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多轴精密气浮运动平台用于精密测量

精密测量技术是先进生产力的代表,它是集先进制造、自动控制、电子、光学、图形图像及计算机技术为一体的综合性交叉学科,于精密加工紧密联系在一起,近年来,精密测量产业得到迅猛发展。在我们的认知中,主要就是指二次元影像测量仪和三坐标测量机,这二者是精密测量仪器的主要内容。二次元影像测量仪适用于工件二维平面检测,三坐标测量机主要用于被测工件的三维立体的测量。由于空间测量时三坐标测量机应用受限,我司研发制造的多轴精密气浮运动平台用于精密测量系统中。

 

设备结构图

 

图片16.jpg

图1 结构图

 

结构阐述

X轴采用闭式气浮导轨导向,垂直采用真空预载,直线电机驱动和光栅尺闭环反馈,行程400mm,用于X方向连续扫描检测。

Y轴采用龙门气浮导轨导向,双直线电机驱动和双光栅尺闭环反馈,行程500mm,用于Y方向连续扫描检测或步进移动。

XY轴结构优势:工字形平面式气浮结构,使光栅反馈位置在同一水平面,避免因叠层引起的阿贝误差,另外X轴及负载直接承载在大理石气浮面上,避免横梁轴弯曲扰度变形。

A轴气浮转台行程±110°,C轴行程360°连续旋转。因摩擦式轴承转台,在不同速度及位置下的轴向及径向端跳误差不同,重复性较差,机械轴承转台轴向及径向误差在3um-5um,不利于提高整个系统的精度。

AC轴采用自制气浮转台,径向止推气浮轴承采用铝合金材质,紧凑的结构设计及特殊的装配工艺,保证百纳米级别的轴向误差和径向误差,独特的设计使气浮轴承间隙气流均匀分布,保证气浮转台稳定可靠。

AC轴安装方式:A轴轴心线平行于水平面(侧向安装),安装到X轴负载板上;C轴轴心线垂直于水平面(水平安装)。C轴负载5Kg(负载可定制)。

Z轴双工位测量,用于不同空间角度的测量。Z1轴采用气浮轴承导向,直线电机驱动和光栅尺闭环反馈,低摩擦重力平衡气缸做配重,行程150mm,垂向负载30Kg. Z2轴采用龙门气浮导轨导向,双直线电机驱动和双光栅尺闭环反馈,行程150mm,负载30Kg,负载重心与导轨受力面、质心驱动,低摩擦重力平衡气缸配重,见下图。

图片19.jpg

图2 Z2轴结构图

 

B轴用于Z方向角度位置调整,行程90°,采用直驱力矩电机驱动,交叉滚柱轴承导向,光栅尺反馈,增加硬限位防止360°连续旋转缠绕AC轴的线缆或损坏工件等,可承受100Kg负载,自重仅11Kg,转台整体高度55mm。

 

线缆管理

经过多年制造精密运动平台的经验,线缆管理对精度和性能有影响,我们选择进口无尘线缆,精心优化管线弯曲半径,防止动作过程中线缆的拉伸影响到气浮台的性能,以确保无故障操作,减少停机时间。无尘线缆相对于普通的坦克链,更适用于无尘洁净室。

 

控制方案

控制器,用EtherCAT通讯方式,多轴扩展性能好。在精密运动控制行业性能及精度最有保证。

控制器是基于频域的调试PIV方式,区别于传统PID凑参数方法,类似自整定模式调试方便,易上手。

支持C,.NET等语言二次开发编程,以调用动态链接库的形式,编辑上位机界面省时省力,可直接下载运行,支持G代码和M代码。

软件可安装在Windows ® XP/7/8/10等操作系统下,软件安装成功后,从电脑开始菜单中能够找到相关控制器使用及调试等相关手册,易快速掌握。

 

精度指标

轴号

X轴

Y轴

A轴

C轴

Z1轴

Z2轴

B轴

行程

400 mm

500mm

±110deg

360deg

150 mm

150 mm

90deg

驱动方式

直线电机

直线电机

力矩电机

力矩电机

直线电机

直线电机

力矩电机

定位精度(补偿后)

±250nm

±300 nm

±1arc sec

±1arc sec

±300nm

±300nm

±3arc sec

重复定位精度

±200nm

±200 nm

±0.3arc sec

±0.3arc sec

±200nm

±200nm

±1arc sec

直线度

400nm/100mm

400nm/100mm

/

/

±500nm

±500nm

/

平面度

400nm/100mm

400nm/100mm

/

/

±500nm

±500nm

/

Pitch Yaw

±1arc sec

±1arc sec

/

/

±1arc sec

±1arc sec

/

同步轴向跳动

/

/

±0.1um

±0.1um

/

/

±5um

同步径向跳动

/

/

±0.1um

±0.1um

/

/

±5um

扫描速度

200mm/s

200mm/s

60rpm

60rpm

100mm/s

100mm/s

3rps

速度

300mm/s

300mm/s

60rpm

60rpm

200mm/s

200mm/s

3rps

加速度

0.5g

0.5g

90rad/s²

200rad/s²

0.2g

0.2g

200rad/s²

负载

5Kg

30Kg

30Kg

100Kg

正交性

XY轴≤±1.5 arc sec

AC轴≤±2 arc sec

Z1及Z2与XY轴≤±2 arc sec

AB轴≤±2 arc sec

 

使用环境

 
温度:工作温度:16℃25℃,最佳精度保证温度为20℃±2℃,如果任何时候操作温度偏离20℃,定位精度随之偏离。
最大温度梯度:50mK/min
相对湿度:40-60%50%最佳
最大湿度梯度:1%/min
名义大气压:1PSI+5Pa
局部气压变化:±10Pa
最大气压梯度:20Pa/min
洁净度:ISO-7
地基振动:VC-F
气压要求:压缩空气供应对于气浮轴承精密运动系统的运行至关重要。压缩空气需要过滤处理,主要为防止颗粒堵塞气浮轴承孔,必须过滤至0.25μm,无油。压缩空气压力需要能稳定在0.5MPa0.6Mpa的范围内的。供气的气管建议采用聚氨酯空气软管8mm供应。如果压力下降到低于0.4Mpa,由于供气压力不足可能导致轴承表面产生损坏,运动台会安装一个压力保护开关,在压力供应不足的情况下会停机保护。在0.55 MPa的供气压力下,流量应在500800 SLPM(标准升每分钟)之间。