知識(shí)科普

　　龍門(mén)平臺(tái)(機(jī)械結(jié)構(gòu))

　　龍門(mén)結(jié)構(gòu)介紹

　　龍門(mén)結(jié)構(gòu)通俗地說(shuō)一根橫梁連接兩個(gè)支腿與地面緊固組成的像一個(gè)門(mén)框一樣的結(jié)構(gòu)。是運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的一種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以使上端軸上安裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如拾取和放置機(jī)構(gòu)，相機(jī)等)從上端接近被加工件。

　　通常，龍門(mén)結(jié)構(gòu)有單驅(qū)動(dòng)單反饋、雙驅(qū)動(dòng)單反饋、雙驅(qū)動(dòng)雙反饋以及極少使用的單驅(qū)動(dòng)雙反饋。

　　不同架構(gòu)對(duì)比

　　單驅(qū)單反

　　單驅(qū)單反架構(gòu)采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)單柵尺反饋，其性能低、成本低、技術(shù)難度低，適用于一些追求性價(jià)比的場(chǎng)景。

　　由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)位置遠(yuǎn)離偏擺中心，因此通常會(huì)激起橫梁的偏擺模態(tài)。

　　由于測(cè)量位置遠(yuǎn)離偏擺中心，導(dǎo)致即無(wú)法把力分配到偏擺中心，也無(wú)法測(cè)量偏擺中心的位移，從而限制了系統(tǒng)帶寬的提升，降低了動(dòng)態(tài)性能。

　　這種架構(gòu)的龍門(mén)通常會(huì)采用直線導(dǎo)軌滑塊進(jìn)行支撐，導(dǎo)軌的摩擦力使其無(wú)法實(shí)現(xiàn)較好的重復(fù)性。

　　單驅(qū)單反頻率響應(yīng)函數(shù)

　　Q

　　怎樣提高單驅(qū)單反龍門(mén)的性能?

　　提高連接剛性、減輕橫梁質(zhì)量!

　　橫梁的偏擺模態(tài)取決于剛度與質(zhì)量的比，“提剛減重”后這個(gè)比值會(huì)提高，從而提高動(dòng)態(tài)性能。剛度提高后，導(dǎo)軌摩擦力導(dǎo)致的變形會(huì)減小，重復(fù)性能也隨之提高。但由于自身結(jié)構(gòu)的限制這種提高也是有限的。

　　雙驅(qū)單反

　　這種結(jié)構(gòu)與單驅(qū)單反相比，在橫梁的另外一側(cè)多了一個(gè)電機(jī)。兩個(gè)電機(jī)合力，理論上可以做到不激起偏擺模態(tài)。但通常情況下橫梁軸會(huì)存在運(yùn)動(dòng)負(fù)載，導(dǎo)致質(zhì)心位置和振型不斷變化，在不改變電機(jī)發(fā)力比的情況下總會(huì)略微激起偏擺模態(tài)。當(dāng)柵尺位于遠(yuǎn)離質(zhì)心位置，其振型分量較大，可能會(huì)影響到動(dòng)態(tài)性能。

　　Q

　　怎樣提高雙驅(qū)單反龍門(mén)的性能?

　　高剛度低質(zhì)量

　　盡量把柵尺布局在偏擺中心位置

　　雙驅(qū)雙反

　　雙驅(qū)雙反架構(gòu)一般出現(xiàn)在高性能龍門(mén)當(dāng)中，比雙驅(qū)單反多了一條反饋柵尺。有了雙反饋就可以通過(guò)控制算法把龍門(mén)軸和偏擺軸進(jìn)行解耦控制，而不是把單電機(jī)作為一個(gè)軸來(lái)控制。

　　把兩個(gè)柵尺的均值或某個(gè)加權(quán)值作為龍門(mén)軸的反饋，把偏擺角度作為偏擺軸的反饋，兩個(gè)軸獨(dú)立進(jìn)行控制。這種反饋方式相當(dāng)于其測(cè)量點(diǎn)位于偏擺中心附近，其模態(tài)振型分量幾乎為0，能夠極大的提高動(dòng)態(tài)性能。

龍門(mén)軸頻率響應(yīng)函數(shù)

偏擺軸頻率響應(yīng)函數(shù)

