Точность
Точность в системах позиционирования
Уровень техники в системах точного позиционирования постоянно совершенствуется, в результате чего современные системы позиционирования теперь могут достигать беспрецедентных уровней точности. Такой рост был получен благодаря конкретным техническим достижениям (прежде всего, доступности когерентных источников света), а также неумолимому давлению со стороны высокотехнологичных устройств, существование которых зависит от точности размеров. Несмотря на успехи, существуют пробелы между требуемыми уровнями точности и теми уровнями, которых действительно (и/или приемлемо) можно достичь. В этой статье будет предпринята попытка рассмотреть реалистичные уровни точности, которым могут соответствовать различные технологии позиционирования, а также характер погрешностей, которые ограничивают точность.
Что такое "точность"?
Точность размеров – это просто степень, в которой смещения, выполняемые системой позиционирования, соответствуют согласованным стандартам длины. В конечном итоге все измерения длины привязаны к метру, как это определено Консультативным Комитетом по определению Метра. Его текущее значение - это расстояние, которое свет в вакууме проходит за 1/299,792,458 секунды. При описании точности мы используем различные единицы измерения, которые значительно меньше метра. К ним относятся знакомый миллиметр (10-3 метра), микрон (10-6 метров), нанометр (10-9 метров), Ангстрем (10-10 метров) и пикометр (10-12 метров). Для сравнения, человеческий волос имеет диаметр около 100 микрон, ширина линии полупроводника – около 1 микрона, а размер атом – около 1 Ангстрема. Покупатели системы позиционирования предпочитают, чтобы точность сводилась в одно легко усваиваемое число (и чем меньше, тем лучше). Поставщики системы позиционирования, в свою очередь, уступают; к несчастным результатам относится недавнее объявление на всю страницу, в котором утверждается о получении «точности 10 микрон» в системе на основе шагового двигателя с открытым контуром. На появившиеся вопросы инженер по применению ответил, что они используют ходовой винт 1 мм и микрошаговый регулятор с делением на 50; следовательно, «точность десять микрон». Примеры, подобные этим, отражают либо недостаточную осведомленность о значении и ограничениях систем высокой точности, или чрезмерно агрессивный маркетинг «небольших количеств» для конкурентного преимущества. Мы регулярно обнаруживаем, что данные наших таблиц значительно улучшаются (если верить литературе) после их включения в продукты других фирм. Обычно они дают значение точности равное точности приобретенного ведущего винта, игнорируя при этом тепловые факторы и ошибку Abbé; упоминают точность многоосных систем без определения «на ось»; предоставляют значение точности, которое отражают только значение точности холостого хода и т.д. Суть в том, что точность является глобальным параметром, на который влияет комбинация различных параметров позиционирования; система контроля и обратная связь; подробные сведения об устройстве, а также операционная среда. Наиболее точную характеристику точности системы можно достичь лишь полным анализом, а не привлекательным «числом». Многие из сегодняшних систем высокой точности позиционирования привязаны к требованиям полупроводниковой промышленности и системам контроля для сверхточных обрабатываемых деталей. Однако более ста лет назад ученые и технические специалисты создавали столы X-Y с удивительными показателями точности, учитывая имеющиеся в их распоряжении инструменты. В то время проблемой было управление дифракционными решетками большой точности для спектроскопии, и координатные столы с управляемыми двигателями. Проектирование и изготовление этих управляемых двигателей вызывало большие трудности, и история их разработки изобилует десятилетними попытками, которые терпели неудачи. Генри Роуланд произвел несколько двигателей, способных управлять приемлемыми четырехдюймовыми решетками в 1880-х годах; Профессор Майкельсон (прославленный благодаря изобретению интерферометра) безуспешно трудился с 1900 по 1930 год, чтобы увеличить полезное перемещение до двенадцати дюймов. Коллеги, которые искали правильную конструкцию двигателя Х.Дж. Грейсона после его смерти, были потрясены, узнав, что его вдова быстро сожгла документацию, возможно, в ответ на манию, которая поглотила конструктора в поисках правильной модели двигателя. Альберт Ингаллс написал статью, в которой описана разработка этих инструментов. Многие из физических факторов, которые мучили разработчиков правящих двигателей, продолжают беспокоить разработчиков позиционирующего оборудования. Среди них температурные эффекты, трение, износ, внутренняя деформация напряжения, изгиб и вибрация. Более того, немногие клиенты довольны указанием сроков доставки в десятилетиях (если не больше)! К счастью, высокоточные системы обратной связи, доступные сегодня, избавляют от необходимости большей части навязчивой механической конструкции, необходимой для управляющих двигателей с разомкнутым контуром. В качестве примера усилий, которые были предприняты для получения приемлемых решеток, рассмотрим, управляемый двигатель Джона Андерсона, работавшего в Университете Джона Хопкинса. Потребовалось 2,5 часа для достижения термостабильности и еще 15 часов для того, чтобы смазочные пленки стали однородными, прежде чем нашлось решение. Многое из принципов конструкции и технических процессов (например, методы для сверхточной притирки ведущих винтов) были найдены в этих управляемых двигателях. С тех пор были включены в современное высокоточное оборудование позиционирования.
Путь точности
Точность системы позиционирования удобнее всего разделить на две категории: 1) точность самого пути и 2) точность линейного позиционирования по пути. Первый случай описывает степень, в которой путь (шарик и шток, скрещенный ролик, воздушный подшипник и т.д.) обеспечивают идеальное перемещение по одной оси, в то время как последний касается точности шагового движения вдоль оси (обычно связанной с ходовым винтом, линейным энкодером или другим устройством обратной связи). Любой движущийся объект имеет шесть доступных степеней свободs (рис. 2). Они состоят из линейного перемещения вдоль любой из трех перпендикулярных осей X, Y и Z, а также вращения вокруг любой из этих осей (Ox, Oy, Oz).
Функция линейного позиционирования состоит в том, чтобы точно ограничить перемещение объекта к одной поступательной оси (обычно описываемой как ось X). Любые отклонения от идеального движения по прямой вдоль оси X являются результатом неточности способа сборки. Есть пять возможных типов неточности пути соответствующих пяти оставшимся степеням свободы (рис. 3): сдвиг по оси Y; сдвиг по оси Z; вращение вокруг оси X (крен); вращение вокруг оси Y (шаг); и вращение вокруг оси Z (рыскание). Поскольку между этими ошибками существуют взаимосвязи (например, угловое вращение вызывает переходную ошибку в любой точке, отличной от центра вращения), стоит внимательно изучить влияние каждого типа ошибки и метод ее измерения.
Поскольку используемые методы получения линейного движения «чистые» (в связи с использованием множества шариков и роликов, или применения воздушного подшипника), отклонения от движения по прямой обычно незначительны. Таблицы позиционирования, тем не менее, показывают некоторые вертикальные и горизонтальные биения (обычно обозначаемые как ошибки плоскостности и прямолинейности соответственно), что можно измерить, поместив достаточно чувствительный индикатор на стол и измерив вертикальное или горизонтальное смещение по ходу. В примере на рисунке 4 пути совершенно прямые и допускают перемещение только по одной оси. Однако, поскольку желаемая ось движения X обычно определяется как параллельная основанию стола, а пути наклонены относительно этой базы, индикатор будет подниматься и опускаться при движении стола назад и вперед. Хотя пути могут быть идеальными, их ориентация внутри сцены может привести к сдвигу вдоль оси Z (также называемому вертикальным биением или ошибкой плоскостности). Нет оснований для соответствующего эффекта по оси Y, поскольку обычно предполагается, что внешние стороны стола содержат опорную поверхность.
