пример кратковременного падения скорости представлен на рис. 6. На верхнем рис. 6а представлена нормированная на максимум скорость за 26 секунд перемещения, окружностью отмечен случай кратковременного уменьшения скорости на 5% на 242 секунде записи. Не вдаваясь в рассмотрение причин данного «заклинивания», можно сказать, что система проскочила данный дефект. В данном случае дефект оказался некритическим для системы позиционирования. На нижнем рис. 6b показана подробно скорость в этом случае. На времена Т1 и Т2 приходятся моменты времени, когда амплитуда виброколебаний скорости равна нулю – именно эти моменты и есть моменты «заклинивания». Такие одноразовые всплески- выбросы сильно искажают – портят спектр скорости в сверхнизких частотах, что можно использовать для диагностики возникновения таких дефектов. Слабые компоненты типа 1 / 10 частоты вращения приводного вала не видны на их фоне.
Выводы
Предложен и реализован новый подход к анализу мгновенной скорости перемещаемых объектов в экспериментах или технологических процессах. Данный подход к спектральному анализу временных изменений скорости позиционируемых элементов позволяет контролировать возникновение и развитие негативного влияния дефектов систем перемещения в процессе эксплуатации. В работе рассмотрен случай применения данного метода анализа скорости для систем линейного перемещения. Однако он может быть более интересен для контроля систем вращения. Вместо сигнала с оптической линейки системой Speedometer можно использовать сигнал углового положения с осевого инкрементального энкодера, например с 1 000 отсчетов на оборот, и анализировать угловую скорость. После процедуры усреднения можно наблюдать динамику угловой скорости или провести Фурье-анализ массива данных угловой скорости для рассмотрения спектральной зависимости скорости, в которой проявляются особенности или дефекты механической системы.
Работа профинансирована Министерством науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания ИПФ РАН, проект № 0035-2019-0015.
References
V. I. Bespalov et al. Effective technology for fabricating KDP, DKDP crystals to be used in high-energy lasers. Proc. SPIE Vol.2633(1995), p.732–739.
Н. Андреев и др. Производство крупногабаритной оптики из водорастворимых кристаллов // Фотоника, 2007, № 5 c. 34–37. DOI:10.22184 / 1993–7296. FRos. 2007.5.34.37.
N. Andreev et al. Large-size optics made from water-soluble crystals // Photonics, 2007, № 5 p. 34–37. DOI:10.22184 / 1993–7296. FRos. 2007.5.34.37.
https://www.optomech.ru/ (дата обращения 25.02.2020)
https://www.hiwin.com.ru/files/pdf/hiwin.com.ru/linear_guidway/linear_guideway_rg.pdf/ (дата обращения 25.02.2020)
https://www.purelogic.ru/ (дата обращения 25.02.2020)
http://www.standa.lt/products/catalog/motorised_positioners?item=664 (дата обращения 25.02.2020)
Заявка на изобретение RU2019143712 от 25.12.2019. Способ измерения линейной скорости и её неоднородности / Большаков О. С., Кирсанов А. В.
Application for invention RU2019143712 from 25.12.2019. Method of measuring linear velocity and its deviations / Bolshakov O. S., Kirsanov A. V.
Биккенин Р. Р., Чесноков М. Н. Теория электрической связи. – М.: Академия, 2010.-329 с.
Bikkenin R. R., Chesnokov M. N. Theory of electrical connection.-M.: Akademia, 2010–329p.
Отзывы читателей