　　剛性連接設(shè)計(jì)中重要考慮因素

　　01

　　兩端剛性固定，橫梁長(zhǎng)度是固定/被完全限制

　　環(huán)境溫度變化時(shí)，橫梁熱脹冷縮。

　　安裝在橫梁上的移動(dòng)軸通過(guò)橫梁散發(fā)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱量。隨著橫梁長(zhǎng)度的變化(越長(zhǎng)越顯著)，龍門(mén)軸上的摩擦力增加，橫梁可能產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。

　　02

　　兩個(gè)直線導(dǎo)軌的機(jī)械調(diào)整

　　導(dǎo)軌的安裝精度：導(dǎo)軌在安裝時(shí)不可避免會(huì)存在細(xì)微的誤差，若兩個(gè)導(dǎo)軌不平行，會(huì)導(dǎo)致它們?cè)谛谐讨心Σ敛痪鶆?，影響伺服性能，并且需要比需求?jì)算更高的電機(jī)驅(qū)動(dòng)力。

　　導(dǎo)軌的安裝誤差會(huì)隨著龍門(mén)的增大而增大，因此如果龍門(mén)很大，為達(dá)到所需精度，其基本結(jié)構(gòu)會(huì)非常昂貴，甚至無(wú)法達(dá)到。

　　解決方案

　　大多剛性安裝軸承仍有一些較小的柔性度，在所需方向上允許一些偏差。但其性能最終還是取決于加工精度、軸承間隙、龍門(mén)尺寸等。

　　03

　　雙編碼器時(shí)的剛性連接

　　使用兩個(gè)編碼器，可以提供偏擺誤差(兩個(gè)電機(jī)的位置區(qū)別)到控制器。

　　編碼器尺帶的安裝精度：同直線導(dǎo)軌一樣，編碼器尺帶在安裝時(shí)會(huì)存在誤差;同時(shí)，尺帶本身也存在一定的誤差，導(dǎo)致和軸承偏差類似的效果。

　　此時(shí)，控制器將嘗試控制兩個(gè)電機(jī)到命令位置，如果尺帶誤差和橫梁長(zhǎng)度完全約束，為了減小各自的位置錯(cuò)誤，控制器將輸出非常高的電流到電機(jī)，以至于伸展、彎曲或扭曲橫梁。兩個(gè)電機(jī)將彼此“打架”，導(dǎo)致設(shè)備不穩(wěn)定和較高的電機(jī)持續(xù)力。

　　解決方案

　　通常，我們會(huì)用一個(gè)控制器進(jìn)行誤差補(bǔ)償，來(lái)匹配另一編碼器的讀數(shù)。這種情況下，橫梁會(huì)使龍門(mén)軸自然“放松”適應(yīng)(龍門(mén)軸電機(jī)之間沒(méi)有打架現(xiàn)象)，但這并不意味著偏擺誤差為零。

　　事實(shí)上，在剛性龍門(mén)結(jié)構(gòu)上是不可能實(shí)現(xiàn)零偏擺誤差，除非機(jī)械安裝(平行度、直線度、平面度等)是完美的。

　　04

　　柔性連接

　　允許一側(cè)在偏擺方向有一定的自由度;另一側(cè)，在橫梁方向和偏擺旋轉(zhuǎn)上允許自由平移。柔性連接需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，這些控制組件會(huì)更昂貴，但能夠用軟件控制來(lái)彌補(bǔ)機(jī)械方面的不足。

　　如何選擇合適的龍門(mén)結(jié)構(gòu)

　　龍門(mén)架構(gòu)的選擇通常需要綜合考慮性能需求、制造成本以及技術(shù)難度等因素。

　　當(dāng)追求低成本、適中性能時(shí)，可選擇單驅(qū)單反架構(gòu)龍門(mén)，比如某些3D打印機(jī);

　　當(dāng)追求高性能時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇雙驅(qū)單反甚至雙驅(qū)雙反架構(gòu)，比如半導(dǎo)體行業(yè)相關(guān)的設(shè)備。

　　Akribis龍門(mén)平臺(tái)

　　VRG-II 龍門(mén)平臺(tái)

　　Akribis多軸精密平臺(tái)-VRG系列是多功能的龍門(mén)平臺(tái)，反饋采用非接觸式的光學(xué)編碼器，擁有高峰值推力與持續(xù)推力，響應(yīng)時(shí)間快，可以應(yīng)用在高速取放，自動(dòng)化組裝，點(diǎn)膠等高精度行業(yè)。