Определение кинематики и системы управления станка, которые соответствуют техническим требованиям проекта и его бюджету, может оказаться сложной задачей да
же для опытного покупателя. Высокое качество в промышленном производстве часто зависит от контроля за точностью перемещения рабочего инструмента станка. Состоящая из кинематических, электронных и программных решений, мехатронная платформа является базисом всего процесса производства. Многие покупатели могут легко оценить удобство работы с универсальным решением, однако, выбор специализированного зачастую более соответствует перспективным технологическим требованиям.
Подобный выбор зачастую не представляется простым и однозначным. Необходимо на начальном этапе определиться с пониманием компромиссов, на которые придется пойти. Стоит упомянуть несколько факторов, которые определят конечный выбор.
Универсальные решения гораздо проще реализовать с помощью набора стандартных компонентов. К ним можно отнести двигатели, компоненты обратной связи, контроллеры, сервоусилители. Такие компоненты не требуют использования специализированного оборудования при их интеграции. Как правило, при этом применяются высокоуровневые среды программирования, позволяющие минимизировать усилия приведения интерфейсов человека-машинного взаимодействия (HMI) в соответствие со спецификой заказчика. Зачастую эта особенность и делает проект реализуемым в принципе, если исходить из разумных сроков разработки. Универсальные решения строятся на базе знаний известных сообществ (таких как PLCopen, например) и имеют широкую базу стандартизованных программных компонентов, отработанных ведущими фирмами - производителями программных продуктов. К плюсам универсального решения можно отнести возможность использования различных кинематических схем, таких как роботы-манипуляторы, триподы или гексаподы. Минусом можно признать только ограниченную точность работы, достижимую на данный момент. Однако, потенциальные возможности для ее увеличения в будущем, все-таки присутствуют.
Специализированные решения отличаются более глубокой проработкой отдельных элементов системы управления. Для управления движением, например, доступен частотный анализ; специализированные языки программирования нужны для полноценной реализации интерполяции сплайнами траектории движения. Для того, чтобы реализовать возможности системы управления, зачастую необходимо применение дорогостоящих линейных двигателей с немагнитными якорями, линейных сервоусилителей (без ШИМ). Конечно, все эти программные и аппаратные компоненты дают неоспоримое преимущество в точности позиционирования и программной реализации заданной траектории движения. Построение на базе специализированного решения многокоординатной машины имеет ряд ограничений. Система управления, как правило, западного производства и ограничивается 4-х координатной интерполяцией, что делает невозможным разработку полноценных 5D систем.

Точность можно определить как различие между положением в пространстве, определенным устройствами обратной связи с положением, измеренным с помощью внешнего устройства. На точность влияют устройства обратной связи (энкодеры), механизм привода (ШВП или линейный двигатель) и кинематическая система (прямолинейность направляющих и взаиморасположение осей).
Устройство обратной связи характеризуется разрешением - дискретой минимального перемещения. Теоретическое значение может и должно превышать практическое, недостижимое из-за трения компонентов привода, температурного расширения и геометрических погрешностей изготовления компонентов. Разрешение является неизменной характеристикой системы и определяется характеристиками устройства обратной связи.
Повторяемость определяется как диапазон значений положения, полученных, когда система направляется в одну и ту же позицию в одинаковых условиях.
Однонаправленная повторяемость измеряется путем перемещения точки в одном направлении, люфт или гистерезис при этом игнорируются. Двунаправленная повторяемость измеряет способность системы перемещать точку в обоих направлениях. Она должна учитывать не только люфт и гистерезис, измеряемые энкодером, но также трение и угловую ошибку по расстоянию, измеряемые внешними устройствами (например, интерферометром) в реальных условиях.
Существует много факторов, влияющих на способность линейной оси позиционироваться точно в трехмерном пространстве. Данные спецификации оси отражают способность позиционироваться только в направлении перемещения. Эти значения не могут быть приняты как реперезентативные , когда ось работает как часть сборки в многоосевой конфигурации. В этом случае возникают дополнительные факторы, вызывающие ошибки по положению в трехмерном пространстве:

1. Ошибка Абби. Ошибка смещения, вызванная угловым отклонением оптической оси в направлении движения от направления отсчета энкодера. Зависит от угла отклонения и расстояния перемещения. (Можно определить как разницу между гипотенузой и прилежащим к углу отклонения катетом).
2. Прямолинейность. Отклонение от линии перемещения в перпендикулярном направлении (противолежащий катет). Вызывает возникновение ошибки в перепендикулярной оси сборки.
3. Плоскостность (или вертикальная прямолинейность). Отклонение от линии, перпендикулярной плоскости двух осей.
4. Уклон. Ошибка, вызванная вращением оси в горизонтальной плоскости, перепендикулярной направлению перемещения.
5. Вращение. Ошибка, вызванная вращением оси в горизонтальной плоскости, параллельной направлению перемещения.
6. Отклонение. Ошибка, вызванная вращением оси в вертикальной плоскости, перепендикулярной направлению перемещения.
7. Ошибка гистерезиса определяется как разница между актуальной и командной позицией, вызванная силами растяжения в нежестких соединениях. Влияет на повторяемость во время двунаправленного движения.
8. Люфт - ошибка, вызванная зазорами в механических элементах привода. Проявляется во время перемены направления движения.
9. Ошибка энкодера, вызванная такими причинами, как неоднородность делений шкалы энкодера, несовершенная работа фото или магнитного детектора, ошибки интерполяции, шумы электроники, температурное расширение шкалы энкодера.
10. Ортогональная ошибка, вызванная отклонением от прямого угла соединения перпендикулярных осей.
11. Ошибки базы вызываются неровностью базовой плоскости станины, лежащей в основании станка.
12. Консольная ошибка возникает из-за массы элементов конструкции, закрепленных консольно на основании.

Существует много факторов, влияющих на способность поворотных осей реализовывать командные движения с минимальными ошибками. Помимо ошибок гистерезиса, люфта, ошибок энкодера, ошибок базовой плоскости, также влияющих на точность поворотных осей, можно рассмотреть подробней и ряд специфических

1. Осевая ошибка вызывается изменением положения оси относительно идеальной оси вращения, связанной с идеальной базовой плоскостью. Определяется зависимостью отклонения от угла поворота.
2. Ошибку вращения можно определить как отклонение поверхности вращения, измеренное индикатором относительно неподвижной плоскости. Вызывается ошибками установки и (или) неровностью самой поверхности вращения. Иначе можно назвать ошибкой округлости.
3. Полную ошибку вращения, измеряемую индикатором, можно разложить на синхронную и асинхронную ошибки
4. Синхронная ошибка вращения определяют на целом числе оборотов, как возникающие периодически
5. Асинхронная ошибка определяется как возникающая непериодически. Может быть вычислена, как разница между измеренной индикатором и периодической, возникающей на данной дискрете поворота оси.
6. Погрешность наклона - ошибка, выраженная углом отклонения оси вращения от идеальной оси вращения.
7. Осевая ошибка вызывается перемещением вала двигателя в направлении оси вращения.
8. Радиальная ошибка измеряется в направлении, перпендикулярном оси вращения.
9. Ошибка гистерезиса, люфт и ошибки энкодера и базы вызваны теми же причинами, что и для линейных осей.
10. Ошибка нагрузки возникает при закреплении детали на поворотной оси. Величина отклонения зависит от массы груза и структурной прочности конструкции. Допустимая нагрузка определяется производителем.