Угловые ошибки крена, шага и рыскания (Ox, Oy и Oz соответственно) всегда присутствуют на каком-то уровне в таблицах позиционирования и ухудшают производительность несколькими способами. Их прямой эффект заключается в изменении угловой ориентации полезной нагрузки пользователя. При специальных условиях эти ошибки могут поддерживаться на низких уровнях (2-40 угловых секунд), в таком случае они не имеют большого значения во многих устройствах. Однако на определенные задачи оптического позиционирования они могут влиять непосредственно.
Несколько большее беспокойство вызывают ошибки позиционирования, возникающие из-за основных угловых ошибок. Простая ошибка шага, показанная на рис. 5, соответствующая радиусу кривизны в 50 000 дюймов, приведет к сдвигу оси Z, равному 0,001 на 20-дюймовом этапе движения на любом конце перемещения, относительно его центрированного положения. Такие простые ошибки шага обычно встречаются в конструкциях нециркулирующих столов из-за навесного характера нагрузки на обеих сторонах хода. Также могут встречаться более сложные изгибы, включающие крен, наклон и рыскание, а также несколько центров кривизны. Наихудшее влияние угловых ошибок – результирующая ошибка Abbé (смещение), которая влияет на точность линейного позиционирования. В отличие от простой поступательной ошибки, описанной в вышеприведенном примере, ошибка Abbé увеличивается с увеличением расстояния между элементом, определяющим точность, и точкой измерения. Этот эффект подробно описан ниже.
Разрешающая способность и повторяемость
Вместе с точностью эти три члена являются основными параметрами систем позиционирования. К сожалению, они часто используются как синонимы, что приводит к путанице со стороны пользователей и поставщиков.
Рисунок 6: STM изображение атомов йода.
Разрешающая способность часто определяется как наименьшее позиционное приращение, которое может быть задано системой; более точно – отражение наименьшего позиционного приращения, которое может быть реализовано. Сервосистемы с открытым контуром или с ротационным кодированием способны (в зависимости от шага ходового винта) обеспечивать полезную разрешающую способность до 0,1 микрона. Использование линейного датчика обратной связи вместе с серво-контуром, включающим интегратор («I» в P-l-D), позволяет получить полезное разрешение ниже 0,01 микрона (10 нанометров). Возможно, конечный уровень разрешения был достигнут в сканирующем туннельном микроскопе, за который в 1986 году была присуждена Нобелевская премия по физике. В этом устройстве использовались пьезоэлектрическая технология и сложные меры виброизоляции для достижения лучшего разрешения, чем 0,1 Ангстрем (<0,00001 микрона или 0,0000000004!), Что позволяет просматривать детальные изображения поверхностных атомных структур. Наши X-Y столы представляются в качестве грубых систем позиционирования на фоне такой системы. На рис. 6 показано расположение атомов йода, образующих одноатомный слой на палладиевой подложке. Можете ли вы найти недостающий атом йода?
Рисунок 8: Принцип работы энкодера.
Повторяемость системы позиционирования – это степень, в которой последовательные попытки перейти в конкретное местоположение различаются по позиции. Система с высокой степенью повторяемости (которая может быть, а может и не быть точной) демонстрирует очень низкий разброс при повторных перемещениях в заданную позицию, независимо от направления, с которого была достигнута точка. Рисунок 7 иллюстрируют разницу между повторяемостью и точностью. Можно провести различие между дисперсией перемещений в точку, сделанную в одном и том же направлении (однонаправленная повторяемость), и перемещениями в точку из противоположных направлений (двунаправленная повторяемость). В общем, позиционная дисперсия для двунаправленных движений выше, чем для однонаправленных движений. Наши тесты на повторяемость выполняются в следующей последовательности: каретка движется в точку с одного направления (скажем, от 10.000 мм до 0.000 мм). Измерительный прибор (обычно лазерный интерферометр) затем «обнуляется». Затем каретка продолжает движение в том же направлении до +10.000 мм, возвращается к 0.000 и продолжает движение до -10.000 мм. Последовательность перемещения затем повторяется в течение 3 циклов с позиционными данными, полученными при каждом подходе к «нулю». Последовательные измерения поочередно отображают однонаправленные и двунаправленные значения, а отклонения наихудшего случая записываются как соответствующие повторяемости. Существует естественная тенденция хотеть собирать данные из большого числа циклов и статистически обрабатывать их, чтобы подготовить значение повторяемости 3 сигма. Хотя это можно сделать для характеристики полных систем позиционирования с замкнутым контуром, повторяющиеся последовательности перемещения имеют тенденцию генерировать некоторый частичный индуцированный нагрев ходового винта с последующим тепловым расширением и изменением положения. Соответственно, цифры повторяемости для таблиц позиционирования с разомкнутым контуром или с поворотным кодом являются кратковременными измерениями, которые отражают внутренние свойства ходового винта и гайки. Кратковременный характер теста на повторяемость также устраняет любое влияние, вызванное изменением температуры окружающей среды или показателя преломления воздуха. Высокое разрешение и повторяемость гораздо проще достичь, чем точность. Синонимичное использование этих терминов недопустимо для определения характеристик системы позиционирования. Беглый взгляд на три системы должен помочь проиллюстрировать различия. В системе №1 пользователь манипулирует объектом на X-Y столе с разрешением 10 микрон и просматривает результат на видеомикроскопе с полем зрения 100 микрон. Объект будет демонстрировать раздражающее «прыжковое» движение, так как перемещение было квантовано на уровне 10 микрон. Этому пользователю нужно больше разрешения. Система №2 также имеет разрешение 10 микрон и должна вставлять контакты в разъем PGA на 0,100 "точках сетки в пределах ± 0,002" (± 50,8 микрона). Целевое поле гнезда было отображено для устранения ошибки ходового винта. Однако система не удовлетворяет требованиям из-за предварительно загруженной шарико-винтовой пары с повторяемостью 150 микрон. Эта система нуждается в более высокой повторяемости. В системе №3 стол X-Y должен перемещать стеклянную пластину с резистовым покрытием под электронным лучом, чтобы получить эталонную решетку, способную проверять производственные циклы таблиц X-Y. Это приложение потребует высокой точности.
