тел: (495) 600-40-84

Показатели прямолинейности и плоскопараллельности для платформ на воздушных подшипниках

Введение

Когда идёт речь о линейных позиционерах, где используются воздушные подшипники, одним из ключевых факторов является погрешность прямолинейности и плоскопараллельности перемещения. Однако возникает вопрос: какие уровни погрешности данных параметров могут быть достигнуты?

В этой статье будут рассматриваться следующие аспекты:

суммарные ошибки при движении вдоль всего диапазона перемещения

факторы, влияющие на величину погрешности при перемещении

повторяемость ошибок при перемещении

кратковременные ошибки


Определение погрешности прямолинейности и плоскопараллельности


Для определённости введём систему координат (рис.1). Ось X будет направлением перемещения для линейной платформы.

Fig.1.JPG

Рис.1 Система координат

Погрешность прямолинейности перемещения (англ. «straightness») определяется как ошибка в направлении оси Y. При движении вдоль оси X платформа отклоняется от постоянной координаты Y на некоторую величину.

Погрешность плоскопараллельности перемещения (англ. «flatness») определяется как ошибка в направлении оси Z. При движении вдоль оси X платформа отклоняется от постоянной координаты Z на некоторую величину.

Для наглядности вышеуказанные погрешности обозначены на рис.2. 

Fig.2.JPG

Рис.2 Типичные ошибки, возникающие при перемещении позиционера

Ошибки при движении вдоль всего диапазона перемещения


Рассмотрим такой параметр, как суммарная погрешность на всём диапазоне перемещения. Данная величина обычно указывается в микрометрах и показывает разницу между максимальным и минимальным показаниями измерительного прибора (англ. Total Indicator Reading). Таким образом, речь идёт об амплитуде ошибки при перемещении. При этом не предполагается получить какую-либо симметричную кривую относительно нулевого значения. На рис.3 синим цветом показан график, отображающий ошибку плоскопараллельности перемещения на протяжении диапазона перемещения 220 мм. Суммарная погрешность составила 0.3 мкм. Типичная суммарная ошибка для позиционеров на воздушных подшипниках составляет менее 1 мкм для диапазона перемещения порядка 200 мм.

Fig.3.JPG

Рис.3 Суммарная ошибка плоскопараллельности для платформы серии PIGlide (выделена красным). Ось абсцисс – текущая координата, ось ординат – соответствующая величина ошибки в микрометрах.

Внешние факторы, влияющие на величину ошибки при перемещении

Помимо качества изготовления позиционера и самого подшипника, существуют внешние факторы, влияющие на величину погрешности прямолинейности и плоскопараллельности.

Качество монтажной поверхности


Для позиционеров на воздушных подшипниках требуется жёсткая, чистая и ровная поверхность для монтажа. Любая неровность поверхности, сколы, грязь могут оказать заметное влияние на величину погрешности при перемещении, в особенности на плоскопараллельность. На рис. 4 показана разница в погрешности плоскопараллельности для платформы, закреплённой сначала на гранитную плиту высокого качества, а затем - на оптический стол.

Fig.4.JPG

 Рис.4 График погрешности плоскопараллельности в зависимости от координаты. Ось абсцисс – координата, ось ординат – величина ошибки в мкм. Результаты представлены для диапазона перемещения в 230 мм. Синяя кривая соответствует случаю, когда платформа закреплена на оптический стол, зелёная кривая – на гранитное основание.

Диапазон перемещения и зазор между компонентами подшипника

Точность позиционеров на воздушных подшипниках зависит от качества обработки компонентов. Качество обработки достаточно трудно сохранить на высоком уровне в случае большой площади поверхности. В связи с этим, габаритные позиционеры, рассчитанные на большой диапазон перемещения, имеют более высокие уровни погрешности прямолинейности и плоскопараллельности.

Платформы с увеличенным зазором между компонентами воздушного подшипника обычно характеризуются более низким уровнем погрешности прямолинейности и плоскопараллельности при перемещении. Увеличение площади подшипника способствует повышению эффекта усреднения (рис.5), что приводит к снижению величины ошибок при перемещении. 

Fig.5.JPG

Рис.5 Принципиальная схема эффекта усреднения. Вверху показана схема для воздушного подшипника, внизу – для механического.

Внешние воздействия

На точностные характеристики, включая прямолинейность и плоскопараллельность, как правило, оказывают влияние внешние факторы. Источниками внешних факторов являются трение кабелей, вибрация и изменения окружающей среды (в особенности, температура). Для уменьшения погрешностей позиционирования необходимо минимизировать или устранить данные эффекты.

Расположение позиционера в пространстве

Спецификация для позиционера на воздушных подшипниках предусматривает, что сам позиционер будет расположен на горизонтальной плоскости. Если позиционер будет ориентирован вертикально или иным образом, то, скорее всего, диапазон погрешностей будет расширен. Стоит отметить, что боковой монтаж оказывает значительное влияние на прямолинейность в связи с дополнительной гравитационной силой, действующей на платформу.

Повторяемость ошибок, связанных с прямолинейностью и плоскопараллельностью

Платформы на воздушных подшипниках отличаются не только низкими величинами суммарной ошибки прямолинейности и плоскопараллельности, но и довольно высоким уровнем повторяемости этих ошибок. На рис.6 показаны результаты измерений ошибки плоскопараллельности в зависимости от координаты платформы. Измерения были проведены пять раз при одинаковых условиях. Разница в величинах ошибки при различных измерениях составила не более 50 нм. Такие показатели можно объяснить тем, что воздушные подшипники не подвержены износу, следовательно, с течением времени можно ожидать достаточно стабильный уровень производительности позиционера в случае неизменности конструкции установки и/или внешних условий.

Fig.6.JPG

 Рис.6 Повторяемость ошибки плоскопараллельности для платформы серии PIGlide. Диапазон перемещения 230 мм.

Кратковременные ошибки

На рис.7 представлены измерения ошибки прямолинейности для платформы на воздушных подшипниках в случае малой дистанции - 10 мм. Скорость перемещения платформы составила 48 мм/сек. Суммарная ошибка в данном случае составляет менее 15 нм. Кратковременные ошибки на дистанции порядка 1 мм не превышают 10 нм. Данная производительность может быть достигнута независимо от скорости сканирования.

Fig.7.JPG

 Рис.7 Ошибка прямолинейности для платформы серии PIGlide. Диапазон перемещения 10 мм