Zmotoryzowane systemy pozycjonowania

Przy stoliku ręcznym patrzysz na mechanikę. Przy zmotoryzowanym dochodzą trzy rzeczy, które potrafią przesądzić o powodzeniu bardziej niż sama prowadnica: czy stolik wie, gdzie jest, czym go sterujesz i ile ciepła wydziela silnik.

Zacznijmy od pierwszej, bo jest najczęściej pomijana przy zakupie.

Otwarta czy zamknięta pętla — pytanie numer jeden

Większość stolików zmotoryzowanych pracuje na silnikach krokowych w otwartej pętli. Sterownik liczy kroki i zakłada, że stolik je wykonał. Zwykle wykonał. Ale kroki potrafią zostać zgubione: przy zbyt dużym obciążeniu, zbyt gwałtownym przyspieszeniu, po przekroczeniu prędkości granicznej, przy wejściu w rezonans silnika albo przy źle dobranym prądzie sterownika. Wtedy sterownik nadal podaje pozycję zadaną. Nie ma komunikatu o błędzie. Pozycja odczytana z kontrolera jest po prostu nieprawdziwa, aż do najbliższego bazowania.

W zamkniętej pętli enkoder mierzy położenie i sterownik koryguje różnicę. Kosztuje więcej, ale daje coś, czego otwarta pętla nie da: potwierdzenie, że ruch się odbył, zamiast założenia. Od razu jednak zastrzeżenie, bo słowo „zamknięta" bywa mylące — co dokładnie mierzy enkoder, zależy od tego, gdzie siedzi, i to jest temat następnej sekcji. Pętla zamknięta na enkoderze silnikowym potwierdza obrót wału, a nie położenie stolika.

Zamknięta pętla nie musi być przy tym wolniejsza — bywa wręcz odwrotnie, bo pozwala jechać szybciej bez obawy o gubienie kroków. Wolniej robi się dopiero przy ciasnym oknie pozycjonowania, gdy układ długo „doszukuje się" zadanej pozycji.

Reguła praktyczna: jeśli błędne położenie oznacza tylko powtórzenie pomiaru — otwarta pętla wystarczy. Jeśli oznacza zniszczoną próbkę, kolizję albo serię danych do wyrzucenia — bierz zamkniętą.

Gdzie siedzi enkoder — pytanie, które zmienia wszystko

To jest rozróżnienie, o które trzeba zapytać wprost, bo „stolik z enkoderem" znaczy dwie zupełnie różne rzeczy.

Enkoder obrotowy na silniku liczy obroty wału. Wykrywa zgubione kroki i to jego główna zaleta. Ale nie widzi niczego, co dzieje się za wałem: błędu skoku śruby, luzu zwrotnego, sprężystości sprzęgła, rozszerzalności cieplnej całego zespołu. Mierzy silnik, nie stolik.

Enkoder liniowy na prowadnicy mierzy położenie płyty ruchomej, więc obejmuje wszystkie wymienione błędy naraz. Jest droższy i bywa wrażliwszy na zabrudzenia.

Nie znaczy to, że mierzy prawdę absolutną: skala ma własną rozszerzalność cieplną, a między nią a Twoim elementem nadal są błąd Abbego, odchyłki kątowe prowadnicy i ugięcia konstrukcji. Enkoder liniowy mówi, gdzie jest płyta stolika, nie gdzie jest próbka postawiona 100 mm nad nią.

Przy wymaganiach mikrometrowych ta różnica bywa większa niż różnica między klasami stolików.

Rozdzielczość mikrokroku to nie jest dokładność

Karty stolików krokowych podają liczby, które łatwo źle zrozumieć. Policzmy, skąd się biorą:

Ostatnia kolumna wygląda imponująco i nie jest obietnicą dokładności. Mikrokrok powstaje przez podział prądu między uzwojenia, a nie przez zagwarantowanie ruchu. Rzecz w tym, że przyrost momentu przypadający na jeden mikrokrok jest bardzo mały — moment silnika zmienia się z położeniem w przybliżeniu sinusoidalnie w obrębie pełnego kroku, więc przy drobnym podziale kolejny mikrokrok dokłada znikomo mało siły. Tarcie statyczne potrafi ją całkowicie pochłonąć: silnik zmienia prądy, stolik stoi, a po kilku mikrokrokach przeskakuje.

Mikrokrok służy przede wszystkim do płynności ruchu i cichej pracy, a dopiero w drugiej kolejności do rozdzielczości. Jeśli potrzebujesz rzeczywistego, powtarzalnego kroku poniżej mikrometra, rozstrzyga o tym konstrukcja mechaniczna i enkoder, a nie mnożnik w kontrolerze.