Системы основанные на ходовом винте
Ходовые винты служат в качестве линейного исполнительного механизма в большинстве систем позиционирования и выполняют функцию элемента определяющего точность в системах с низкой и средней точностью. В большинстве ходовых винтов используются либо шариковые гайки с рециркуляцией, либо фрикционные гайки с противозадирным действием, при этом небольшой процент с помощью планетарных роликовых гаек. Качество ходового винта определяет общую точность, в то время как конструкция гайки при правильном исполнении устраняет люфт. Собственная точность обычно представлена двумя терминами: накопительный компонент, который вызван незначительными, но одноатомными ошибками основного тона, и периодический компонент, который циклически изменяется на каждом обороте. Недорогие, ходовые винты средней точности могут быть изготовлены с помощью процесса накатки резьбы, который способен удерживать накопительную ошибку в диапазоне от 25 до 75 микрон/250 мм и периодические ошибки в диапазоне 8-16 микрон. Шлифование резьбы является более медленным и более дорогостоящим процессом, но производит свинцовые винты с совокупной точностью в диапазоне от 8 до 20 микрон/250 мм и с периодическими ошибками в диапазоне от 3 до 8 микрон. Притирка – это процесс, в котором длинная разрезная гайка и абразивная суспензия используются для переработки шлифовального ходового винта; он допускает совокупные ошибки отведения до 2 микрон/250 мм и периодические ошибки до 0,3 микрона. Предварительно нагруженный сдвоенный радиально-упорный подшипник обычно служит для ограничения осевого перемещения ходового винта; это приводит к ошибкам плоскости тяги от 0,5 до 2 микрон. Гайка должна выполнять роль верного последователя, усредняя по нескольким виткам и устраняя люфт при изменении направления. Фрикционные гайки обычно включают два или более изгибных сектора вместе с предварительным натяжением пружины для надежного зацепления ходового винта. Эти конструкции могут обеспечить однонаправленную повторяемость менее 0,1 микрона, а двунаправленную повторяемость (приближающуюся к нулевой точке от противоположных направлений) от 0,1 до 0,5 микрона. Положительная предварительная нагрузка также автоматически компенсирует износ по мере старения системы. Шариковые винты обеспечивают уменьшение люфта за счет эластичного завышения размеров шариков, корпусов с нарезными винтами или использования двух противоположных шариковых гаек с предварительным натягом резьбы. Хотя обычно предполагается, что шариковые винты значительно более эффективны, чем фрикционные гайки, их рабочий крутящий момент, если он предварительно нагружен для обеспечения высокой повторяемости, часто будет превышать крутящий момент на фрикционных гайках (особенно если установлены уплотнения). Кроме того, вход и выход шариков из зоны активного пути вызывают колебания крутящего момента. Шариковые винты обычно предназначены для применений с осевыми нагрузками с высокой частотой повторения, в то время как шлицевые винты с шлифованной фрикционной гайкой лучше всего подходят для высокоточных, легких условий эксплуатации. В дополнение к трудностям, налагаемым жесткими допусками на шлифование и притирку, попытки увеличить точность с помощью ходовых винтов наталкиваются на дополнительные барьеры. Главным среди них является тепловое расширение, вызванное трением: когда ходовой винт вращается внутри гайки, его температура повышается, и она расширяется. В зависимости от рабочего цикла и скорости перемещения, ходовые винты могут работать при температуре на 3-10 градусов выше температуры окружающей среды. Вместе с коэффициентом теплового расширения 12 ppm/°C (12 микрон/метр на °C) этот эффект может привести к ошибкам до 120 ppm, что снижает внутреннюю точность ходовых винтов. Правящим двигателям повезло в том, что их рабочий цикл был непрерывным, и система стабилизировалась после длительного прогрева. Многие современные системы должны выполнять перемещения различной длины, рассчитывать, собирать и обрабатывать данные и перемещаться снова, без четко определенного рабочего цикла. Если в системе есть какие-либо осевые нагрузки, относительно гайки и упорного подшипника возникают дополнительные источники ошибок. Конечным результатом является то, что «чрезвычайно точный» ходовой винт является своего рода противоречием в терминах; хотя этого достаточно для систем с низкой и средней точностью, дополнительные затраты лучше ориентировать на систему обратной связи, которая может определять фактическое положение полезной нагрузки, чем на все более высокие допуски винтов. На ходовые винты также распространяются потенциально большие ошибки Abbe (см. Ниже).
Роль обратной связи
Можно сказать, что ранние правящие двигатели имели своего рода обратную связь: машины, которые производили приемлемые решетки, были очень точными, а ошибки других машин были слишком явно зафиксированы в их решетках. Эта информация четко не указала области для улучшения конструкции и служила главным образом свидетельством успеха или неудачи. Однако в то время было признано, что, если можно разработать точную систему обратной связи по положению в режиме реального времени, то многие из чрезвычайно требовательных механических требований могут быть смягчены. Затем можно использовать «сервосистему», чтобы заставить полезную нагрузку достичь желаемого положения, независимо от неидеальности в механическом приводе. Отсутствие в то время источников света, обладающих как высокой яркостью, так и высокой когерентностью, сводило на нет усилия по этим направлениям. В зачаточной форме обратной связи используются вращающиеся датчики в сочетании с ходовым винтом. Принцип действия показан на рис. 8; по мере вращения кодового диска вырабатываются квадратурные (сдвинутые по фазе на 90°) сигналы, которые затем суммируются во внешней счетной схеме. Эта схема может использоваться с шаговыми двигателями или серводвигателями; в первом случае она выдает предупреждение, если система потеряет шаги или остановится. Однако, если не считать этого преимущества в системах на основе шаговых двигателей, обратная связь с роторным энкодером не дает существенного преимущества перед системами на основе одних лишь ходовых винтов. Биение подшипника ходового винта, периодическая погрешность, накопительная погрешность, тепловое расширение, ошибка Abbe, соответствие гайки и люфт гайки остаются неизменными в качестве источников ошибок. Чтобы функционировать эффективно, система обратной связи должна воспринимать фактическое положение полезной нагрузки на протяжении всего своего перемещения, а не угловое положение поворотного привода (двигателя).
