123,123,123

當(dāng)面臨需要多軸定位系統(tǒng)的運動控制應(yīng)用時，用戶通常只是簡單地堆疊各個電動平臺，事實上，對于僅需少數(shù)幾個軸的總成來說，這是一種不錯的方法。但隨著應(yīng)用變得愈發(fā)復(fù)雜，相應(yīng)的平臺堆疊結(jié)構(gòu)也是如此，包括線纜管理、支架布置等，非?，F(xiàn)實和實際的考量因素便開始顯現(xiàn)。當(dāng)遇到需要包含4、5和6軸電動平臺的高性能多軸定位系統(tǒng)的情況時，應(yīng)質(zhì)疑堆疊單個單軸平臺的傳統(tǒng)方法，并將其與基于并聯(lián)運動的固有六軸平臺設(shè)計進(jìn)行仔細(xì)比較。

兩種多軸定位系統(tǒng)方法的比較：基于六足Stewart平臺的6軸平臺并聯(lián)運動，與多個單軸平臺堆疊形成的串聯(lián)運動

l剛度。一些平臺制造商以單位力下的軸向偏差來發(fā)布剛度規(guī)格，但這對于估算平臺或堆疊結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能幾乎沒有用處。一個更相關(guān)的指標(biāo)是諧振頻率，因為它綜合了機構(gòu)的有效剛度系數(shù)及其結(jié)構(gòu)的累加質(zhì)量。（因此，知道了Fres，您就可以輕松估算出經(jīng)過良好調(diào)諧的閉環(huán)平臺可能需要的步進(jìn)/穩(wěn)定時間：大約為[3 Fres]-1）。根據(jù)我們的經(jīng)驗，大多數(shù)高質(zhì)量的傳統(tǒng)線性平臺在空載狀態(tài)下的諧振頻率約為75-120Hz。將它們堆疊起來，由此形成的結(jié)構(gòu)可能會表現(xiàn)出響應(yīng)能力顯著受限以及穩(wěn)定時間變長。

如上面圖表所示，采用萬向Z軸偏置接頭的六足位移臺結(jié)合了高剛度和高精度。此處，使用激光干涉儀測量H-811六軸平臺定位系統(tǒng)的Y軸運動，以確定線性和重復(fù)精度。對于全行程移動，RMS重復(fù)精度為±71nm，對于2mm行程則為±55nm。 X軸和Z軸的性能處于同一水平。（圖片來源： PI）

· 動態(tài)性能不一致。串聯(lián)運動多軸平臺堆疊結(jié)構(gòu)中的底部平臺承載著整個堆疊結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，依此類推，直到頂部平臺，該頂部平臺僅承載應(yīng)用負(fù)載。因此，調(diào)諧是一個費力的逐軸操作過程，每個軸都有不同的設(shè)置… 從而導(dǎo)致響應(yīng)能力各異。

· 旋轉(zhuǎn)中心點位置不靈活。堆疊式多軸定位平臺將其俯仰/偏轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)運動的中心置于每個旋轉(zhuǎn)平臺和測角儀軸承的幾何中心。雖然有時可以通過定制轉(zhuǎn)接板和夾具將這些中心排布成在空間中的期望點（例如透鏡的焦點）重合，但這需要耗費時間和精力，而且一旦應(yīng)用需求發(fā)生變化，這種方式就表現(xiàn)出靈活性上的缺乏。此外，重大變更可能會改變堆疊結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，從而必須再次對每個軸進(jìn)行重新調(diào)諧。

· 布線。電纜是運動控制中不可或缺的組成部分，對其進(jìn)行管理所需的重視程度往往超出人們的認(rèn)知。首先，電纜可能成為振動的傳導(dǎo)通道，以不明顯的方式影響整個應(yīng)用裝置。即使是選擇將電纜從隔振平臺上懸垂下來，也可能對應(yīng)用的整體穩(wěn)定性和性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。當(dāng)平臺移動時，任何被拖拽的電纜都可能導(dǎo)致寄生運動和其他誤差。即使以非拖拽方式布置，剛性電纜也可能產(chǎn)生此類問題。電纜可能斷裂、纏結(jié)和松脫，導(dǎo)致難以診斷的過早失效。通常，這些問題會隨著用戶堆疊系統(tǒng)中軸數(shù)量的增加而加劇。（所制造的堆疊有時受益于集成式電纜管理。）

· 中心孔徑。許多應(yīng)用 - 尤其是在光學(xué)領(lǐng)域 - 受益于運動堆疊的透射式結(jié)構(gòu)。這在多軸堆疊結(jié)構(gòu)中難以實現(xiàn)或根本無法實現(xiàn)。

· 尺寸、重量和脆弱性。簡而言之，堆疊系統(tǒng)在高度和質(zhì)量方面可能相當(dāng)巨大。由于底部平臺承載著整個高大堆疊的負(fù)荷，其軸承容易因意外力而發(fā)生壓痕損傷和其他損傷。除了在安裝時容易因碰撞而損壞外，這還常常需要拆卸后運輸，提高了成本和復(fù)雜度，并在重新組裝時引入不確定性。

· 正交性和寄生誤差。堆疊軸以復(fù)雜的方式相互作用；例如，X軸的跳動會在Y軸和Z軸中表現(xiàn)為非預(yù)期運動；軸的角度偏差同樣會在其他軸的行程方向上產(chǎn)生運動，其幅度與其到運動軸的距離成正比。在堆疊系統(tǒng)中，這種放大的杠桿臂效應(yīng)可能較大。