Śruba: toczna czy ślizgowa

W kartach spotkasz określenia w rodzaju „śruba kulowa" i „śruba szlifowana precyzyjnie". Warto zauważyć, że opisują one dwie różne rzeczy: pierwsze — zasadę współpracy śruby z nakrętką, drugie — sposób wykonania gwintu. Śruba kulowa też bywa szlifowana, a śruba ślizgowa też bywa precyzyjna. Przy porównywaniu modeli patrz na obie cechy osobno.

Przeniesienie toczne (kulowe) ma małe tarcie i wysoką sprawność. Ruch jest gładki, mniejszy jest efekt przyklejania się, mniej ciepła.

Przeniesienie ślizgowe ma większe tarcie, przez co ruch bywa mniej gładki przy bardzo drobnych krokach, ale jest tańsze i mniej podatne na samoczynne cofanie.

Samohamowność nie wynika jednak wprost z typu śruby — zależy od kąta wzniosu gwintu, współczynnika tarcia i obciążenia. Napędy o dużej sprawności są zwykle odwracalne, ale są też śruby kulowe o bardzo małym skoku, które w praktyce się nie cofają, i śruby ślizgowe o dużym skoku, które się cofają.

Praktyczny wniosek dla osi pionowej (Z) pozostaje ten sam: stolik z napędem odwracalnym, pozbawiony zasilania albo prądu podtrzymania, może opaść pod ciężarem obciążenia. Przy delikatnej optyce albo próbce to oznacza kolizję. Jeśli budujesz oś pionową, nie zgaduj z typu śruby — zapytaj wprost, czy dany model jest samohamowny i czy ma hamulec, i sprawdź, co się dzieje po zaniku zasilania, a nie tylko w trakcie pracy.

Osobno: obciążalność w pionie jest zwykle niższa niż w poziomie, a katalogowa liczba często dotyczy montażu poziomego. Karty podają czasem obciążenie w niutonach, czasem w kilogramach — porównując modele, sprawdź jednostkę i orientację.

Luz zwrotny i powtarzalność dwukierunkowa

Zmotoryzowanie nie usuwa luzu — przenosi tylko decyzję o radzeniu sobie z nim z ręki operatora do programu. Napęd śrubowy ma luz zwrotny, a nawet gdy jest on skasowany napięciem wstępnym, zostają histereza sprężysta i tarcie statyczne.

Dlatego w kartach spotyka się dwie różne powtarzalności: jednokierunkową (dojazd zawsze z tej samej strony) i dwukierunkową (dojazd z obu stron). Ta pierwsza bywa wielokrotnie lepsza. Sprawdź, którą podaje producent, zanim porównasz dwa modele.

Wniosek dla programu sterującego jest prosty i warto go wpisać raz, a potem o nim nie myśleć: dojeżdżaj do każdej pozycji zawsze z tego samego kierunku. Jeśli trasa wymaga ruchu w drugą stronę, przejedź celowo dalej i wróć.

Osobno warto rozróżnić trzy wielkości, które karty podają obok siebie: rozdzielczość (najmniejszy zadawalny przyrost), powtarzalność (zdolność powrotu w to samo miejsce) i dokładność (zgodność położenia rzeczywistego z zadanym na całym zakresie). W większości zastosowań laboratoryjnych rozstrzyga powtarzalność, a nie dokładność bezwzględna — ale kupując, sprawdź, której liczby naprawdę potrzebujesz.

Bazowanie i to, co dzieje się po włączeniu

Stolik krokowy w otwartej pętli nie wie, gdzie jest po włączeniu zasilania. Musi najpierw pojechać do czujnika bazowego. Wynika z tego kilka rzeczy:

• Powtarzalność bazowania ogranicza powtarzalność między sesjami — ale nie jest jej jedyną składową. Dochodzą jeszcze luz, kierunek najazdu na punkt docelowy, obciążenie i temperatura. Powtarzalność po ponownym bazowaniu jest więc zawsze gorsza niż sama powtarzalność czujnika.
• Zaplanuj bezpieczny tor bazowania. Stolik pojedzie do krańca — upewnij się, że po drodze nic nie stoi. To najczęstsza przyczyna kolizji w nowo zbudowanym stanowisku.
• Enkoder absolutny znosi ten problem, bo zna położenie od razu po włączeniu. Sprawdź jednak, czy jest absolutny na całym zakresie osi — bywają rozwiązania wymagające krótkiego ruchu na starcie albo znające położenie tylko w obrębie jednego obrotu wału, co przy śrubie wielozwojowej nie wystarcza.