Линейные энкодеры
Линейные энкодеры обеспечивают точные, экономически эффективные средства повышения точности по сравнению с достижимыми в системах на основе ходового винта. Они компактны в поперечном сечении и доступны в длинах хода до нескольких метров. Принцип работы аналогичен показанному на рис. 8, за исключением того, что кодовый диск теперь представляет собой длинный стеклянный лонжерон с хромированными градуировками, а считывающая головка представляет собой линейный эквивалент фазовой пластины, показанной на иллюстрации. Линейные энкодеры могут быть удобно распределены по категориям как имеющие цифровые или аналоговые выходные сигналы, так и имеющие контактную или бесконтактную конструкцию. Цифровые энкодеры выдают квадратурные сигналы непосредственно от считывающей головки, избегая необходимости в громоздких и дорогих интерполяционных блоках. Модели с цифровым выходом теперь доступны с разрешением до 0,25 микрон. Энкодеры с аналоговым выходом выдают квадратурные синусоидальные сигналы низкого уровня, которые должны быть преобразованы извне в цифровой формат. Хотя это требует дополнительных кабелей и затрат, аналоговые сигналы можно затем интерполировать (подразделить) для достижения разрешений всего 0,05 микрона (50 нанометров), при этом один производитель (Futaba) предлагает единицу разрешения 10 нанометров. Во всех случаях для прохождения света через стеклянный лонжерон и фазовую пластину используется оптика нулевого порядка (лучевая); дифракция ограничивает практическое расстояние между градуировками лонжерона до 100 линий на миллиметр (10 микрон). Из-за требований к пространству схемы интерполяции большинство систем с высоким разрешением имеют тип аналогового выхода. Собственная точность линейных энкодеров зависит от их конструкции; контактирующие модели, хотя они удобны и приемлемы в своих допусках на монтаж, обычно имеют погрешность основания от ± 1 до ± 5 микрон, с дополнительным совокупным компонентом от 2 до 5 микрон на метр. Бесконтактные конструкции, которые состоят из отдельной считывающей головки и стеклянного лонжерона, способны достичь гораздо большей точности; Некоторые производители предлагают устройства с точностью ± 0,5 микрона на 500 мм и точностью ± 0,3 микрона на 200 мм. Несмотря на высокую внутреннюю точность линейных энкодеров, ряд факторов снижает общую точность системы. Поскольку линейный датчик не может быть расположен в том же положении, что и объект, подвергающийся трансляции, в результате возникает смещение между интересующей точкой и точкой измерения. Вместе с неизбежным наличием угловых ошибок в путях это приводит к ошибке Аббе (см. Ниже). В зависимости от местоположения кодера и типа пути, выступающего в качестве оси движения, этот источник ошибок может достигать уровней в несколько десятков микрон. С коэффициентом теплового расширения приблизительно 10 ppm/°C, изменения температуры окружающей среды могут легко превысить внутреннюю точность линейного датчика: датчик длиной 500 мм будет расширяться на 5 микрон на °C. Однако в некоторых устройствах это только дифференциальное расширение между кодером и обрабатываемой деталью, которая представляет интерес. В этом случае их коэффициенты расширения должны совпадать (натриево-кальциевое стекло, кремний и большинство сталей находятся в пределах 1-2 ppm/ °C друг от друга). Линейные энкодеры по своей природе являются датчиками «один на ось»; соответственно, они не регистрируют ошибки противоположной оси и ошибки ортогональности в многоосных системах (см. ниже). Дополнительные источники ошибок присутствуют из-за перекоса считывающей головки (приблизительно 0,1-0,3 микрона в контактных конструкциях датчика); ошибки интерполяции (от 0,05 до 0,3 микрона) и джиттер (дрожание/дрожь) с наименьшей значительной ошибкой из-за квантования разрешения (до 1 отсчета). Правильно определенные линейные энкодеры могут значительно повысить точность системы позиционирования, особенно если используется отображение (см. Ниже), но их ограничения часто занижаются.
Решетные интерферометры
По мере того, как расстояние между градуировками на линейном кодере уменьшается, все больше и больше световой энергии смещается от нулевого порядка и дифрагируется в более высокие порядки. Это приводит к невыполнимо малым зазорам считывающих головок, так как расстояние между линейными энкодерами составляет менее 10 микрон. Хотя определяющий патент действует почти два десятилетия, в последние годы серия решеточных интерферометров, предназначенных для использования этого «ограничения», стала коммерчески доступной. Текущие поставщики включают Holograf, Canon, Mititoyo, Heidenhain и Sony Magnascale. Ранние модели носили пропускающий характер, для работы требовался газовый He-Ne-лазер и достигали шага решетки 0,5 микрона благодаря интерференции двух лучей аргонового лазера на подложке с резистентным покрытием. В последних вариантах используется электронно-лучевая запись на покрытом резистентом покрытии для создания шагов решетки приблизительно 1,6 микрона, отражающих в работе и включающих компактный одномодовый или многорежимный диодный лазер. Пятиосевая сфокусированная ионно-лучевая система с решеточными интерферометрами показана на рис. 9.
Рисунок 9: Пятиосевая система с решеточными интерферометрами.
Когда монохроматический свет падает на решетку, свет, рассеянный от соседних щелей, мешает формированию максимумов интенсивности под определенными углами. Несмотря на то, что угол выхода фиксирован для любой заданной длины волны, шага решетки и порядка, оптическая фаза является функцией общей длины пути от источника. Перемещение решетки на один интервал шага приводит к оптическому сдвигу фазы ровно на один цикл. При соответствующей поляризационной оптике (рис. 10) свет, рассеянный по обе стороны от нормали, может создавать помехи, и результирующие изменения интенсивности будут давать квадратурные сигналы с периодом, равным половине шага решетки. Отражающие версии сталкиваются с решеткой дважды, в результате чего квадратурный период составляет одну четверть периода решетки. Поскольку могут учитываться как нарастающие, так и падающие фронты каждого канала, неинтерполированное разрешение решетки с шагом 1,6 микрона будет 0,1 микрона; использование 10-кратной или 25-кратной интерполяции дает разрешение 0,01 или 0,0025 мкм (10 или 2,5 нм соответственно).
Рисунок 10: Принцип работы интерферометра.
Поскольку решетки создаются на довольно обычном электронно-лучевом оборудовании, предназначенном для И.С. маска литография, доступные перемещения были ограничены до 150 мм или 200 мм. Один производитель недавно предложил 400-миллиметровую версию (предположительно, генерируемую путем стыковки двух блоков друг с другом с фазовым управлением), и планирует анонсировать 800-миллиметровую версию. Все решетчатые интерферометры обеспечивают удобный рабочий зазор от 3 мм до 9 мм и разумные допуски на выравнивание. Их точность является функцией машины для изготовления маски, которая генерирует мастера; текущие требования варьируются от 0,2 до 0,6 микрона на 150 мм. Поскольку оба оптических стержня решетчатых интерферометров равны, эти устройства полностью свободны от воздействия изменений воздушного индекса из-за температуры, давления, влажности и следовых газов; они также не содержат ошибок из-за смещения длины волны лазера. Сдвиг фазы на 90 градусов между квадратурными сигналами также имеет более высокое качество и более устойчив к смещению, чем линейные энкодеры, что упрощает требования к интерполяции. Есть два мнения относительно коэффициента теплового расширения материала подложки; первый генерирует решетку на расплавленном кварце (коэффициент теплового расширения 0,5 ppm/°C), в то время как другой использует обычное натриево-кальциевое стекло (10 ppm/°C) или сталь (12 ppm/°C). Первый вариант лучше подходит для «чистой» размерной метрологии или для заготовок, поддерживаемых при температуре 20,0° C, а второй охватывает прагматический подход, который подчеркивает устройство обратной связи, которое стремится «отслеживать» заготовку. В дополнение к вопросам, касающимся соответствующих коэффициентов расширения субстрата, решетчатые интерферометры подвержены погрешности Аббе (см. Ниже) в количествах, которые могут значительно превышать их собственную погрешность. Из-за того, что они являются устройствами «один на ось», они не могут обнаружить ошибку и ортогональность в противоположных осях в многоосных системах (см. Ниже). Их стоимость значительно выше, чем у большинства линейных энкодеров, хотя модели с более низкой стоимостью приближаются к стоимости линейных энкодеров с одинаковой точностью и разрешающей способностью. В случаях, когда вопросы стоимости позволяют использовать интерферометры, они представляют собой приятное дополнение к инструментам обратной связи, которые имеются в распоряжении у разработчиков систем позиционирования.
