⏹出色的耐久性
即使在予压或偏置负荷作用之下,钢球的差动滑动量也抑制在最低限度,实现了高耐磨损性和精度的长期维持。
图311导轨外形
(2)应对真空环境的措施
在真空环境下使用的直线导轨,需要采取措施,以防止气体释放及油脂蒸发,采取措施的措施如下:
⏹润滑系统使用真空专用油脂,该油脂采用蒸汽压较低的氟化油作为基础油,在真空环境下不易蒸发,确保了油脂的良好润滑能力;
⏹导轨使用奥氏体不锈钢材料精制而成,具有高抗蚀功能。
(3)导轨选定流程
直线导轨选定流程见图312。
图312导轨选定流程图
(4)选定的型号参数
根据以上流程估算,初步选定各平移台直线导轨型号参数如下:
⏹X轴直线导轨
<基本额定动负荷:
C=28KN)
<基本额定静负荷:
C0=46.8KN)
⏹Y轴直线导轨
<基本额定动负荷:
C=28KN)
<基本额定静负荷:
C0=46.8KN)
⏹Z轴直线导轨
<基本额定动负荷:
C=21.3KN)
<基本额定静负荷:
C0=31.8KN)
3.2.1.5.2滚珠丝杠
(1)类型选择
根据导轨使用条件和结构精度要求,X轴平移台、Y轴平移台和Z轴平移台均选用日本THK公司研制的BIF型精密滚珠丝杠,滚珠丝杠外形如图313所示,特长如下:
⏹驱动扭矩小
滚珠丝杠中的钢球在丝杠轴与螺母间滚动,因此能获得高效率。
与过去的滑动丝杠相比,所需驱动扭矩仅为前者的三分之一。
⏹精度高
滚珠丝杠在温度控制极为严格的工厂里用最高水平的机器设备进行研磨,直到组装、检查,都实行彻底的质量管理,以保证其精度。
⏹能微量进给
滚珠丝杠由于钢球做滚动运动,起动扭矩极小,不会产生类似滑动运动中易出现的粘滞滑动现象,所以能进行正确的微量进给。
⏹无游隙高刚性
由于滚珠丝杠能够接受预压,轴向间隙能降为零,从而因预压而获得高刚性。
⏹能高速进给
因滚珠丝杠效率高,发热低,从而能进行高速进给。
图313滚珠丝杠外形
(2)应对真空环境的措施
在真空环境下使用的滚珠丝杠,需要采取措施,以防止气体释放及油脂蒸发,采取的措施如下:
⏹润滑系统使用真空专用油脂,该油脂采用蒸汽压较低的氟化油作为基础油,在真空环境下不易蒸发,确保了油脂的良好润滑能力;
⏹丝杠及螺母使用奥氏体不锈钢材料精制而成,具有高抗蚀功能。
(3)滚珠丝杠选定流程
滚珠丝杠的选择流程如图314所示。
图314滚珠丝杠的选择流程
(4)选定的型号参数
根据以上流程估算,初步选定各平移台滚珠丝杠型号参数如下:
⏹X轴滚珠丝杠
⏹Y轴滚珠丝杠
⏹Z轴滚珠丝杠
3.2.1.5.3光栅尺
(1)类型选择
光栅尺在测量直线轴或旋转轴位置过程中没有任何其它机械传件,因此,它能消除机械传动元件温度特性导致的定位误差、反向误差、螺距误差导致的运动特性误差等潜在的误差源,因此光栅尺已成为高精度定位不可或缺的必备条件。
X轴平移台、Y轴平移台和Z轴平移台均选用英国Renishaw公司的直线光栅尺,A轴旋转台、B轴旋转台和C轴旋转台均选用英国Renishaw公司的圆光栅尺,特长为性能稳定、精度高、安装和调试方便等。
直线光栅尺和读数头外形如图315所示,圆光栅尺和读数头如图316所示。
图315直线光栅尺和读数头外形图
图316圆光栅尺和读数头外形图
直线光栅尺自带零位和两端限位,通常只配备一个读数头。
圆光栅需自加零位和限位,通常配备三个读数头圆周均布在圆光栅的外侧,光栅尺和读数头的安装调试需要通过配套专业软件进行。
(2)应对真空环境的措施
在真空环境下使用的光栅尺,采取的特殊措施如下:
⏹适合真空要求的PCB电路板,粘合剂和涂装,避免漏气;
⏹通气空腔,缩短抽真空时间;
⏹激光刻字,无标签;
⏹光栅尺刻线载体采用热膨胀系数极低的真空材料制成;
⏹能承受高加热温度;
⏹无铁磁材料,工作过程可靠;
⏹特殊真空电缆;
⏹特殊部件清洁措施保障等。
(3)光栅尺选择原则
配置光栅尺是了提高系统的定位精度和重复复定位精度,所以光栅尺的准确度等级是选择时需要要考虑的。
我们在选择光栅尺时,将根据设计精度要求来选择满足准确度等级的产品。
(4)选定的型号参数
根据以上选择原则,初步选定各轴运动台光栅尺型号参数如下:
⏹X轴直线光栅尺
光栅尺型号:
RSLM-SS20U3A2000<精度±3um,行程2000mm,中间零位)
读数头型号:
T161150M<输出电缆长度5M)
细分盒型号:
TI-0200-A04A<分辨率0.1um,50MHZ频率输出,最大移动速度3.24m/s)
安装压块
细分盒信号真空电缆:
12P-8
⏹Y轴直线光栅尺
光栅尺型号:
RSLM-SS20U3A2000(精度±3um,行程2000mm,零位中间)
读数头型号:
T161150M<输出电缆长度5M)
细分盒型号:
TI-0200-A04A(分辨率0.1um,50MHZ频率输出,最大移动速度3.24m/s)
安装压块
细分盒信号真空电缆:
12P-8
⏹Z轴直线光栅尺
光栅尺型号:
RSLM-SS20U3A1130(±2.2um,行程1130mm,零位中间)
读数头型号:
T161150M<输出电缆长度5M)
细分盒型号:
TI-0200-A04A(分辨率0.1um,50MHZ频率输出,最大移动速度3.24m/s)
安装压块
细分盒信号真空电缆:
12P-8
⏹A、C轴圆光栅尺
圆光栅尺型号:
RESM20USA200(外径200mm,内径180mm)
读数头型号:
T260150M<输出电缆长度5M)
细分盒型号:
TI-0200-A04A(分辨率0.1um,50MHZ频率输出)
细分盒信号真空电缆:
12P-8
⏹B轴圆光栅尺
圆光栅尺型号:
RESM20USA150(外径150mm,内径130mm)
读数头型号:
T260150M<输出电缆长度5M)
细分盒型号:
TI-0200-A04A(分辨率0.1um,50MHZ频率输出)
细分盒信号真空电缆:
12P-8
3.2.2三维电控运动机构
三维电控运动机构装载测试载荷实现三个轴的运动,分别由X轴平移台、Z轴平移台、B轴旋转台和支架等组成,结构示意如图317所示。
1、X轴平移台2、Z轴平移台3、B轴旋转台4、支架
图317三维电控运动机构结构示意图
X轴平移台、Z轴平移台和B轴旋转台结构形式与前述五维电控运动机构中对应机构相同,支架的安装高度和安装孔位与前述五维电控运动机构中的Y轴平移台和A轴旋转台相同,方便以后三维机构向五维机构的扩展。
3.2.3底座
底座为整个装置提供良好的安装基座、保障整个设备的精度要求的平台,主要由平台和平台支架两部分组成。
对于实验舱内的高真空度和磁场等特殊环境要求,采用普通材料和普通工艺制成的普通精度底座根本无法满足使用要求。
经过国内外相关应用经验和市场调研得知,美国理波公司研制的无磁性RPR-NReliance™工业级光学台可以满足使用要求,外形如图318所示。
图318无磁性RPR-NReliance™工业级光学台
无磁性RPR-NReliance™工业级光学台采用了所有理波公司平台所使用的材料工艺和品质,可满足多数无磁性应用需要。
阻尼工作台可消除表层共振,阻尼复合材料边缘处理可消除侧壁共振,约束层芯板阻尼可减弱宽带振动,顶层、底层面板及桁架式蜂巢状芯板采用无磁性316系列不锈钢制成。
RPR-N无磁性系列可提供与RPR系列相同的动态性能、静态刚度及热稳定性等性能。
在材料研究应用中,RPR-N是用于支持大型真空室或其他大型仪器的理想选择。
在必须清除所有磁性材料的极端应用中,RPR-N系列是最佳选择,因为该系列产品采用316无磁性不锈钢结构。
3.2.4载荷安装杆
载荷安装杆安装在五维电控运动机构的B向旋转台上,装载两个测试载荷实现相对位置平移,结构示意如图319所示。
主要由电机、支承板、丝杠螺母、导轨滑块、直线光栅尺组成。
电机驱动丝杠转动,螺母带动运动部件沿着导轨实现直线移动,直线光栅尺实时测量并反馈移动部件的位置信息。
1、电机2、导轨和光栅尺3、丝杠螺母副4、载荷安装面5、减速机构
图319载荷安装杆结构示意图
载荷安装杆上的直线导轨、滚珠丝杠和光栅尺型号参数如下:
⏹直线导轨
⏹滚珠丝杠
⏹光栅尺
Renishaw直线光栅尺RSLM-SS20U3A1500<精度±2.2um,行程1500mm,零位中间)
读数头T161150M<输出电缆长度5M)
细分盒TI-0200-A04A<分辨率0.1um,50MHZ频率输出,最大移动速度3.24m/s)
安装压块
细分盒信号真空电缆12P-8
3.3电控系统
3.3.1控制系统原理
控制系统原理如图320所示。
运动控制器接收到用户通过上位机控制软件发出的控制指令,编译后向各轴驱动器发送驱动信号,控制各轴电机驱动机械执行机构动作。
光栅尺读数头实时读取所在轴的运动位置<角度),由驱动器通过控制器或直接由控制器通过以太网口返回上位机作相应处理,通过计算机软件界面对位置信息进行显示。
同时,控制器接收来自各轴的限位开关状态信号,当运动机构到达限位,驱动器就会控制电机停止旋转,避免系统超行程动作,起到保护作用。
图320控制系统原理框图
每次开机时,各轴电机要有一个初始化过程,根据程序要求,电机会向某一规定方向运动,当触发零位开关时,立即停止,并将此位置作为绝对零位,然后以此点位基准,作后续的运动或产生该轴的相对零位。
一般情况下,直线运动将此点作为零点,而旋转运动将此点作为基准,向反方向运动某一角度,定义相对零点<即0°点)。
由于在控制程序中根据轴的最大运行长度或最大角度,一般会设置每轴的极限位置值,所以,在设备正常工作情况下,电机会在该设置值