Ciepło z silnika: powolny dryf, którego nikt nie szuka

Silnik krokowy pobiera prąd także wtedy, gdy stoi — prąd podtrzymania. Grzeje więc stolik cały czas, nie tylko w ruchu. Ciepło rozchodzi się do konstrukcji i do optyki, a skutkiem jest powolny dryf położenia przez pierwsze kilkadziesiąt minut po włączeniu.

W zastosowaniach zgrubnych to nieistotne. Przy pomiarach mikrometrowych bywa największym pojedynczym źródłem błędu i łatwo go pomylić z dryfem samego układu optycznego.

Co pomaga:

• Rozgrzanie stanowiska przed pomiarem, zamiast mierzenia od pierwszej minuty.
• Zmniejszenie albo wyłączenie prądu podtrzymania w postojach, jeśli kontroler na to pozwala i jeśli oś się nie cofa. Przy osi pionowej rozważ to bardzo ostrożnie.
• Odsunięcie silnika od optyki albo wybór napędu wydzielającego mniej ciepła.

Kontroler musi pasować do silnika

To brzmi banalnie i jest najczęstszym błędem zakupowym w tej kategorii, bo kontrolery są dedykowane rodzinom napędów: inne do silników krokowych dwufazowych, inne do pięciofazowych, inne do serwonapędów prądu stałego, jeszcze inne do siłowników piezomotorowych. Nie są zamienne.

Zamawiając, podaj nam komplet: stolik, kontroler i przewód. Warto od razu ustalić:

• liczbę osi — jeden kontroler wieloosiowy bywa tańszy i wygodniejszy niż kilka jednoosiowych, ale wiąże Cię z jedną rodziną,
• interfejs — USB, RS-232, Ethernet; oraz to, czy istnieje biblioteka do Twojego środowiska programistycznego,
• sposób sterowania — z komputera, z panelu, czy wyzwalane sygnałem zewnętrznym; wyzwalanie sprzętowe bywa warunkiem synchronizacji z detektorem,
• przewody — długość i to, czy da się je przedłużyć bez utraty parametrów.

Kable to część mechaniki

Przewód idący do ruchomej części stolika działa na nią siłą, która zmienia się z położeniem. Przy zgrubnym pozycjonowaniu nie ma to znaczenia; przy mikrometrowym potrafi być mierzalne.

Prowadź przewody luźną pętlą, mocuj je do części nieruchomej blisko stolika i nie napinaj w skrajnych położeniach. Sprawdź też, czy pętla nie zahacza o nic w pełnym zakresie ruchu — przejedź cały zakres ręcznie, zanim uruchomisz program.

Osie obrotowe i goniometryczne

Przy osiach obrotowych patrz na bicie promieniowe i osiowe oraz na przełożenie przekładni ślimakowej, które przekłada się na rozdzielczość kątową. Uwaga na luz zwrotny przekładni — bywa większy niż w osiach liniowych.

Przy goniometrach obowiązuje to samo co w wersjach ręcznych: wysokość środka obrotu musi odpowiadać wysokości elementu, inaczej obrót przesuwa go w bok i cały sens goniometru znika.

Najczęstsze błędy

• Traktowanie rozdzielczości mikrokroku jako dokładności.
• Otwarta pętla tam, gdzie zgubiony krok kosztuje serię pomiarów albo kolizję.
• Założenie, że enkoder na silniku mierzy położenie stolika — mierzy wał.
• Oś pionowa ze śrubą kulową bez hamulca — opada po zaniku zasilania.
• Porównywanie obciążalności bez sprawdzenia orientacji i jednostki.
• Kontroler z innej rodziny niż silnik — nie zadziała.
• Bazowanie bez sprawdzenia toru — kolizja przy pierwszym uruchomieniu.
• Pomiar od pierwszej minuty po włączeniu — silnik jeszcze się nagrzewa.
• Napięty przewód ciągnący ruchomą część stolika.
• Porównywanie powtarzalności jedno- i dwukierunkowej jako tej samej liczby.
• Zamówienie samego stolika bez kontrolera i przewodu.

Jeśli dobierasz stolik zmotoryzowany, napisz nam: jaki zakres i jaka masa obciążenia, w jakiej orientacji, jaki rzeczywisty krok i powtarzalność są potrzebne, czy pozycja musi być znana po włączeniu zasilania oraz jak zamierzasz sterować — ręcznie czy z programu. Skompletujemy stolik, kontroler i okablowanie jako całość, żeby nie okazało się przy dostawie, że brakuje ogniwa.