Ошибка ABBE
Ошибка Abbé (произносится как ab-a') может быть значительным источником ошибок в устройствах позиционирования. Названный в честь известного оптического дизайнера Эрнста Аббе, она относится к линейной ошибке, вызванной сочетанием базовой угловой ошибки (обычно в способах, определяющих движение) и размерного смещения между измеряемым объектом и элементом, определяющим точность (как правило, ходовой винт или датчик). В системах с разомкнутым контуром (или в системах с замкнутым контуром, использующих вращающуюся обратную связь), точность номинально определяется точностью ходового винта. Аналогично, в системах с линейными энкодерами или интерферометрами именно это устройство определяет точность. Важно, однако, вспомнить, какую именно информацию предоставляют эти устройства: ходовые винты на самом деле не говорят нам ничего, кроме взаимного расположения гайки и винта, а датчики показывают нам только положение считывающей головки относительно стеклянной шкалы. Экстраполяция этого для включения позиции интересующего объекта, несмотря на прочное механическое соединение с гайкой или считывающей головкой энкодера, является необоснованной. Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим рис. 11, на котором показан одноосный каскад с линейным кодером. Устройство представляет собой смещенный рычаг, который размещает зонд над образцом. Очевидное искажение на сцене является преднамеренным; оно предназначено для иллюстрации, преувеличенным образом, стадии, пути которой имеют кривизну (в данном случае, рыскание). Кто-то, использующий эту ступень и обладающий соответствующими измерительными приборами, может измерить ошибку между положением ступени, определяемой головкой считывания энкодера, и фактическим линейным положением зонда. Предположим, что кривизна достаточна для получения угла a 'b на рис. 11 из 40 угловых секунд (a' рисуется параллельно a). Если ступень сместится вперед на 250 мм, то обнаружится, что зонд сместился на 250,100 мм, что приведет к ошибке оси X + 100 мкм. Если бы пути были фактически изогнуты по дуге окружности, как показано, то также было бы смещение оси Y на +25 мкм. Эта ошибка оси Y была бы устранена (в то время как ошибка оси X осталась бы), если бы угловая ошибка была чисто локальным свойством путей в местоположении +250.000 мм. Аббе ошибка коварна, и ей лучше всего противостоять, предполагая наличие угловой ошибки в системе, а затем работая над тем, чтобы минимизировать как основную ошибку, так и ее влияние через оптимизацию конструкции и соответствующее размещение ходовых винтов, датчиков и т.д. Лучший инструмент для анализа угловая погрешность – это лазерный интерферометр, который при использовании со специальной оптикой с двумя путями может измерять шаг или рыскание с разрешением 0,05 дуги в секунду. Крен может быть измерен с использованием видео автоколлиматора и прямоугольной оптической плоскости, или путем выполнения многоточечных измерений поверхности с помощью LVDT. Источники угловой ошибки включают в себя следующее: 1) Кривизна путей 2) Вход и выход шариков или роликов по рециркуляции 3) Изменение предварительной нагрузки по пути 4) Недостаточная предварительная нагрузка или люфт в пути 5) Загрязнения между роликами и дорожным покрытием 6) Соответствие скручиванию способом: а. внешние силы, действующие на нагрузку б. крутящий момент из-за перемещения груза В примере, показанном на рис. 11, ошибка Аббе может быть уменьшена путем перемещения энкодера в левую сторону конструкции. Уменьшение длины плеч или установка датчика на краю образца (с считывающей головкой, подключенной к плечу), будет более эффективным. Виртуальное устранение ошибки Аббе может быть достигнуто с помощью лазерного интерферометра и установки движущегося ретрорефлектора на узел зонда. Обратите внимание, что положения компонентов, показанных на рис. 11, эффективно контролирует ошибку Аббе из-за ошибки шага ступени, поскольку высота зонда и датчика примерно одинакова. В то время как конструкция может иметь ошибку шага (вращение вокруг оси Y), нет соответствующего вертикального смещения (оси Z), необходимого для получения ошибки Аббе. Третья степень свободы вращения, крен, соответствует на иллюстрации вращению вокруг оси движения (ось X). Это приведет к тому, что зазор между зондом и образцом будет изменяться по мере перемещения ступени.
Рисунок 11: Ошибка Аббе пример.
В общем, попытайтесь оценить или измерить величину всех трех возможных угловых ошибок (крена, шага и рыскания) в любой конкретной системе в реальных условиях нагрузки. Затем обратите внимание на любые смещения между приводными или измерительными устройствами и точкой интереса на нагрузке. Рассчитайте погрешность Abbe и, если она окажется неприемлемой, оптимизируйте конструкцию, чтобы уменьшить смещение или основную угловую ошибку. В целом, системы, построенные с использованием прецизионных гранитных и воздушных подшипников, которые не распространяют нагрузку за основание стола в любой точке во время перемещения, лучше всего сводят к минимуму угловые ошибки.
Рисунок 12: Ось смещения против оси ошибок
Чтобы определить величину ошибки Abbe, просто умножьте смещение на тангенс угла. В этом примере это было: 500 мм * тангенс (40 угловых секунд) = 500 * тангенс (0,011 градуса) = 500 * 0,000194 = 97 микрон. Если угол известен в радианах, а не в градусах, проблема гораздо проще: смещение Abbe просто равно смещению угла х. Наконец, полезное эмпирическое правило заключается в том, что ошибка Abbe будет равна примерно 5 нанометрам на мм смещения и угловой секунде угловой ошибки. Еще раз, 40 * 500 * 5 = 100 000 нанометров или 100 микрон. Диаграмма на рис. 12 может оказаться полезной для определения того, какие смещения приводят к ошибке Abbe для данной угловой ошибки.
Косинусная ошибка
Косинусная ошибка возникает из-за углового смещения между движением стола позиционирования и определяющего точность элемента (ходовой винт, датчик или траектория луча лазерного интерферометра). В большинстве случаев это оказывает незначительное влияние на общую точность вследствие значительной степени смещения, необходимого для влияния на точность. Рассмотрим, например, случай 250-миллиметровый стол позиционирования с линейным энкодером. Энкодер может быть расположен так, что он наклонен к направлению движения, и, соответственно, энкодер будет измерять большее перемещение, чем фактически произошло. Теорема Пифагора (a2 + b2 = c2) дает величину ошибки. При смещении 0,1 мм путь датчика составляет 2502 + 0,12 = 62500,01 или 250,00002 мм; ошибка составляет всего 20 нанометров. Если смещение указано в терминах угла, то ошибка будет равна: путь * (l-cos O) - отсюда и название: косинусная ошибка. В приведенном выше примере угол составлял 83 угловых секунды, и cos O = 0,9999999920. Если разрешение энкодера составляет один микрон, то для создания косинусной ошибки, эквивалентной одному счету, потребуется смещение в 71 микрон. Типичные процедуры проектирования, фиксации и проверки каскада могут удерживать направление и выравнивание энкодера по уровням, намного ниже этого значения, делая косинусную ошибку незначительным следствием на большинстве ступеней позиционирования. Однако в системах, использующих лазерные интерферометры для позиционной обратной связи, простое визуальное выравнивание с уменьшенной апертурой может вносить косинусную ошибку порядка нескольких ppm. Это важно при сравнении с внутренней точностью интерферометра < 0,1 ppm и может потребовать тщательной регулировки угла луча по высоте и рысканию для максимизации измеренного расстояния. Обратите внимание, что с лазерными интерферометрами косинусная ошибка приводит к измерению расстояния меньше, чем фактическое перемещение; это противоположно влиянию косинусной ошибки для линейного энкодера.
