Механизм точностного позиционирования датчика

Содержание:

• Что такое механизм точностного позиционирования
• Какие подходы применяются в механизмах позиционирования
• Важность точного позиционирования
• Виды безлюфтовых механизмов
• Шариковинтовые передачи
• Волновые передачи и циклоредукторы
• Зубчатые механизмы
• Планетарные передачи
• Безлюфтовые муфты
• Расчет точности безлюфтовых механизмов
• Датчики позиционирования
• Виды передачи обратной связи от датчиков
• Преимущества использования датчиков позиционирования
• Сферы применения механизмов позиционирования

Уровень автоматизации современного производства постоянно растет, и вслед за этим увеличиваются требования к точности позиционирования технологического оборудования. В станкостроении, робототехнике, научном оборудовании при получении конечного результата важно обеспечить движение рабочих частей с точностью до нанометров. Управление разнообразными промышленными процессами также немыслимо без применения датчиков позиционирования.

Что такое механизм точностного позиционирования

В общем виде механизм точностного позиционирования представляет собой электромеханическую или оптико-электронную систему, которая контролирует положение и перемещение в пространстве чувствительного элемента датчика.

В состав механизма входят:

• привод – преобразует электрическую энергию в микроперемещение;
• датчик линейных перемещений;
• направляющие для обеспечения заданной траектории;
• модуль управления;
• энкодер для корректировки положения.

Механизм позиционирования призван устранять появление люфтов в механических передачах и нежелательных зазоров между деталями машин. Появление даже минимальных расстояний в цепи передачи приводят к погрешностям всего процесса, особенно в длинных технологических линиях.

Отрицательное воздействие люфтов проявляется в следующих видах:

• уменьшение точности положения;
• появление вибраций;
• снижение динамических характеристик;
• ухудшение качества обработки;
• увеличение времени возврата в начальное положение.

Какие подходы применяются в механизмах позиционирования

Механизмы точностного позиционирования работают на основе различных подходов, каждый из которых применяется в определенных условиях.

Оптический механизм включает инфракрасный, лазерный или видимый световой луч. Датчик реагирует на прерывание луча вследствие перемещения объекта. Изменение интенсивности или фазы свечения фиксируется приемником и преобразуется в электрический сигнал. Этот способ дает быстрый отклик и обладает высокой точностью. 

Магнитный метод применяет эффект Холла в виде возникновения напряжения при помещении проводника в магнитное поле.  Напряженность поля реагирует на перемещение магнитного предмета, полученный сигнал фиксируется элементами управления. Магнитные датчики успешно работают в условиях вибраций и запыленности.

Индуктивные механизмы срабатывают на появление металлического предмета в поле электромагнитной катушки. Такой способ применяется только с объектами, обладающими электропроводностью, хорошо зарекомендовал себя в пыльных и влажных средах.

Ультразвуковые датчики позиционирования используют способ эхолокации, высокочастотный звуковой сигнал генерируется в направлении объекта, отражается и улавливается приемником. На точность этого механизма не влияют цвет, прозрачность или освещенность объекта, но вероятна чувствительность к величине угла отражения и колебаниям температуры.

Магнитострикционный подход обеспечивает высокую точность и не подвержены механическому износу, однако дороже и сложнее в настройке.

Важность точного позиционирования

Точное позиционирование подвижных элементов производственных линий имеет исключительно важное значение.

От положения заготовки на конвейере или головки манипулятора напрямую зависит качество конечной продукции. При наличии отклонений возможно появление брака, а в машиностроении и микроэлектронной промышленности даже микроотклонения могут значительно повлиять на характеристики выпускаемого изделия.

При появлении зазоров и угловых смещений нарушается стабильность процессов. При точном положении система управления работает плавно и устойчиво поддерживает заданные параметры технологии, а также вовремя реагирует на возникающие изменения. Отклонения в позиционировании увеличивают время корректировки и могут привести к непредсказуемым последствиям.

Верная настройка и позиционирование в пространстве движущихся частей производственных линий гарантирует безопасность работы для персонала и предотвращает возможные аварии. Своевременные сигналы о выходе механизмов за определенные пределы позволяет блокировать возникшие опасные зоны.

В складском хозяйстве точность позиционирования становится залогом успешной логистики. В противном случае возникают ошибки комплектации товаров и задержка времени прохождения груза по маршруту.

Обратная связь от датчиков позиционирования важна для мониторинга траектории, скорости и местонахождения каждой детали механизма.

Комплексный контроль и точность позиционирования обеспечивают экономию затрат на обслуживание технологических процессов, снижают риски аварий и простоев.

