Современные системы прецизионного позиционирования: многокоординатные системы и контроллеры
Данная статья продолжает цикл материалов, посвящённых системам прецизионного позиционирования. В предыдущей публикации были рассмотрены типы приводов и критерии выбора систем. Во второй статье серии анализируются многокоординатные системы позиционирования и их контроллеры, представлены классификации по числу и типу осей, рассмотрены особенности построения XYZ-сборок, вращательных позиционеров и гониометров. Отдельное внимание уделено контроллерам, как стандартным лабораторным решениям, так и промышленным платформам для управления сложными кинематическими схемами.
Классификация по количеству и типу осей
Сложность задач позиционирования часто требует управления движением по нескольким осям, что привело к развитию разнообразных многоосевых конфигураций.
1. XYZ-системы
XYZ-системы могут быть реализованы путем последовательного соединения отдельных одноосевых позиционеров, либо в виде интегрированной многоосевой конструкции. Последовательная компоновка обеспечивает возможность независимого выбора диапазона перемещения, размера платформы, типа привода и нагрузочной способности каждой оси. Однако ее недостатками являются увеличение высоты системы, рост массы всей системы, накопление угловых ошибок и необходимость применения дополнительных адаптеров. Интегрированные XYZ-позиционеры, напротив, отличаются меньшей высотой, более компактной конструкцией и повышенной жесткостью, но как правило являются более дорогой системой.
|
Один корпус – несколько осей перемещения. Интегрированная конструкция. Небольшой вес и размер |
|
Модульная конструкция на базе стандартных одноосевых позиционеров, объединяемых в многокоординатную систему с помощью переходных пластин. |
XYZ-системы используются для позиционирования образцов, фокусировки, микроскопии, спектроскопии, сканирования, перемещения объективов, юстировки лазерных диодов, волоконного ввода, тестирования фотонных интегральных схем и сборки оптоэлектронных компонентов. В исследовательских установках обычно применяются ручные XYZ-позиционеры с микрометрическими или дифференциальными приводами. В автоматизированных системах используются моторизованные столики с шаговыми или сервоприводами. При построении последовательной XYZ-системы необходимо учитывать нагрузку на нижнюю ось, которая перемещает собственную платформу, две верхние оси, крепежные адаптеры, кабели, оснастку и полезную нагрузку. Дополнительно учитываются моменты, возникающие из-за смещения центра тяжести относительно направляющей.
1.1 Примеры продуктов для XYZ-систем
|
Компактный трехосевой позиционер LS60G-XYZ, LBTEK Трехосевой позиционер с дифференциальными микрометрами, обеспечивающий ход 13 мм по каждой оси, грубую регулировку с разрешением 10 мкм и тонкую регулировку с минимальным делением 0,5 мкм. Максимальная нагрузка 3 кг, размер платформы 60×60 мм, высота столика 69,5±6,5 мм, прямолинейность перемещения ±10 мкм. Предназначен для задач, где оператор вручную оптимизирует положение по измеряемому сигналу, например, по оптической мощности на выходе волокна. |
|
Трехосевой ручной позиционер LSS40-13R3, LBTEK Трехосевой ручной трансляционный стол (XYZ) с микрометрическим приводом. Платформа 40×40 мм, ход по каждой оси 13 мм, ориентация привода – правый привод. Минимальная цена деления микрометра 10 мкм. Предназначен для ручной юстировки оптических компонентов и образцов в лабораторных установках. |
|
Многоосевой линейный позиционер MSP-HT-027, LBTEK Четырехосевой позиционер с ручным управлением. Ход перемещения по осям X и Y – 25 мм, по оси Z – 25 мм, вращение вокруг оси Z (θZ) – 360°. Предназначен для задач, требующих одновременного управления линейными и угловыми координатами, включая позиционирование оптических волокон и фотонных компонентов. |
1.2. Вращательные позиционеры и гониометры, наклонные платформы
Вращательные позиционеры предназначены для поворота компонента вокруг заданной оси. Гониометры обеспечивают угловое перемещение относительно центра вращения, расположенного над рабочей платформой. На рынке представлены ручные вращательные платформы, моторизованные поворотные столики, гониометры с различными типами передач, двухосевые гониометрические сборки и компактные наклонные платформы.
|
|
|
|
Компании LBTEK и Thorlabs предлагают ручные и моторизованные вращательные платформы, включая исполнения с шаговыми и DC-сервоприводами для различных задач.
Ручные вращательные платформы применяются для установки поляризаторов, призм, дифракционных решеток, образцов и детекторов. Моторизованные системы используются в спектроскопии, эллипсометрии, томографии, рентгеновской дифрактометрии и автоматизированном контроле угловых характеристик. Моторизированные платформы предназначены для угловых перемещений с высокой скоростью. Такие устройства применяются для сканирования, интерферометрии, адаптивной оптики. Выбор между механическим и моторизированным гониометром/поворотным позиционером определяется рабочим угловым диапазоном, требованием к точности и нагрузкой. Для большого диапазона и статической юстировки используются механические гониометры, тогда как для высокой скорости и высокой точности применяются моторизированные системы.
 |
 |
Моторизованные гониометры GNL10/M-Z9, Thorlabs
Моторизованные гониометры с угловым ходом ±8° и расстоянием до центра вращения 25,4 мм. Предназначены для точной угловой юстировки в автоматизированных системах.