Соответствие
Соответствие может быть эффективным инструментом для уменьшения ошибок в системах позиционирования. Источники ошибок, подлежащих исправлению с помощью соответствия, включают в себя те, которые связаны с накопительной ошибкой ходового винта, периодической ошибкой ходового винта, ошибкой Abbe, люфтом гайки, косинусной ошибкой и отклонениями от ортогональности в многоосевых системах. По сути, метод соовтетствия состоит из измерения и записи фактического положения объекта для последующего использования при возвращении к этой точке. В большинстве случаев измерительный прибор используется только для сбора данных на объекте и не присутствует во время реальной работы. Обычные источники калибровки включают лазерные интерферометры и прецизионные стеклянные решетки с низким уровнем Е. Система позиционирования должна иметь достаточную разрешающую способность, чтобы осуществить корректирующее движение с желаемой степенью точности. В качестве примера рассмотрим таблицу позиционирования с разрешением в один микрон. Номинально для перемещения на 40000 мм потребуется 40000 шагов или отсчетов. В этом случае из-за накопительной ошибки ходового винта отсчет 40000 фактически приводит к перемещению на 40,009 мм. Соответственно 39 991 отсчетов даст желаемое перемещение 40 000 мм. Соответствие особенно эффективно, когда требуется относительно небольшое количество позиций; в этом случае уникальное измеренное значение может использоваться для каждого местоположения. В других случаях одна или несколько точек могут быть записаны, а последующие точки выведены или «интерполированы» из ближайших измеренных значений. В приведенном выше примере перемещение на 20000 мм потребует 19 996 отсчетов при условии, что ошибка винта является линейной. Компенсация периодической ошибки ходового винта требует нескольких точек на каждый оборот, что существенно увеличивает требования к хранению. Тепловое расширение ходового винта или энкодера часто устанавливает предел уровня точности, который стоит уменьшить с помощью методов соответствия.
Лазерые интерферометры
Лазерные интерферометры (рис. 13) обеспечивают максимальную обратную связь по положению, сочетающую в себе очень высокое разрешение, бесконтактное зондирование, высокую частоту обновления и собственную точность 0,02 ppm. Они могут быть использованы в системах позиционирования либо как пассивные показания положения, либо как активные компоненты обратной связи в положении серво-петли. В отличие от линейных энкодеров, траектория луча интерферометра обычно может быть расположена так, чтобы она совпадала с измеряемым элементом или точкой, устраняя или значительно уменьшая ошибки Abbe.
Рисунок 13: Обратная связь в интерферометрах
Лазерные интерферометры можно разделить на две категории: счетчики полос и двухчастотные системы. Первый аналогичен в работе интерферометру Майклсона, а второй использует две близко расположенные частоты, одна из которых испытывает доплеровский сдвиг от движущегося отражателя. После рекомбинации две частоты гетеродинируются для генерации частоты биений в диапазоне счетной электроники. Двухчастотный дизайн, хотя и более дорогостоящий в реализации, считается системой с более высокими характеристиками, особенно для обратной связи по скорости. В обеих случаях поляризация селективная оптика используется для маршрутизации одного луча к и от подвижной детали, сохраняя при этом фиксированный путь для опорного луча. Одноосные системы используют траекторию луча (как показано на рис. 14) и состоят из лазерной головки, разделителя поляризационного луча с ретрорефлектором, движущегося ретрорефлектора и фотодиодного приемника. Системы XY (рис. 15) заменяют движущийся ретрорефлектор на плоское зеркало и добавляют четвертьволновую пластину и дополнительный ретрорефлектор к разделительной оптике. Четвертьволновая пластина циркулярно поляризует луч заготовки, заставляя его выполнить два прохода с соответствующим удвоением разрешения и уменьшением вдвое достижимой максимальной скорости. Эта конфигурация устраняет ошибки из-за смещения Abbe, рыскания, шага (в первом порядке) и горизонтального биения противоположной оси и игнорирует ошибки ортогональности в таблице X-Y (однако, плоские зеркала должны быть точно перпендикулярны друг к другу). Отражатели могут состоять из двух «зеркальных ручек» в регулируемых креплениях или одного «L-зеркала» (как показано на рисунке). Последнее исключает опасения по поводу неправильного использования зеркал, но влечет за собой погрешности, которые быстро растут с количеством перемещений.
Рисунок 14: Путь луча одноосного интерферометра
Рисунок 15: Путь луча двухосного интерферометра
Упомянутый выше двухпроходной плоский зеркальный интерферометр имеет разрешение 10 нм. Вариант этой конструкции (рис. 16) производит четыре прохода вдоль пути измерения, обеспечивая разрешение 5 нанометров; аналогичные схемы с более высокой электронной интерполяцией достигают 0,625 нм, что является самым высоким значением, предлагаемым коммерческими интерферометрами. Для упрощения следования траектории луча на рис. 16, обратите внимание, что два прохода через четвертьволновую пластину поворачивают вектор поляризации на 90 градусов, в результате чего теперь будет отражаться луч, начальная поляризация которого прошла через диагональ светоделителя, и наоборот. На академическом фронте д-р Роберт Ризенберг из Смитсоновской астрофизической обсерватории разработал нуль-чувствительный интерферометр с 15 пикометрами для использования в будущем на орбите второго звездного интерферометра с 5 дугами (P.O.I.N.T.S.). Профессор Рэй Вайс из Массачусетского технологического института разработал 30-проходную систему интерферометра для Л.И.Г.О. (Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), которая будет контролировать смещения между взвешенными массами на концах заглубленного 8-километрового вакуумного туннеля в форме буквы "L" с чувствительностью ниже 3 x 10-16 см / Гц от 100 Гц до 1 кГц. В путь, Рэй!
