精密位移臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)介紹


    任何位移臺(tái)都有 6 個(gè)自由度：3 個(gè)分別沿著 x、y、z 軸方向的平移自由度，另外 3 個(gè)則是圍繞 x、y、z 軸的旋轉(zhuǎn)自由度（如圖 1）。
   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
   
 
        圖 1 右手坐標(biāo)系顯示 6 個(gè)方向的自由度
   
 
    此處描述的所有運(yùn)動(dòng)都是關(guān)于右手坐標(biāo)系的，所有的運(yùn)動(dòng)都可以看成是由沿坐標(biāo)軸方向的平動(dòng)和繞坐標(biāo)軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。 
    當(dāng)選擇一款專業(yè)的位移臺(tái)時(shí)，需要考慮很多不同評(píng)定位移臺(tái)性能的指標(biāo)。了解各種各樣參數(shù)的定義以及他們?nèi)绾斡绊戇\(yùn)行結(jié)果將簡(jiǎn)化產(chǎn)品的選擇過(guò)程。
    1. 分辨率 Resolution
    分辨率是指移動(dòng)系統(tǒng)可以分辨的最小位置增量，它不同于系統(tǒng)的最小控制增量。同樣涉及到顯示器和數(shù)據(jù)采集器的分辨率，通常取決于編碼器的輸出，但由于滯后、背隙等導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)的降低，因而大多系統(tǒng)的最小移動(dòng)增量都不等于分辨率，除非編碼器直接測(cè)量傳動(dòng)。
    （1）對(duì)于電動(dòng)平移臺(tái)而言，分辨率為步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)最小的一步，位移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)輸出量。
    電動(dòng)平移臺(tái)的分辨率可以用以下公式計(jì)算： 
             
 
 
 
 
    例如：螺桿導(dǎo)程是 4mm，電機(jī)的步距角是 1.8o，驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為 20 細(xì)分，則分辨率是0.001mm。
          
 
 
 
    （2）電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的角分辨率可以用以下公式計(jì)算：
           
 
 
 
    例如：電機(jī)的步距角是 1.8o，傳動(dòng)比是 180：1，驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為 20 細(xì)分，則角分辨率是0.0005o。
          
 
 
