Системы двухкоординатного позиционирования для лазерных технологий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Системы двухкоординатного позиционирования для лазерных технологий

Введение

В статье рассматриваются аналитический обзор систем двухкоординатного позиционирования, сравнение разных типов передач, способ управления систем с обратной связью и без обратной связи. Задача статьи заключается в раскрытии состояния вопроса в этом динамично развивающемся направлении. Материал изложен доступно. Для детального знакомства с этими способами сделаны подробные ссылки.

На сегодняшний день позиционирование является неотъемлемой частью современного производства. Практически любой объект автоматизации (лазерная головка, фрезерный станок, рука робота, или 3D принтер) является манипулятором в n-мерном пространстве. Весьма часто объекты и инструменты перемещают не по одной, а сразу по нескольким осям. Во многих сферах производства возникает необходимость осуществлять точное и плавное движение. При этом не требуется иметь огромный станок с многотонной и невероятно жёсткой станиной, например, при реализации лазерных и плазменных технологий, т.к. на рабочий орган и деталь не действуют значительные силы.

Существует много решений по способам двухкоординатного позиционирования. Рассмотрим некоторые из них. [1].

1. Виды систем двухкоординатного позиционирования

Для перемещения в плоскости лазерных установок незначительной массы может быть рекомендована компактная система прецизионного двухкоординатного позиционирования. Примером такой системы можно считать систему, состоящую из двух линейных приводов.

Электромеханический линейный привод - устройство, использующие электрическую энергию для организации линейного перемещения. Наиболее распространены электромеханические приводы, преобразующие вращательное движение вала электродвигателя в поступательное движение каретки. Некоторые из типов линейных приводов показаны на рисунке 1,2.

Рисунок 1. Винтовая передача линейного перемещения

Важными компонентами, обеспечивающими возможность плавного движения перемещаемого тела, сохраняя его положения в заданной плоскости, являются рельсовые направляющие (рис. 2). Конструкция направляющих определяет допустимую массу перемещаемого тела, а также максимальный момент вращения, который может быть приложен к каретке привода.

Рисунок 2. Привод с зубчатым ремнем с шариковой направляющей

Часто портальные системы состоят из трех линейных приводов. Два привода закрепляют в одной плоскости на координатном столе (ось X). К кареткам этих приводов прикрепляется поперечный привод - портальная балка (ось Y). Для синхронизации кареток по оси X применяют вал, соединяющий приводные валы линейных приводов. Такая конструкция применима для приводов с зубчатым ремнем. Для таких же установок есть и готовые, но дорогие системы.

Рисунок 3. Система двухкоординатного позиционирования

Для двухкоординатного позиционирования массивных лазерных установок используют координатный стол с массивной рамой или станиной. К станине прикрепляются специальные приводы, которые обеспечивают перемещение рабочего механизма, а также рабочая решетка для расположения обрабатываемой детали. Чтобы данная деталь не «гуляла», ее фиксируют при помощи прижима - вакуумного или механического.

Пример координатного стола показан на рисунке 5: установка обеспечивающая перемещение массивной головки лазера по трём декартовым координатам.

Рисунок 4. Лазерный станок с портальной трехкоординатной системой позиционирования.

Использование средств компьютерного управления и подготовки управляющих программ позволяет практически полностью автоматизировать процесс производства. [1,2,3].

2. Типы передач для систем двухкоординатного позиционирования

Выбор конкретного привода очень важен для правильной работы всей двухкоординатной системы, для возможности решить поставленные задачи, ведь именно от этого зависит скорость, максимальная нагрузка и точность, а также плавность работы системы.

Рассмотрим подробнее преимущества и недостатки каждого типа.

Рейка-шестерня - один из видов механических передач, преобразующий поступательное движение во вращательное. Она состоит из ведущей шестерёнки и зубчатой рейки, по которым она перемещается.

Основные достоинства передачи рейка-шестерня:

1. Высокая скорость перемещения рабочего органа;

2. Высокий КПД (до 0,97…0,98);

3. Постоянство передаточного числа (отсутствие проскальзывания);

4. Простота конструкции;

5. Возможность стыковки для получения больших длин, при этом максимальная длина практически не ограничена;

6. Точность перемещений при использовании шлифованных шестерен и зубчатых реек.