Рисунок 16: Четырехполосный путь луча интерферометра
Как и Н.Б.С. (в настоящее время NIST), как отмечалось в середине семидесятых, любой He-Ne-лазер обеспечивает стабильность частоты, равную или превышающую 1 ppm (любая большая ошибка будет препятствовать процессу генерации из-за узкой ширины линии неона). Системы стабилизации частоты могут улучшить это, достигая долгосрочной точности всего 0,02 ppm. Следующие источники ошибок, однако, соединяются и снижают эту очень высокую внутреннюю точность: 1) Изменения скорости света из-за температуры, давления и т.д. 2) Точность датчика давления, температуры и влажности 3) Плоскость зеркальной прямоугольности и плоскостности 4) Тепловое расширение заготовки, позиционного стола, основания, пластины и оптики 5) Косинусная ошибка 6) Точность коэффициента теплового расширения заготовки 7) Дифференциальный изгиб позиционирования каретки по ходу 8) Точность уравнения Эдлена и Джонса 9) Точность коррекции тупика Часто предполагается, что, как только прирост стоимости, связанный с лазерными интерферометрами, будет оправдан, можно предположить высокую точность. Как следует из приведенного выше списка источников ошибок, переход на систему, основанную на интерферометре, также обнаруживает новый режим ошибок низкого уровня, совокупный эффект которого может быть серьезным. Мы видели, что точность и стабильность длины волны лазера составляет порядка 0,02 ppm (5 нанометров на 250 мм). Полезно сравнить каждый из приведенных выше источников ошибок с этой достаточно высокой внутренней точностью. Элемент №1 отражает изменение атмосферного показателя преломления из-за температуры, давления и влажности. Если не компенсировать, длина волны лазера в воздухе будет изменяться на 1 ppm на °C, 0,4 ppm на мм рт.ст. и 0,1 ppm на 10% изменений RHO при низком давлении, душном летнем дне, это может составлять 15 ppm (787 мм рт.ст. (25 градусов Цельсия и 70% относительной влажности), что в 750 раз превышает внутреннюю точность лазера. Это явно неприемлемо, и, соответственно, датчики используются для элемента №2 и уравнения Эдлена (элемент №8) для компенсации изменчивости индекса воздуха. Теперь возникает вопрос об абсолютной точности и отклонении этих датчиков, для которых коммерчески доступные системы компенсации достигают 1,5 ppm после калибровки. Хотя эти датчики компенсируют колебания температуры воздуха, давления и влажности, они не могут обнаружить изменения индекса из-за избытка CO2, паров масла и дизельного топлива и т.д. В трекере длин волн, показанном на рис. 17, используется дифференциальный интерферометр (см. Ниже) для измерения расстояния между зеркалами, образованными концами стержня Зеродура (коэффициент расширения 0,1 ppm/°C). Поскольку концы стержня Zerodur, по сути, «никуда не денутся», измеренное изменение размеров полностью связано с изменениями показателя преломления. Одним из ограничений этого подхода является то, что он отслеживает изменения только по сравнению с первоначальными измерениями, полученными с помощью обычных датчиков. Оптический путь абсолютного рефрактометра показан на рис. 18; он включает в себя два интерферометра, один из которых поддерживается в вакууме, а другой - с чьим отношением воздушного пути к вакуумному пути более 20 мм с помощью линейного привода. Это сложная конструкция, для которой требуются прочные вакуумонепроницаемые сильфоны, но при этом обеспечивается абсолютная атмосферная компенсация при уровне 0,5 промилле.
Рисунок 17: Трекер длины волны
(фото любезно предоставлено Hewlett Packard) Связанным фактором является значение deadpath (элемент №9). В общем, компоновка системы должна сводить к минимуму расстояние между нулевым положением стола позиционирования и разделителем / эталонным ретрорефлектором поляризационного луча. По мере изменения показателя преломления любого промежуточного воздуха происходит эффективное смещение «нулевого» положения стола. Это расстояние должно быть тщательно измерено, и изменения воздушного индекса должны применяться к нему, чтобы компенсировать это смещение нулевой точки.
Рисунок 18: Абсолютный рефрактометр. (схема предоставлена Spindler & Hoyer GMBH)
Пункт №3 относится к ориентации и качеству поверхности плоских зеркал в двухосных системах. Эти зеркала могут быть либо одиночным зеркалом типа «L», либо отдельным зеркалом типа «палка». Поставщики оптических систем не хотят указывать и сертифицировать «L» зеркала с точностью до 1 секунды, а 2 секунды - более легко достижимое значение. Одна дуговая секунда ошибки прямоугольности приведет к ошибкам в 5 ppm, или 1,0 микрона, более 200 мм. В случае совмещенных зеркал, возможность выравнивания зеркал представляет риск случайного или возможного смещения. Метод, используемый для определения прямоугольности, должен быть тщательно изучен; кроме того, повреждения при транспортировке, монтажные напряжения и тепловое расширение подложки могут изменить первоначальную прямоугольность. Эти зеркала обычно изготавливаются из Zerodur; в то время как он сохраняет превосходную поверхность при изменении температуры, он усиливает дифференциальное расширение металла, к которому он прикреплен (в некоторых случаях вся верхняя часть XY выполнена из Zerodur со встроенными зеркалами). Наконец, плоскостность поверхности является источником ошибки; на практике погрешность поверхности ± 0,1 волны (всего 0,1 микрона) является наиболее достижимой, и для этого требуется существенное отношение толщины к длине. Ошибка теплового расширения оптики, упомянутая в пункте №4, имеет место, потому что опорный луч имеет длину пути внутри светоделителя и ретрорефлекторов, которая в два раза меньше длины измерительного луча. При изменении температуры окружающей среды стекло расширяется, и разница в траекториях луча приводит к погрешности, которая обычно составляет 0,5 микрон/°C. При замене четвертьволновой пластины с высокой отражательной способностью на один из ретрорефлекторов (рис. 19) этот эффект может быть уменьшен более чем в десять раз. Простое выравнивание визуального луча может привести к косинусной ошибке (элемент №5) в несколько ppm, которая может быть уменьшена в системах на основе ретрорефлекторов до менее 1 ppm при более строгих процедурах. Системы плоских зеркал могут использовать методы выравнивания автоотражения, чтобы уменьшить косинусную ошибку до уровня ниже 0,1 ppm.
Рисунок 19: Интерферометр с низким тепловым дрейфом.
Как упоминалось выше, плоские зеркальные интерферометры в системах X-Y компенсируют ошибки рыскания, а также (в первом порядке) ошибки шага. Однако, если область стола, на котором расположено плоское зеркало, отклоняется от области заготовки (позиция №7), это приведет к ошибке позиционирования. Такое изгибание встречается на конструкциях с нависающими столами, и соответственно предпочтительны пересчитываемые или несущие конструкции. Поскольку интерферометр измеряет только вариации расстояния между стационарной оптикой и плоским зеркалом, или ретрорефлектором, существует ряд возможных тепловых расширений, которые могут исказить измерения. Во многих случаях заготовка перемещается по стационарной функции (микроскоп, электронный луч, лазерная ось и т.д.), которая определяет интересующий объект. Эта проблема, называемая ссылкой на опору, явно требует, чтобы мы измерили положение заготовки относительно центральной точки опоры. Одним из инструментов для такой работы является дифференциальный интерферометр (рис. 20), который измеряет только позиционные отклонения между поверхностью плоского зеркала и отдельным зеркалом, которое может быть установлено на опоре.
Рисунок 20: Дифференциальный интерферометр.
