معرفی سیستم های موقعیت یابی الکترومکانیکی

سیستم های موقعیت یابی الکترومکانیکی با دقت بالا، ستون فقرات تولید خودکار مدرن، ابزار علمی و رباتیک را تشکیل می دهند.این سیستم ها دستورات الکتریکی را به حرکت مکانیکی کنترل شده با دقت میکرومتر یا حتی نانو متر تبدیل می کنند.توسعه چنین سیستم ها پیشرفت های ظریف در زمینه هایی را از نیمه هادی به رباتیک عصبی ترکیب می کند.

بنیادها و تکامل تاریخی

سیستم های موقعیت یابی اولیه بر تنظیمات دستی و توقف های مکانیکی ساده تکیه می کردند.[۱] ظهور موتورهای گامبر در دهه ۱۹۶۰ اجازه داد تا سرعت حرکت جدا شده افزایش یابد، در حالی که معرفی موتورهای سروو با بازخورد بسته حلقه ای دقت استثنایی را تغییر می دهد، توسعه کدرهای نوری، مقیاس خطی و سنسورهای خازن ابزار را برای اندازه گیری موقعیت با وضوح زیر میکرون (امروز کنترل سیگنال های دیجیتال) به عنوان الگوریتم های کنترل سیگنال های کنترل بالا (ID کنترل سیگنال های کنترل پیشرفته).

اجزای اصلی و شخصیت های عملکردی آنها

موتور: Stepper، سروو و Direct Drive

موتورهای مرحله ای موقعیت حلقه باز را با تقسیم چرخش کامل به گام های گسسته، اغلب 200 یا 400 گام در هر انقلاب فراهم می کنند، آنها برای برنامه های مکانیکی با سرعت پایین، متوسط دقیق موتور های سروو، مجهز به بازخورد از کدر یا حل کننده، تحویل کنترل گشتاور مداوم و می تواند دقت در بارهای مختلف حفظ کند. موتورهای مستقیم از بین بردن دنده مکانیکی، عقب و افزایش سفت و سخت، کاهش سرعت مورد نیاز برای گزینه های سرعت بالا را به عنوان گزینه های تنظیمات بالا، به عنوان تغییر می دهد.

سنسور ها و تجهیزات بازخورد

بازخورد موقعیت برای کنترل حلقه بسته حیاتی است.کدهای نوری، هر دو افزایشی و مطلق، به طور گسترده ای برای وضوح بالا و استحکام آنها به تداخل الکترومغناطیسی استفاده می شود. مقیاس خطی بر اساس عناصر پراکنده یا بین اقتصاد می تواند به وضوح سطح نانو متر: تداخل سنج لیزر بالاترین دقت برای اندازه گیری های بلند برد را ارائه می دهد، اما برای اختلالات محیطی حساس هستند و [0] در مقایسه با بازخوردهای فنی کوتاه، برای مقایسه دقیق، گزینه های دقیق.

کنترل کننده ها و پردازش زمان واقعی

کنترلرهای مدرن از میکروکنترلرهای ساده تا آرایه های دروازه قابل برنامه ریزی بالا (FPGAs) و پردازنده های سیگنال دیجیتال (DSPs) هستند، این دستگاه ها حلقه های کنترل را با نرخ بیش از 10 کیلوهرتز اجرا می کنند، فیلترهای نور را برای سرکوب مجدد مکانیکی اعمال می کنند و الگوریتم های نسل مسیر را پیاده سازی می کنند. Advanced همچنین شامل یادگیری ماشین پیش بینی برای تعمیر و یک رابط کاربری سازگار با پردازش اطلاعات پایین و تبادل اطلاعات می شود.

راهنمای مکانیک و عناصر انتقال

معماری مکانیکی باید حرکت صاف را با حداقل اصطکاک و سایش ارائه دهد. راهنماهای خطی با پیچ های توپ تنظیم کننده به سرعت های کم و ظرفیت بارگیری بالا دست یابد. پیچ های توپ و پیچ های سرب تبدیل دوار به حرکت خطی، با پیچ های توپ ارائه بهره وری بالاتر و دقت. برای حرکت فوق العاده، بلبرینگ های هوا یا مغناطیسی حذف تماس فیزیکی به طور کامل مواد انتخاب - مانند لرزش بالا و یا حرکت عناصر کامپوزیت - بازی می کند.