К недостаткам передачи рейка-шестерня можно отнести:

1. Шум при высоких скоростях;

2. Невозможность бесступенчатого изменения передаточного числа;

3. Необходимость высокой точности изготовления и монтажа;

4. Незащищенность от перегрузок;

5. Наличие вибраций, которые возникают в результате неточного изготовления и неточной сборки передач.

Рисунок 5. Передача рейка - шестерня с редуктором

ШВП обладает всеми основными техническими преимуществами передачи винт-гайка скольжения, и при этом не имеет ее главных недостатков, таких как низкий КПД, повышенные потери на трение, быстрый износ.

Основные достоинства шарико-винтовой передачи:

1. Малые потери на трение;

2. Высокая нагрузочная способность при малых габаритах;

3. Размерное поступательное перемещение с высокой точностью;

4. Высокое быстродействие;

5. Плавный и бесшумный ход.

К недостаткам шарико-винтовой передачи можно отнести:

1. Сложность конструкции гайки;

2. Ограничение по длине винта (из-за накапливаемой погрешности);

3. Ограничение по скорости вращения винта (из-за вибрации);

4. Высокая стоимость (исполнения со шлифованным винтом).

Рисунок 6. Примеры шарико-винтовых передач

В ременном приводе передача механической энергии осуществляется при помощи гибкого элемента -- приводного ремня за счёт сил трения или сил зацепления (зубчатые ремни). Может иметь как постоянное, так и переменное передаточное число (вариатор).

Основные достоинства ременной передачи:

1. Плавность работы;

2. Бесшумность;

3. Компенсация перегрузок (за счет проскальзывания);

4. Компенсация неточности установки шкивов редуктора;

5. Сглаживание пульсаций, как от двигателя, так и от нагрузки, поэтому упругая муфта в приводе может быть необязательна;

7. Низкая стоимость;

8. Лёгкий монтаж;

9. Возможность работы на высоких окружных скоростях;

10. При выходе из строя не повреждаются прочие элементы конструкции. К недостаткам ременной передачи можно отнести:

1. Большие размеры;

2. Малая несущая способность;

3. Скольжение (не относится к зубчатым ремням);

4. Малый срок службы. [4].

3. Двухкоординатная система без обратной связи

лазерный позиционирование станок

Используя лазерные технологии, мы часто сталкиваемся с задачей цикличной и последовательной очистки поверхности по зонам. В этом случае нет необходимости использовать дорогие контроллеры позиционирования. Систему двухкоординатного позиционирования можно разбить с помощью индуктивных датчиков на рабочие области, которые лазер будет обрабатывать последовательно. Так как исполнительному механизму не требуются большие ускорения, то при движении целесообразно использовать шаговые двигатели. ПЛК будет собирать информацию с датчиков и выдавать управляющие сигналы на используемые двигатели.

Управляя процессом с помощью ПЛК и получая сигналы управления от индуктивных датчиков, мы получаем довольно хорошее и не дорогое решение. На рис. 7 показана структурная схема такого решения.

Рисунок 7. Структурная схема двухкоординатного позиционирования с помощью дискретных датчиков

ПЛК позволяет в первую очередь организовать простой и интуитивно понятный интерфейс с оператором. Для отображения и задания режимов движения может использоваться встроенный WebИнтерфейс. Оператор на сайте задаёт необходимое число координат пути обхода манипулятора. Электроприводы отрабатывают движение по очереди, по одной и другой координате.

Разомкнутые приводы на основе шаговых двигателей - простое и дешевое решение. Но для шаговых двигателей характерно такое негативное явление, как пропуск шагов, которое может привести к возникновению брака. [5,6,].

4. Двухкоординатные системы с обратной связью. Системы, использующие высокоточные лазерные технологии не редко требуют плавного и быстрого перемещения рабочего органа и абсолютной точности позиционирования.

Замкнутые приводы, охваченные отрицательной обратной связью по положению выходного звена исполнительного электродвигателя, называются следящими приводами (Сервоприводами). Они способны с высокой точностью воспроизводить движение подвижных элементов в двух или координатах на основании информации, содержащейся во входном воздействии, поступающем на привод из устройства компьютерного управления.

Примером замкнутой системы можно считать H-портал фирмы «Festo». Это готовый к установке манипулятор, способный перемещать каретку в двух координатах. Позиционирование происходит по двум координатам сразу.