Это исключает ошибки, обусловленные тепловым расширением опорной стойки. Дифференциальные интерферометры также позволяют создавать более компактные размеры вакуумной камеры для применения в условиях высокого вакуума. При использовании в воздухе необходимо выполнить надлежащую коррекцию мертвой зоны (расстояния между опорным зеркалом и поверхностью зеркала). К дополнительным усложняющим факторам относятся ошибки, связанные с тепловым расширением детали, неспособностью оптики идеально разделять ортогональные поляризации (5-10 нм) и электронные ошибки фазовой интерполяции (разрешение системы в один-два раза больше). Как следует из предыдущего, лазерные интерферометры обеспечивают наивысшую достижимую точность системы, но все же требуют тщательного внимания к источникам ошибок как части общей суммы ошибок.
Многоосные системы
Большая часть предшествующего обсуждения касалась одноосных систем; с оптимистической точки зрения можно заключить, что многоосные системы будут генерировать ошибки в точности, описываемые квадратом (две оси) или кубом (три оси) боковых размеров, равным ошибке, получаемой в сопоставимой одноосной системе. Увы, это не так. Доминирующим источником ошибок в многоосных системах является степень ортогональности между осями; в дополнение к статическим ошибкам, динамические (изгибные) эффекты могут возникать при перемещении осей относительно друг друга. Ошибка прямоугольности, равная 20 угловым секундам, приведет к линейным ошибкам, равным 100 ppm или 25 микронам на 250 мм. Простое измерение прямоугольности в центре одной оси перемещения вводит в заблуждение; комплексное измерение прямоугольности должно включать в себя погрешность рыскания на каждой оси и быть результатом сетки точек измерения. Прецизионные гранитные эталонные квадраты или сетка с микроскопом могут быть использованы для измерения прямоугольности; в последнем случае инвертирование пластины сетки обеспечивает простую стратегию, которая может позволить точности измерения прямоугольности превышать точность самой сетки. В трехосевых системах сферический стержень (стержень Инвара с точными шариками на каждом конце) может использоваться для определения точности в трехмерном рабочем пространстве; результат таких испытаний быстро преобразовал ряд ранних "десятых микрон" координатно-измерительных машин в системы "десятки микрон". Как упоминалось ранее, ходовые винты, линейные энкодеры и решеточные интерферометры по своей природе являются одноосными устройствами; если какая-либо ось имеет горизонтальное биение, датчик на этой оси не обнаружит ее, равно как и датчик любой другой оси; этот эффект называется «ошибкой противоположной оси». Двухосевые лазерные интерферометрические системы заменяют зеркальную прямоугольность на прямоугольность оси; это в равной степени сложно, и дополнительные оси интерферометра отвечают традиционным требованиям прямоугольности.
Конструкция системы позиционирования
Ряд конструктивных факторов влияет на точность систем позиционирования. Среди таблиц прокатных элементов две основные категории - это рециркуляционные и нерециркуляционные конструкции. Первые (рис. 21а) включают в себя рециркулирующие дорожки шариков или роликов и позволяют меньшему маленькой каретке перемещаться вдоль неподвижного основания. Когда шарики или ролики входят и выходят из путей, возникают колебательные силы и небольшие угловые ошибки. В нерециркулирующих конструкциях (рис. 21б) используется полноразмерная каретка вместе с набором шариков или роликов, которые движутся вдоль путей с половиной скорости каретки.
Рисунок 21а: Модуль линейного перемещения на ШВП с рециркулирующими дорожками шариков.
Когда каретка перемещается, она нависает над основанием, что приводит к крутящему моменту и, следовательно, к некоторой угловой ошибке. Вариант последней конструкции использует набор шариков или роликов, длина которых больше или равна длине основания и каретки. Это обеспечивает более высокую степень поддержки, но вводит силу и угловые возмущения, когда шарики входят и выходят из путей, и может потребоваться дополнительное пространство, в которое смогут проникать шарики.
Рисунок 21б: Модуль линейного перемещения на ШВП с нерециркулирующими дорожками шариков.
Воздушные подшипники (рис. 22) обеспечивают альтернативную конструкцию и являются наиболее эффективным средством ограничения свободного перемещения на одной оси перемещения. Воздушные подшипники имеют «усредненную» природу, что приводит к линейным и угловым погрешностям, значительно меньшим, чем погрешности поверхностей, определяющих их движение. Они могут достигать линейных биений менее 2 микрон/250 мм и удерживать крен, шаг и рыскание ниже 5 угловых секунд/250 мм.
Рисунок 22: Воздушный подшипник.
Конструкции с воздушными подшипниками обычно имеют «челночную» конструкцию, что позволяет избежать угловых погрешностей из-за чрезмерной нагрузки. Их недостатки включают в себя более высокую стоимость, дополнительные опорные устройства в виде компрессоров, фильтров и т.д., а также более низкую жесткость на кручение и линейную жесткость, чем в подшипниках качения. Воздушные подшипники часто включают в себя прецизионный гранит для определения поверхности; один вариант конструкции позволяет цельной платформе перемещаться по осям X и Y, при этом она полностью поддерживается на ультраплоской гранитной основе. В других конструкциях используется несущая ось X, перемещающаяся под подвижным Y с порталом оси Z. В качестве примера (рис. 23) используются бесконтактные линейные серводвигатели с энкодерами 0,5 микрон. Роль линейного привода в высокоточных системах с высоким разрешением заслуживает тщательного рассмотрения. Ходовые винты остаются эффективными в качестве линейных приводов, но могут привести к проблемам со стабильностью серво контура в системах с высоким разрешением, в зависимости от массы полезной нагрузки и соответствия гайки или муфты. Жесткие, притертые гайки и ходовые винты с мелким шагом улучшают условия стабильности, также как и подход с «двойным контуром», в котором тесно связанный вращающийся сервопривод работает в сочетании с линейным устройством обратной связи с высоким разрешением. Пьезоэлектрические приводы предлагают исключительное разрешение и линейность, но ограничены перемещениями ниже 200 микрон, если не используются "дюймовые черви" или резонансные устройства. Линейные шаговые двигатели могут функционировать в качестве исполнительных механизмов, но ограничены их плохим демпфированием и жесткостью.
Рисунок 23: Система X, Y, Z на воздушных подшипниках
В последнее время получили распространение бесщеточные линейные сервометры (рис. 23); они преобразуют ток непосредственно в силу без люфта, трения и развязки, связанных с ходовыми винтами. В большинстве случаев цель состоит в том, чтобы перемещаться и настраиваться с точностью до одного элемента разрешения целевой позиции за минимально возможное время. Поскольку точность и требования к разрешению возрастают, это проектирование усложняется.
Заключение В итоге, высокое разрешение и высокая повторяемость являются параметрами системы позиционирования, которые достижимы при умеренных усилиях и во многих случаях могут быть описаны простой парой «спецификаций». Высокая точность оказывается гораздо более труднодостижимой целью, с быстро растущими затратами и сложностью системы, поскольку требуются все более и более высокие уровни. Несмотря на то, что покупатели предпочитают получить простое числовое значение точности, в действительности это глобальный параметр, который требует комплексного подхода к конкретным компонентам позиционирования, системам управления и обратной связи, функциональному приложению и операционной среде. При реалистичном подходе, как покупатели, так и продавцы систем позиционирования получают значимые и оправданные оценки точности.
На основе статьи: Kevin McCarthy New England Affiliated Technologies