چالش های مهندسی در دستیابی به دقت بالا

بازگشت مکانیک و سازگاری

بازگشت در دنده ها یا پیچ ها مناطق مرده را معرفی می کند که دقت موقعیت یابی را کاهش می دهند.پیشبار و سرنخ ها، با استفاده از درایوهای هارمونیک یا اتصال مستقیم درایو، و اجرای جبران خسارت واکنش نرم افزار، درمان های رایج هستند. انطباق در عناصر ساختاری می تواند باعث انحراف در بار شود، که باید مدل سازی و جبران شود برای کنترل حلقه یا حل شده از طریق مواد سخت تر.

اثرات حرارتی و منبع خطا

گرما تولید شده توسط موتور، اصطکاک و تغییرات محیطی باعث گسترش و انقباض اجزای مکانیکی می شود که منجر به موقعیت یابی محیط های کنترل شده با دما، خنک کننده فعال و جداول نگاه جبران خسارت بر اساس سنسورهای دما برای کاهش خطاهای حرارتی بودجه خطای حرارتی می شود - تجزیه و تحلیل سیستماتیک از تمام منبع بی کفایتی - به مهندسان کمک می کند تا تحمل در سراسر اجزای برای پاسخگویی به مشخصات کلی عملکرد.

ارتعاشات و اختلالات دینامیک

ارتعاشات ماشین - از قطار درایو، ارتعاشات کف یا حالت های بازسون - سرعت قابل دستیابی و دقت را محدود می کند.سیستم های انزوای ارتعاش فعال، مرطوب کننده های توده ای تنظیم شده و فیلترهای کنترل انطباق (مانند فیلترهای پاسخ محدود) می توانند نوسانات ناخواسته را سرکوب کنند.

کالیبراسیون و مترولوژی

کالیبراسیون منظم برای حفظ دقت در طول زمان ضروری است. کالیبراسیون متقابل سنجی لیزر از موقعیت های محور، مستقیم بودن و خطاهای زاویه ای در طول کمیسیون و به طور دوره ای پس از آن انجام می شود. نقشه برداری مبتنی بر شبکه و جبران با استفاده از جداول جستجو اجازه می دهد تا اصلاح خطاهای سیستماتیک.

پیشرفت های تکنولوژیکی اخیر

اصول پیشرفته ارزیابی

محرک های Piezoالکتریک می توانند جابجایی های گام نانو متر را با نیروهای بسیار بالا به دست آورند، و آنها را برای میکروسکوپ های نیروی اتمی و مراحل نانو قرار دادن مناسب می کند. موتورهای Voice-coil حرکت صاف و خطی برای برنامه های با سرعت بالا را فراهم می کنند. همراه با راهنماهای انعطاف پذیر، این محرکها حرکت بدون اصطکاک و بدون واکنش را فعال می کنند.

کنترل سنسور Fusion و Smart Control

یکپارچه سازی انواع مختلف سنسور - به عنوان مثال، شتاب سنج، ژیروسکوپ ها و رمزگذارهای مطلق - از طریق فیلتر کالامن یا فیلترهای مکمل دقت بالاتر و قوی تر از هر سنسور منفرد به تنهایی، الگوریتم های یادگیری ماشین به پارامترهای کنترل خودکار اعمال می شود، تشخیص ناهنجاری از امضاهای لرزش و جبران برای مدل پیش بینی هیپنوتیزم (MP) بهبود مسیر ردیابی آینده.