解決方案：攻克堆疊問題

這似乎有些夸張，但利用并聯(lián)運動原理可以避免所有這些問題。這類系統(tǒng)不是將全部所需的軸較高地堆疊并將工件置于頂部，而是通過三足或六足位移臺結(jié)構(gòu)并聯(lián)支撐單個工件，形成比堆疊方式更具剛性且更輕的結(jié)構(gòu)。這類系統(tǒng)的上佳范例采用不移動或移動很小的內(nèi)部電纜，并方便地集成通向控制器的電纜。可以消除用戶調(diào)校要求，同時提供可超越某些特優(yōu)單軸平臺性能的精度和準(zhǔn)確度。

當(dāng)今易用的控制裝置

在早些年，選擇這類機構(gòu)的主要障礙是以用戶友好的方式控制工件的挑戰(zhàn)，這種方式就是使用熟悉的笛卡爾坐標(biāo)（X、Y、Z、θX、θY、θZ）。這在三十年前PI推出首個六足位移臺定位系統(tǒng)后發(fā)生了改變。該儀器采用完全集成的基于工業(yè)PC的數(shù)字控制器，運行智能固件，透明地管理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程，提供全部六個自由度上未曾達(dá)到的靈活控制，并具有可編程旋轉(zhuǎn)中心點，可通過單個軟件命令設(shè)置。現(xiàn)在有多種軟件工具可用于六自由度的運動仿真和動態(tài)模式運動生成，例如用于車輛仿真以及機載平臺仿真和測試。

仿真工具允許在六足位移臺系統(tǒng)以不同方向使用或負(fù)載懸臂時，方便地計算工作空間和負(fù)載極限。防碰撞軟件可導(dǎo)入外部物體，并確?？刂破髋懦P(guān)鍵位置。

一站式，多種解決方案

這些創(chuàng)新為PI miCos龐大的并聯(lián)運動機構(gòu)陣容奠定了基調(diào)：創(chuàng)新解決方案的成本實際上可能低于六個性能相當(dāng)?shù)钠脚_的堆疊系統(tǒng)。當(dāng)今的產(chǎn)品受益于機械設(shè)計和控制工程多年來的持續(xù)進(jìn)步。我們最新的控制器集成了超現(xiàn)代的工業(yè)級實時操作系統(tǒng)，并提供諸多功能和選項如TTL運動觸發(fā)、模擬位置的波形定義、帶可選模擬輸入的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部數(shù)據(jù)記錄器以及用于集成到工廠自動化系統(tǒng)和遠(yuǎn)程訪問的高速網(wǎng)絡(luò)接口等。其完善的軟件支持包括全面的LabVIEW庫、MATLAB支持、用于設(shè)置和測試的便捷圖形用戶界面，以及適用于Windows、Linux和OS X的詳細(xì)文檔化動態(tài)庫。

兩大系列6軸并聯(lián)運動平臺

PI提供兩種基本的六自由度機構(gòu)架構(gòu)：六腿式六足位移臺和三腿平面并聯(lián)機械手。

（1）六足位移臺

六足位移臺在驅(qū)動腿上采用多種運動技術(shù)，包括有刷或無刷直流伺服電機以及高力PiezoWalk?非磁性驅(qū)動器。根據(jù)應(yīng)用需求，可采用固定式和可伸縮支柱式設(shè)計。

（2）平面并聯(lián)機械手

這些創(chuàng)新型并聯(lián)機構(gòu)采用三腳架配置的三條固定長度支腿，由三個XY驅(qū)動模塊驅(qū)動，為總成提供擴展的橫向行程。運動技術(shù)可包括壓電電機、旋轉(zhuǎn)和直線直流伺服電機以及步進(jìn)電機。

堆疊系統(tǒng)的多種用途

串聯(lián)運動平臺并無不妥。它們在許多應(yīng)用中表現(xiàn)良好，PI提供各種采用步進(jìn)電機、壓電電機和直線電機/空氣軸承的標(biāo)準(zhǔn)及定制設(shè)計。然而，當(dāng)需要4個以上自由度時，六足位移臺或混合三腳架的出眾性能值得仔細(xì)比較。 PI運動控制工程師可以幫助您評估兩種設(shè)計在您應(yīng)用中的優(yōu)勢和不足。更豐富的工具箱和具有多學(xué)科經(jīng)驗的全球團(tuán)隊的優(yōu)勢，幫助他們在與客戶咨詢時借鑒這些經(jīng)驗，選擇（或定制開發(fā)）理想解決方案，并從其他領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用中汲取靈感。

（左）基于 Q-motion壓電電機的微型 XY 旋轉(zhuǎn)平臺 (?20mm)；（右）基于步進(jìn)電機的多軸堆疊平臺

深入了解“不可能”的需求

也許它們確實不可能…或者也許只是需要一種新的方法，或者借鑒其他應(yīng)用領(lǐng)域的技巧。關(guān)鍵任務(wù)的PI技術(shù)是當(dāng)今許多尖端技術(shù)的核心，包括半導(dǎo)體制造和計量、光子封裝和測試、基因組學(xué)、單分子生物物理學(xué)和超分辨率顯微鏡。

經(jīng)驗

當(dāng)我們在20世紀(jì)80年代末和90年代初開始研發(fā)并聯(lián)運動系統(tǒng)時，這對于運動控制領(lǐng)域的許多人來說還是個新鮮事物。我們工程師的堅持不懈造就了易于使用且高度穩(wěn)定的系統(tǒng)。 PI在六足位移臺技術(shù)方面首次獲得的國際認(rèn)可最早可追溯至1995年的M-800六足位移臺系統(tǒng)。