Лазерный интерферометр представляет собой основное средство для прецизионного контроля мехатронных систем. Комбинация высокого разрешения и выдающейся точности, вместе с широким набором дополнительных принадлежностей и программных средств, позволяют выявить большинство проблем, связанных с геометрией и устройствами обратной связи кинематической системы. Лазерный интерферометр имеет высокостабилизированный источник лазерного излучения и прецизионную оптику, для точного измерения дистанций и угловых отклонений. Процедура поверки и юстировки мехатронной системы начинается с закрепления оптики системы интерферометра непосредственно на неподвижных и движущихся частях оборудования. Коррекции подлежат геометрические отклонения от прямолинейности и показания энкодера. Программный способ коррекции отклонений от прямолинейности можно использовать только после исчерпания возможностей механической, ограниченной погрешностями измерений угловых отклонений интерферометра или других метрологических систем на основе лазера.
Точность интерферометра в вакууме достигает +/- половине миллионной доли длины волны используемого лазера, стабильность частоты излучения
лазера +/- 50 нм на метр. Однако, в большинстве случаев, контроль и коррекция мехатронной системы производится в атмосферных условиях и их точность деградирует под воздействием условий окружающей среды.
Современные метрологические системы обладают набором датчиков и программным обеспечением, которые эффективно корректируют изменения длины волны лазерного источника в зависимости от температуры, влажности и атмосферного давления. Но они никак не компенсируют механическую вибрацию и турбулентность воздуха. Ошибки от механической вибрации могут быть минимизированы только конструктивно, путем разработки кинематической системы с собственной частотой колебаний по крайней мере, не менее 100 Гц или выше. Потому, что влияние имеет не только вибрация в производственном помещении, но и вибрация, создаваемая перемещением подвижных частей оборудования под воздействием частот системы управления. Кроме того, при перемещении подвижной части линейного привода по направляющим, имеющим отклонения от прямолинейности, создаются дополнительные колебания в плоскости, перпендикулярной направлению перемещения. И чем выше динамика, тем сложнее получить высокоточные детали.
Термальный градиент вдоль пути лазерного луча, создаваемый перемешиванием воздуха, вместе с ошибками преломления, вызываемого неоднородностью воздушной среды и пылью, устраняются путем расположения мехатронной системы в помещении со специальными условиями. Необходимо, по возможности, герметизировать помещение и обеспечить максимальную температурную стабильность при минимальной влажности.
Коррекция линейных перемещений, механическая или программная коррекция поперечных отклонений геометрически взаимосвязаны. Поэтому изменение одной величины приводит к изменению остальных. Таким образом, процесс коррекции отклонений является итеративным, при котором существует проблема идентификации факторов, влияющих на точность. Среди них - люфт линейных подшипников, перемещающихся по направляющим и изменение геометрических размеров станины станка вследствие компенсации механических напряжений.
С учетом всех современных требований, лучшим выбором является конструкция на гранитном основании и использование аэростатических подшипников. Гранит, после соответствующей обработки, имеет превосходные геометрические характеристики, неизменные во времени и низкий ТКР. Современные технологии и компоненты позволяют надежно закреплять на его поверхности любые необходимые детали. Высокая плоскостность позволяет значительно уменьшить ошибку Абби, высокая твердость минимизирует динамические вибрации. Аэростатические подшипники даже отечественного производства позволяют добиваться точности в пределах 0,2-0,3 мкм.
  Менее очевидным источником ошибок является результат совместного влияния среды и механического размещения оптики. Это так называемая ошибка мертвого пути, которая вызывается частью луча, некомпенсированной программными средствами. Пока часть оптики интерферометра движется, электроника рассчитывает и компенсирует преломление луча в воздухе под воздействием факторов окружающей среды. Мертвый путь - это дистанция, которую лазерный луч проходит вне относительного перемещения оптики. И эта дистанция остается нескорректированной. Эта ошибка также усугубляется нелинейностью оптики интерферометра и погрешностями ее выравнивания при установке.
  Единственным верным критерием для оценки точности является контрольная резка деталей и замер их геометрических размеров на специальных измерительных стендах. Только после получения финальных значений, можно произвести окончательную программную коррекцию криволинейной системы координат.