دوقلوهای دیجیتال و شبیه سازی

مدل های مجازی سیستم های موقعیت یابی - دوقلوهای دیجیتال - اجازه می دهند بهینه سازی آفلاین پارامترهای کنترل، پیش بینی رفتار حرارتی و آزمایش استراتژی های تحمل خطا بدون خطر به سخت افزار، شبیه ساز های بافیدل بالا شامل اثرات غیر خطی مانند اصطکاک، آسیب پذیری نیروی الکترومغناطیسی و انعطاف پذیری ساختاری است. این رویکرد سرعت توسعه چرخه ها و کاهش نیاز به شبیه سازی گسترده فیزیکی.

ادغام با سیستم های اجرایی ساخت

سیستم های موقعیت یابی مدرن به طور فزاینده ای به شبکه های سراسر کارخانه متصل هستند، که نظارت بر زمان واقعی، تشخیص از راه دور و تنظیم خودکار بر اساس داده های تولید را قادر می سازد. همگرایی مفاهیم صنعت 4.0 با کنترل دقیق حرکت، ایجاد کارخانه های هوشمند تر و بهینه سازی خود است.

برنامه های کاربردی در سراسر صنایع با ارزش بالا

سازنده :

گام های برداشت و مراحل اسکن برای Photolithography نیاز به تکرار موقعیت در دستور چند نانومتر بیش از صدها حرکت میلی متر دارد. موتورهای خطی با بازخورد تداخل لیزر و انزوای فعال ارتعاش استاندارد هستند.توسعه اشعه ماوراء بنفش افراطی (V) بیشتر محدودیت های کنترل حرکت دقیق را فشار می دهد، همانطور که در روند اشپیگل (F3) ثبت شده است.

رباتیک و اتوماسیون

ربات های با دقت شش محور برای مونتاژ، انتخاب و محل، و بازرسی بر روی کدرهای مفصل دقیق و طراحی مکانیکی سفت و سخت تکیه می کنند. ربات های مشارکتی (cobots) حس نیرو و کنترل ایمنی را برای اطمینان از تعامل ایمن با انسان اضافه می کنند.

تجهیزات پزشکی و مهندسی زیست پزشکی

سیستم های جراحی هدایت تصویر، مانند سلاح های رباتیک برای پایانوسکوپی یا پرتو درمانی، نیاز به دقت زیر میلی متر برای جلوگیری از بافت سالم است. مراحل نانو قرار دادن در توالی DNA و دستکاری سلول های تک، محققان را قادر می سازد تا با نمونه های بیولوژیکی در مقیاس مولکولی ارتباط برقرار کنند.

فضا و دفاع

تست اجزای هواپیما تحت بارهای شبیه سازی شده آئرودینامیک نیاز به شبیه سازی های حرکت چند محور با سکته های بزرگ و وفاداری بالا دارد. مکانیزم های ردیابی برای آنتن های ماهواره ای و ترمینال های ارتباطات لیزر نیاز به ثبات دقیق نقطه عطف دارند. Gimbaled برای تلسکوپ ها و سلاح های انرژی هدایت شده از آخرین پیشرفت در موتورهای مستقیم و آینه های ظریف بهره مند می شوند.

Metrology و Advanced Manufacturing

ماشین های اندازه گیری هماهنگ (CMMs) و میکروسکوپ های پروب اسکن به موقعیت بالا برای اندازه گیری مناطق جغرافیایی با عدم اطمینان نانومتر متکی هستند.سیستم های تولید افزودنی برای قطعات فلزی و پلیمر از مراحل دقیق برای ساخت لایه ها به طور دقیق استفاده می کنند. تکامل این ابزارها مرزهای آنچه را که می توان تولید و اندازه گیری کرد، گسترش می دهد.

مسیر های آینده و روند نوظهور

دهه آینده شاهد کوچک سازی بیشتر سیستم های با دقت بالا از طریق MEMS و پیزو-محور میکرو مرحله ها، امکان برنامه های قابل حمل و جاسازی شده است. ارتباطات بی سیم و برداشت انرژی می تواند کابل کشی را در سیستم های چند محور مکانیکی حذف کند، زیرا بازخوردهای هاپتیک احتمالا خواستار سطوح جدید دقت و پاسخ هستند.