 
    2. 靈敏度 Sensitivity
    能產(chǎn)生一個(gè)輸出運(yùn)動(dòng)的最小輸入，通常用來(lái)表征手動(dòng)位移臺(tái)，也可以定義為輸入驅(qū)動(dòng)和輸出運(yùn)動(dòng)的比值，這個(gè)術(shù)語(yǔ)經(jīng)常和分辨率混淆。
    3. 精度 Accuracy
    對(duì)于一個(gè)給定的輸入，實(shí)際位置和理想位置之間的最大差距。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的精度跟實(shí)際位置的測(cè)量方式有很大的關(guān)系，所以對(duì)于開環(huán)設(shè)備中精度并不是一個(gè)很有意義的參數(shù)。
    4. 絕對(duì)精度 Absolute Accuracy
    絕對(duì)精度是指系統(tǒng)針對(duì)命令輸入或理想輸入的輸出，更直觀的說(shuō)應(yīng)該叫不確定度。當(dāng)要求一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)精確運(yùn)動(dòng) 10mm，而實(shí)際上只運(yùn)動(dòng)了 9.99mm，則不確定度是 0.01mm。位移臺(tái)的軸線和測(cè)量尺的軸的角度誤差會(huì)導(dǎo)致一個(gè)與角度呈余玄關(guān)系的單調(diào)遞增誤差，這就是常說(shuō)的余玄誤差。
    5. 精確度 Precision 
    精度是指對(duì)相同輸入，覆蓋 95%運(yùn)動(dòng)偏移的變化輸出位置的變動(dòng)范圍。精確度也叫重復(fù)定位精度。精度和精確度是不同的概念。
     6. 重復(fù)定位精度 Repeatability 
    重復(fù)定位精度是指移動(dòng)系統(tǒng)多次可到達(dá)一個(gè)既定點(diǎn)的能力。通常所說(shuō)的重復(fù)定位精度指的是單向重復(fù)定位精度，單向重復(fù)定位精度是指運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)僅在一個(gè)方向上做重復(fù)增量運(yùn)動(dòng)。這個(gè)參數(shù)避開了系統(tǒng)的空回和滯后。
    因此一個(gè)更重要的定義是雙向重復(fù)定位精度，即無(wú)論運(yùn)動(dòng)方向多次嘗試達(dá)到一個(gè)嚴(yán)格意義點(diǎn)的能力。
    7. 空回 Backlash
    空回是指不至引起反向可測(cè)量輸出的最大輸入量。軸向預(yù)緊不夠或傳動(dòng)鏈元件的嚙合不好會(huì)導(dǎo)致空回，例如嚙合齒輪上的齒不好?？栈厥窍鄬?duì)穩(wěn)定的，并且可以用好的控制器補(bǔ)償。
    8. 誤差 Error 
    誤差是指實(shí)測(cè)的品質(zhì)參數(shù)和理想的/需要的結(jié)果之間的差值。誤差主要有兩個(gè)方面：軸向誤差，如精度，與沿著運(yùn)動(dòng)方向的參數(shù)有關(guān)；非軸向誤差，如傾斜，與約束的自由度方向相關(guān)。  
    9. 偏心和擺動(dòng) Eccentricity and Wobble 
    偏心有時(shí)也稱同心度，旋臺(tái)的偏心是指當(dāng)旋臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)它的旋轉(zhuǎn)中心與平均位置的偏差。
    如果一個(gè)旋臺(tái)是絕對(duì)同心的，那么在旋轉(zhuǎn)時(shí)就沒有偏心。對(duì)于旋臺(tái)，擺動(dòng)是旋轉(zhuǎn)軸的角度偏差。
    10. 跳動(dòng) Runout 
    跳動(dòng)是指非軸向線性誤差。這是位移臺(tái)的理想直線運(yùn)動(dòng)和實(shí)測(cè)直線運(yùn)動(dòng)之間的偏差。跳動(dòng)有兩個(gè)正交分量：表征水平方向偏差的直線度和表征垂直方向偏差的平面度。   
    11. 傾斜和晃動(dòng) Tilt and Wobble 
    傾斜和晃動(dòng)是指非軸向角度誤差。它是指理想的運(yùn)動(dòng)直線和實(shí)測(cè)的運(yùn)動(dòng)臺(tái)之間的偏移量。傾斜和晃動(dòng)有三個(gè)相互垂直的分量，一般指的是轉(zhuǎn)動(dòng)、俯仰和偏擺。這三個(gè)分量決定了由幾何形狀引起的所有運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)誤差。   
    12. 負(fù)載能力 Load Capacity
    對(duì)于位移臺(tái)來(lái)說(shuō)，負(fù)載能力是指所允許的作用于位移臺(tái)臺(tái)面中心且與運(yùn)動(dòng)方向和工作臺(tái)面垂直的合力的大小。對(duì)于旋轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)說(shuō)，合力的方向是沿著旋轉(zhuǎn)軸的。若負(fù)載不在工作臺(tái)的中心，則負(fù)載須適當(dāng)減少。 
    13. 法向負(fù)載能力 Normal Load Capacity 
    法向負(fù)載能力是指可直接作用于移動(dòng)臺(tái)面上中心的最大負(fù)載，負(fù)載量主要受限于工作臺(tái)軸承所能承受的負(fù)載能力。
    14. 橫向負(fù)載能力 Transverse Load Capacity
    橫向負(fù)載能力也叫側(cè)面負(fù)載能力，是作用于垂直運(yùn)動(dòng)方向軸線且沿著工作臺(tái)面的最大的負(fù)載力，通常受限于軸承的負(fù)載力，并且由于幾乎沒有軸承承載，因而比法向負(fù)載力能力要小。
    15. 軸向負(fù)載能力 Axial Load Capacity
    傳動(dòng)方向上的最大負(fù)載，對(duì)于豎直安裝的線性位移臺(tái)，標(biāo)稱的垂直載重能力經(jīng)常由軸向負(fù)載能力所限制。更多時(shí)候軸向負(fù)載能力取決于電機(jī)和螺桿的負(fù)載能力。
    16. 動(dòng)態(tài)負(fù)載 Dynamic Load
    動(dòng)態(tài)負(fù)載是指靜態(tài)負(fù)載和運(yùn)動(dòng)阻力的總和。需要考慮的負(fù)載的一些動(dòng)態(tài)特性包括摩擦力和慣性。由于動(dòng)態(tài)載荷限制了系統(tǒng)所能達(dá)到的最大加速度，因此在評(píng)價(jià)整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)性能時(shí)，必須要考慮此因素。
    17. 速度 Velocity (Speed)
    速度是指單位時(shí)間內(nèi)位移的改變量。最大速度是指位移臺(tái)正常負(fù)載情況下的最大速度。
    負(fù)載越輕速度越快。最小穩(wěn)定速度主要依賴于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的速度穩(wěn)定性。
    18. 速度穩(wěn)定性 Speed Stability
    速度穩(wěn)定性是指保持恒定速度的能力，也用速度調(diào)節(jié)能力表征。這個(gè)參數(shù)取決于平臺(tái)的機(jī)械設(shè)計(jì)、反饋機(jī)制、所用的控制算法和速度的大小。
    19. 加速度 Acceleration
    加速度是指單位時(shí)間內(nèi)速度的變化量。
    20. 慣量 Inertia
    慣量是負(fù)載抵抗速度改變的一個(gè)量度。慣量性越大，負(fù)載加速或減速時(shí)需要的轉(zhuǎn)矩也越大。慣量是一個(gè)負(fù)載大小和形狀的函數(shù)。如果能對(duì)轉(zhuǎn)矩做出限制，那么允許加速和減速的次數(shù)就會(huì)增加。