Надежная работа системы точного позиционирования — залог эффективной и качественной работы всего производственного комплекса.

Виды безлюфтовых механизмов

Для обеспечения точного позиционирования деталей механизмов разработаны различные вариации безлюфтовых систем, которые стабильно работают и исключают зазоры.

Основные типы безлюфтовых передач:

Выбор конкретного вида передачи должен быт основан на анализе ряда факторов:

• необходимая жесткость;
• скорость работы:
• требования к износу;
• уровень трения;
• рабочая мощность:
• крутящий момент;
• условия эксплуатации;
• техническое обслуживание.

Для обеспечения требуемой точности позиционирования часто используют комбинации способов для наиболее полного предотвращения люфтов.

Шариковинтовые передачи

Шариковинтовые передачи наиболее распространены в механизмах прецизионных систем. Технология предварительного натяга успешно справляется с появлением люфтов и создает постоянный контакт между винтом, гайкой и шариками.

Применяется несколько подходов в создании натяжения:

• Двойная гайка со смещением по оси. В этом случае две гайки стягиваются между собой, при этом шарики в каждой гайке прижимаются к одной из сторон винтовой канавки и предотвращают осевой люфт.
• Гайка с увеличенными шариками. Диаметр используемых шариков немного больше расчетного значения, применяемого для свободного качения. Возникающая упругая деформация дает необходимый натяг между деталями.
• Гайка с регулировкой. Такая гайка имеет разрез и регулировочную деталь для изменения диаметра.

Следует учитывать, что рекомендуемая степень натяга составляет 5-10% от уровня максимальной рабочей нагрузки. Малый натяг оставляет возможность появлению люфта, а перенатяжение приводит к нагреву, трению и повышенному износу деталей.

Плюсы использования шариковинтовых передач:

• точность позиционирования;
• повышение динамических качеств;
• устойчивая жесткость;
• уменьшение вибраций;
• исключение люфта относительно оси.

Возможные минусы ШВП:

• выделение тепла;
• риск сокращения срока службы при неправильном монтаже;
• повышение момента трения;
• увеличение стоимости относительно стандартных деталей.

Повышает плавность хода использование шариковинтовых передач с переменным шагом.

Волновые передачи и циклоредукторы

Эффективные волновые передачи и циклоредукторы получили распространение в аэрокосмической технике.

Циклоредуктор включает в себя эксцентриковый вал, циклоидный диск и конечный механизм с роликами. В основе работы лежит планетарное движение диска со специальным профилем.

Преимущества:

• значение люфта близко к нулю;
• выдерживает высокие нагрузки;
• обладает стойкостью к ударам и жесткостью при кручении.

В циклоредукторах часто используются конические пары зубьев для смены направления движения, что в то же время сохраняет точностные характеристики системы.

Волновые передачи включают в себя внешнее жесткое кольцо с внутренними зубьями, гибкое кольцо с внешними зубцами и прибор для создания волн. Процесс деформации мягкого колеса создает множественный контакт между зубьями.

Волновая передача изготавливается из специальных материалов и требует точной настройки перед началом работы. Этот способ часто применяется при работе роботов, малый люфт обеспечивает точное и повторяемое позиционирование.

Волновые передачи обладают большей точностью, чем циклоредукторы, но имеют меньший срок эксплуатации из-за деформации гибкого элемента.

Зубчатые механизмы

Зубчатые механизмы очень распространены в станкостроении, для прецизионных систем применяются специально разработанные безлюфтовые методы.

Распространенные способы устранения люфта:

• использование разрезных шестерен с упругим элементом, который создает противоположное движение и удаляет зазоры;
• регулирование расстояние между осями шестерен;
• применение дуплексных передач параллельного направления, но противоположного натяжения;
• установка зубьев со специальным профилем.

Необходимым условием безлюфтовой работы является высокое качество изготовления зубчатых колес и ступиц.

Планетарные передачи

Планетарные передачи отличаются компактностью и высокими передаточными значениями.

Для минимизации люфтов применяют:

• разрезные шестерни;
• конические зубчатые пары;
• предварительный натяг;
• подвижные колеса и упругие детали.

Высокоскоростные передачи включают зубчатые ремни и ступицы с калеными зубьями, что придает конструкции точность, долговечность и жесткость.

Безлюфтовые муфты

К работе муфт предъявляются высокие требования как к важной составляющей кинематических механизмов. Многочисленные соединения должны точно передавать общее движение.

Различные типы муфт имеют свои плюсы и минусы в использовании:

При выборе безлюфтовых муфт необходимо учитывать целый спектр характеристик:

• вероятность возникновения резонансов;
• максимальное значение передаваемого момента;
• жесткость к кручению;
• компенсация возможной несоосности;
• инерционные движения.