2. Контроллеры систем позиционирования
Контроллер является ключевым элементом любой моторизованной системы позиционирования, определяющим ее функциональность, точность и динамические характеристики.
2.1. Стандартные лабораторные контроллеры
Для управления одной или несколькими лабораторными осями применяются настольные, модульные и встраиваемые контроллеры. Типовая система включает драйвер двигателя, входы энкодера, входы концевых выключателей, вход опорной точки, цифровые и аналоговые входы-выходы, коммуникационный интерфейс и программное обеспечение. Контроллер может поддерживать USB, Ethernet, EtherCAT и др. Для ручного управления могут использоваться джойстики и кнопочные пульты. В ряде систем привод, контроллер и интерфейс связи объединяются в одном корпусе.
|
|
| Трёхканальный контроллер шаговых двигателей EM-CS5-3 | Одноканальный контроллер серводвигателя ESM-CV1 |
Компании LBTEK и Thorlabs предлагают настольные и модульные контроллеры для шаговых и бесщеточных двигателей. Для ручного управления доступны USB-джойстики. Программные платформы обеспечивают настройку оборудования, выполнение перемещений и интеграцию в пользовательские приложения. Стандартный лабораторный контроллер обычно оптимизирован для оборудования конкретного производителя, что упрощает ввод системы в эксплуатацию, поскольку параметры двигателя, передачи, энкодера и концевых выключателей предварительно определены. Ограничением является уменьшенная гибкость при объединении осей различных производителей.
Но это не является большой проблемой. Существуют также индивидуальные решения, где в одном корпусе объединены контроллеры для позиционеров различных производителей.
 |
|
|
2.2. Многоосевые контроллеры ACS SPiiPlus
В сложных автоматизированных установках стандартного лабораторного контроллера зачастую недостаточно. Системы с большим количеством взаимосвязанных осей требуют централизованного формирования траекторий, синхронизации приводов, обработки технологических сигналов и взаимодействия с внешним оборудованием. В таких случаях применяется ACS Motion Control SPiiPlus, представляющая собой платформу управления движением для многоосевых машин. В состав платформы входят контроллеры, EtherCAT-сеть, сервоприводы, модули ввода-вывода, интерфейсные устройства, программная среда, средства диагностики и язык программирования реального времени ACSPL+.
Современные контроллеры SPiiPlus поддерживают управление системами до 128 осей, высокочастотный сетевой цикл, многопоточное выполнение программ реального времени и синхронизацию движения с технологическими событиями. SPiiPlus применяется в оборудовании для полупроводниковой промышленности, лазерной микрообработки, инспекции, метрологии, сборки электроники, производства дисплеев, фотоники и высокоточного нанесения материалов. Платформа может использоваться для управления линейными двигателями, voice coil-приводами, бесщеточными и коллекторными сервомоторами, а также шаговыми двигателями.
Основное отличие SPiiPlus от стандартного лабораторного контроллера заключается в уровне управления. Лабораторный контроллер, как правило, управляет отдельной осью или небольшой группой позиционеров. SPiiPlus же управляет полной кинематикой оборудования, включая коррекцию геометрических ошибок и взаимодействие с технологическим процессом. Язык ACSPL+ позволяет реализовывать последовательности перемещений, циклы сканирования, обработку входов-выходов, алгоритмы поиска максимума, коррекцию координат и логику аварийных режимов.
Использование SPiiPlus обосновано в системах с большим количеством осей, прямыми линейными приводами, синхронными порталами и высокими требованиями к производительности. Для простой лабораторной XYZ-системы такая платформа может быть избыточной, однако полупроводникового оборудования и прецизионной автоматизации она обеспечивает необходимый уровень управления.
 Компактный драйвер сервопривода (UDMLC) |
 Компактный драйвер сервопривода (UDMSD) |
Заключение
Во второй статье серии рассмотрены многокоординатные системы позиционирования и их контроллеры. Выделены ключевые аспекты построения XYZ-систем (модульные vs интегрированные конструкции), вращательных позиционеров и гониометров для угловых перемещений. Показано, что выбор между ручными и моторизованными системами определяется требованиями к автоматизации, повторяемости и скорости.
В области управления проанализированы два уровня: стандартные лабораторные контроллеры для управления отдельными осями или небольшими группами позиционеров, и промышленные многоосевые платформы ACS SPiiPlus для сложных автоматизированных установок с десятками осей и сложной кинематикой.
Третья статья серии будет посвящена специализированным применениям: позиционированию в вакуумных и криогенных системах, работе с крупногабаритной оптикой, гексаподам и комплексным системам с большим ходом и высокой нагрузкой. Также будут рассмотрены критерии выбора оптимального решения для различных задач лабораторной юстировки и промышленной автоматизации.
Анонсы статей, мероприятий и еще больше научно-познавательного контента по ссылке в нашем Telegram-канале.