При работе большинства видов технологического промышленного оборудования, решается задача воспроизведения механического движения с заданной траекторией и параметрами. При этом существует два типа задач: позиционная и контурная. При позиционировании происходит переезд из одной точки в другую с максимально возможной точностью и минимальное время. Такой вид движения реализуется, например, в сборочных автоматах, сверлильных станках. При решении контурной задачи необходимо воспроизвести траекторию с заданной скоростью и минимальным отклонением по положению. Это реализуется, например, в оборудовании для контурного раскроя листовых материалов, в металлообрабатывающих станках.
Большая часть воспроизводимых механических движений носит прямолинейный характер, либо складывается из совокупности линейных движений. Вместе с тем, существуют и круговые движения – шпиндельные узлы, поворотные столы. Традиционный способ получения линейных движений заключается в преобразовании вращательного движения в поступательное. В системе привода применяется круговой электродвигатель и один из механических преобразователей: шарико-винтовая пара, реечная передача, зубчатый ремень.
Этим устройствам преобразования присущи следующие недостатки: низкая точность, из-за люфта в передаче и неточности изготовления элементов, низкая надёжность и нестабильность точностных параметров, что обусловлено механическим износом элементов, пониженные скоростные и динамические характеристики. Последний фактор вызван тем, что инерционность линейно подвижной части механизма, приведенная к моменту инерции вращающихся элементов, составляет от последних 3-5%. Т.е. основная мощность привода расходуется на разгон и торможение ротора двигателя. Это обстоятельство приводит к завышению установленной мощности преобразователей, увеличению их стоимости и энергопотребления. Тем не менее, достичь желаемых динамических характеристик, зачастую, не удаётся. В итоге точность и производительность оборудования, построенного на таких системах, получается невысокой. Кроме того, ограничены функциональные возможности.
Кардинальное решение изложенных выше проблем возможно за счёт применения линейных двигателей (ЛД), реализующих прямой электропривод без преобразования видов движения. Это позволяет создавать технологическое оборудование с существенно улучшенными эксплуатационными характеристиками, а, зачастую, и новыми свойствами.
Наибольший технико-экономический эффект достигается при производстве оборудования в котором нет механической реакции рабочего инструмента, либо она мала. Это, например, комплексы обработки листовых материалов, реализующие лазерную, плазменную, газокислородную, гидроабразивную, электроэрозионную технологии, а так же – тонкое фрезерование и прецизионную механическую резку. Данные технологии предусматривают решение контурной задачи при воспроизведении заданного движения. Возможна реализация целого ряда позиционных систем: сборочные автоматы, устройства контроля и измерения, станки лазерного высокоскоростного сверления, например, печатных плат.
Применение ЛД в промышленном оборудовании, где сила реакции рабочего инструмента существенна, например, привод подачи металлорежущих станков, менее предпочтительно. Это обусловлено тем, что в прямом приводе, который реализует ЛД, нет механической редукции усилия, поэтому ЛД должен преодолевать реакцию инструмента в полной мере, причём в длительном режиме. Тем не менее, наибольшее распространение в мировой практике на протяжении последнего десятилетия ЛД получили именно в металлорежущих станках. Вероятно, это связано с существенностью достигаемого положительного эффекта и большим объёмом производства оборудования данного вида. При этом сохраняется тенденция постоянного увеличения в общем количестве доли станков на ЛД во всем мире.

Как правило, зарубежные производители стараются обеспечить равномерное распределение мощности по площади пятна на выходе лазерного источника. Имеется в виду, конечно, проекция лазерного луча на перпендикулярную плоскость. Мера эта представляется отчасти вынужденной, поскольку сохранить первозданную юстировку после перевозки за несколько тысяч километров не представляется возможным. И здесь появляется интересная возможность для отечественных производителей лазерных источников и специалистов, которые не побоятся настроить дорогостоящий прибор под свои задачи. А именно, при юстировке источника необходимо формировать ярко выраженный керн, который будет весьма полезен при обработке тугоплавких материалов. При нужном формировании диаграммы направленности излучения на фокусирующей линзе, удается повысить скорость обработки тугоплавких материалов примерно вдвое при прочих равных условиях. К примеру, скорость скрайбирования керамики достигает 200 мм/сек на каждые 100 Вт выходной мощности. Впрочем, для достижения этого результата, прочие равные условия, как-то коллимирующие устройства, также имеют немалое значение.