Современные технологии позволили создавать муфты с нулевым люфтом, что гарантирует точность позиционирования прецизионных механизмов.

Расчет точности безлюфтовых механизмов

На правильное позиционирование механизмов влияют показатели жесткости и точности конструкций.

При расчете жесткости во внимание берутся коэффициенты деформации составных частей и крепежных соединений.

Точность позиционирования зависит от ряда показателей:

• деформация под нагрузкой;
• отклонение позиции при измерении с разных направлений;
• влияние температуры;
• качество изготовления.

Для расчета точности применяют теоретические математические модели с последующей проверкой полученных данных экспериментальным способом.

Датчики позиционирования

Ключевую роль в механизмах точностного позиционирования играют датчики, передающие в систему управления информацию обо всех изменениях процесса. Данные необходимы для мгновенного реагирования на отклонения технологии, оперативного управления движением и синхронизации производственной линии.

Разнообразие отраслей и условий производств привело к созданию большого количества датчиков позиционирования в зависимости от конкретных условий рабочей среды и требуемых параметров.

Энкодеры — самые распространенный вид датчиков, работающий на принципе трансформации линейных перемещений в электросигнал. Магнитные энкодеры отличаются устойчивостью к неблагоприятным условиям работы, а оптические приборы дают лучшую точность и разрешающую способность.

Резольверы работают на электромагнитном принципе, обладают надежностью и способностью стабильно функционировать в экстремальных условиях: широком диапазоне температур, при вибрационных и ударных нагрузках.

Потенциометрические приборы хорошо интегрируются в аналоговые схемы, отличаются простой конструкцией и доступной стоимостью. Главный недостаток – быстрый износ металлических контактов.

Для контроля прямолинейных перемещений используют линейные датчики, работающие на изменении магнитной индукции. Хорошая точность и достаточная долговечность вместе с устойчивостью к влажности сделали их отличным выбором для гидравлических систем.

Индуктивные датчики чаще всего применяются для измерения небольших расстояний, хорошо защищены от помех и загрязненных сред.

Виды передачи обратной связи от датчиков

Датчики позиционирования передают информацию в цифровом виде, при этом вид ее получения может быть различен.

Инкрементный датчик направляет только факт изменения положения, для верной интерпретации необходимо выставлять нулевую точку. После установки питания также требуется проводить начальную настройку. Инкрементные датчики работают со всеми контроллерами линейного и углового смещения, что делает их экономически выгодными в использовании.

Абсолютные датчики показывают сведения о месте объекта в пределах одного диапазона или одного оборота. Эти приборы больше по размеру и дороже по стоимости.

Многооборотные измерительные приборы вычисляют реальное положение за несколько оборотов, например, через подсчет количества проходов нулевой метки.

Преимущества использования датчиков позиционирования

1. Точность и надежность измерений для получения данных о месте объекта в целях принятия быстрых и обоснованных решений.
2. Гибкость настройки и адаптация к различным условиям применения, в том числе при реконструкции и модернизации производства.
3. Понятная интеграция в системы управления и контроля на основе стандартизированных протоколов связи.
4. Простая и удобная настройка с помощью программного обеспечения, диагностика и быстрое решение проблем.

Сферы применения механизмов позиционирования

Механизмы позиционирования нашли свое применение во множестве промышленных отраслей и различных бытовых системах.

Главное направление — автоматизация производства, сборочных и упаковочных линий. Датчики отвечают за передвижение продукции и элементов технологического оборудования.

Роботизированные производства оснащены датчиками для контроля положений манипуляторов, точного перемещения и эффективного выполнения рабочих задач.

Автомобильная промышленность использует датчики позиционирования для обеспечения безопасности движения и определения положения деталей в целях контроля и управления.

В машиностроительной промышленности точное позиционирование требуется для бесперебойной работы станков с ЧПУ.

Медицинская техника основана на высокотехнологичном оборудовании, где требуется определение размеров и расстояний с исключительной точностью. Томографы и хирургические манипуляторы требуют внимания на каждом шаге.

Управление водоснабжением, шлюзами, трубопроводами базируется на показаниях датчиков положения.

Подъемные механизмы и лифты оснащены датчиками позиций для обеспечения безопасности людей и грузов.

Автоматизированные склады, погрузчики, краны и багажные ленты оборудованы контроллерами для бесперебойного движения товаров и грузов.

Точность положения приборов в астрономической технике важна для наведения телескопов и оптики. В космической отрасли и авиации датчики отвечают за работу солнечных батарей и систем управления полетом.