Рисунок 8 - EXCM-30 - нагрузочная способность 4 кг, шариковые направляющие

лазерный позиционирование станок

Н-портал построен по принципу параллельной кинематики, т.е. к выходному звену подходит не одна, а несколько кинематических связей. В случае с Н-порталом данный принцип реализуется следующим образом: неподвижные двигатели передают крутящий момент на приводные шкивы, которые работают на один зубчатый ремень; зубчатый ремень проходит по периметру портала, огибая букву «Н» (отсюда и название H-портал); с одной стороны ремень зафиксирован на каретке, а с другой проходит свободно. Таким образом, управляя взаимосвязано вращением двигателей можно получать свободное позиционирование в рамках рабочего поля (можно задавать позиции, направление перемещения, скорости, ускорения, а при наличии более интеллектуального контроллера и траектории движения). Уменьшение подвижной массы (на портальной балке нет двигателей и сопутствующих элементов), использование сразу двух двигателей для перемещения позволяет повысить динамику.

Рисунок 9. Принцип действия Н-портала. M1- двигатель 1, M2- двигатель 2.

Рисунок 10. Алгоритм перемещения каретки шаговыми двигателями.

Управление порталом осуществляется с помощью специализированного контроллера. ПЛК управляет сразу двумя шаговыми двигателями. Благодаря встроенным в двигатели энкодерам, датчикам тока и специальному алгоритму, удается управлять шаговыми двигателями так же, как серводвигателями. Данный контроллер имеет следующие функции: преобразование координат и линейной интерполяции, управление положением и скоростью. Можно осуществлять прямое управление позиционированием, а можно из таблицы позиций, которая находится прямо в памяти контроллера. Встроенные сетевые интерфейсы (Ethernet и CANopen) позволяют осуществлять удаленное управление и диагностику манипулятором. А наличие простого интерфейса управления позиционированием через логические входы/выходы позволяет интегрировать EXCM даже в самые простые системы с управлением от любого ПЛК.

К главным достоинствам можно отнести:

- высокую точность и скорость позиционирования;

- плавность движения каретки;

- возможность осуществлять удаленное управление и диагностику, управлять манипулятором по заданному алгоритму из таблицы, которая находится в памяти контроллера.

К недостаткам такой системы позиционирования относятся:

- высокая стоимость;

- недопустимость превышения определенных значений усилий, приложенных на исполнительный механизм;

- закрепление исполнительного механизма только определённой массы;

- выпуск портала только в нескольких размерах. [7].

Выводы

Конструкция системы перемещения зависит от требуемой точности, массы перемещаемого объекта и необходимой скорости выхода в заданную точку. Все эти параметры определяют также тип электродвигателя. Точность позиционирования выше у приводов, применяющих принцип винт-гайка: такая передача позволяет получать большие усилия, однако динамика ограничена по сравнению с другими способами. Приводы с зубчатым ремнем имеют хорошие показатели по динамике и точность позиционирования порядка 0.1 мм.

Привод рейкашестерня характеризуется высоким КПД и постоянством передаточного числа (отсутствие проскальзывания). Для обеспечения устойчивости к нагрузкам и вращающим моментам применяются направляющие. Системы, для которых характерны такие требования, как высокие динамические характеристики, простота управления и переналадки оборудования, высокая, а иногда и абсолютная точность, используют замкнутую систему. Системы, работающие по определенным рабочим зонам, не требующие точности до десятых миллиметров, используют разомкнутую систему.

Литература

1.По материалам сайта uralelectro [Электронный ресурс] -- Режим доступа: http://www.uralelectro.ru/

2.Астапчик С.А., Голубев В.С., Маклаков А.Г. Лазерные технологии в машиностроении и металлообработке, Белорусская наука . 251 с.

3.Забелин А.М., Оришич А.М., Чирков А.М. Лазерные технологии машиностроения, Новосибирск. НГУ. 2004г. 142 с.

4.Иванов М.Н., Финогенов В.А. Детали машин и основы конструирования. разное. Учеб. для студентов втузов/Под ред. В. А. Финогенова. - 6-е изд., перераб. - М.: Высш. шк. , 2000 Г. - 383 с.

5.По материалам сайта smc-pneumatik [Электронный ресурс] -- Режим доступа: http://www.smc-pneumatik.ru/.

6.По материалам сайта Omron [Электронный ресурс] -- Режим доступа: https://industrial.omron.ru/.

7.По материалам сайта Festo[Электронный ресурс] -- Режим доступа:https://www.festo.com/.

Размещено на Allbest.ru