知識科普

　　龍門平臺(機械結構)

　　龍門結構介紹

　　龍門結構通俗地說一根橫梁連接兩個支腿與地面緊固組成的像一個門框一樣的結構。是運動平臺中的一種常見結構。這種結構可以使上端軸上安裝執行機構(如拾取和放置機構，相機等)從上端接近被加工件。

　　通常，龍門結構有單驅動單反饋、雙驅動單反饋、雙驅動雙反饋以及極少使用的單驅動雙反饋。

　　不同架構對比

　　單驅單反

　　單驅單反架構采用單電機驅動單柵尺反饋，其性能低、成本低、技術難度低，適用于一些追求性價比的場景。

　　由于電機驅動位置遠離偏擺中心，因此通常會激起橫梁的偏擺模態。

　　由于測量位置遠離偏擺中心，導致即無法把力分配到偏擺中心，也無法測量偏擺中心的位移，從而限制了系統帶寬的提升，降低了動態性能。

　　這種架構的龍門通常會采用直線導軌滑塊進行支撐，導軌的摩擦力使其無法實現較好的重復性。

　　單驅單反頻率響應函數

　　Q

　　怎樣提高單驅單反龍門的性能?

　　提高連接剛性、減輕橫梁質量!

　　橫梁的偏擺模態取決于剛度與質量的比，“提剛減重”后這個比值會提高，從而提高動態性能。剛度提高后，導軌摩擦力導致的變形會減小，重復性能也隨之提高。但由于自身結構的限制這種提高也是有限的。

　　雙驅單反

　　這種結構與單驅單反相比，在橫梁的另外一側多了一個電機。兩個電機合力，理論上可以做到不激起偏擺模態。但通常情況下橫梁軸會存在運動負載，導致質心位置和振型不斷變化，在不改變電機發力比的情況下總會略微激起偏擺模態。當柵尺位于遠離質心位置，其振型分量較大，可能會影響到動態性能。

　　Q

　　怎樣提高雙驅單反龍門的性能?

　　高剛度低質量

　　盡量把柵尺布局在偏擺中心位置

　　雙驅雙反

　　雙驅雙反架構一般出現在高性能龍門當中，比雙驅單反多了一條反饋柵尺。有了雙反饋就可以通過控制算法把龍門軸和偏擺軸進行解耦控制，而不是把單電機作為一個軸來控制。

　　把兩個柵尺的均值或某個加權值作為龍門軸的反饋，把偏擺角度作為偏擺軸的反饋，兩個軸獨立進行控制。這種反饋方式相當于其測量點位于偏擺中心附近，其模態振型分量幾乎為0，能夠極大的提高動態性能。

龍門軸頻率響應函數

偏擺軸頻率響應函數

　　剛性連接設計中重要考慮因素

　　01

　　兩端剛性固定，橫梁長度是固定/被完全限制

　　環境溫度變化時，橫梁熱脹冷縮。

　　安裝在橫梁上的移動軸通過橫梁散發運動產生熱量。隨著橫梁長度的變化(越長越顯著)，龍門軸上的摩擦力增加，橫梁可能產生彎曲和扭轉。

　　02

　　兩個直線導軌的機械調整

　　導軌的安裝精度：導軌在安裝時不可避免會存在細微的誤差，若兩個導軌不平行，會導致它們在行程中摩擦不均勻，影響伺服性能，并且需要比需求計算更高的電機驅動力。

　　導軌的安裝誤差會隨著龍門的增大而增大，因此如果龍門很大，為達到所需精度，其基本結構會非常昂貴，甚至無法達到。

　　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、龍門尺寸等。

　　03

　　雙編碼器時的剛性連接

　　使用兩個編碼器，可以提供偏擺誤差(兩個電機的位置區別)到控制器。

　　編碼器尺帶的安裝精度：同直線導軌一樣，編碼器尺帶在安裝時會存在誤差;同時，尺帶本身也存在一定的誤差，導致和軸承偏差類似的效果。

　　此時，控制器將嘗試控制兩個電機到命令位置，如果尺帶誤差和橫梁長度完全約束，為了減小各自的位置錯誤，控制器將輸出非常高的電流到電機，以至于伸展、彎曲或扭曲橫梁。兩個電機將彼此“打架”，導致設備不穩定和較高的電機持續力。

　　解決方案

　　通常，我們會用一個控制器進行誤差補償，來匹配另一編碼器的讀數。這種情況下，橫梁會使龍門軸自然“放松”適應(龍門軸電機之間沒有打架現象)，但這并不意味著偏擺誤差為零。

　　事實上，在剛性龍門結構上是不可能實現零偏擺誤差，除非機械安裝(平行度、直線度、平面度等)是完美的。

　　04

　　柔性連接

　　允許一側在偏擺方向有一定的自由度;另一側，在橫梁方向和偏擺旋轉上允許自由平移。柔性連接需要兩個驅動器，這些控制組件會更昂貴，但能夠用軟件控制來彌補機械方面的不足。

　　如何選擇合適的龍門結構

　　龍門架構的選擇通常需要綜合考慮性能需求、制造成本以及技術難度等因素。

　　當追求低成本、適中性能時，可選擇單驅單反架構龍門，比如某些3D打印機;

　　當追求高性能時應當選擇雙驅單反甚至雙驅雙反架構，比如半導體行業相關的設備。

　　Akribis龍門平臺

　　VRG-II 龍門平臺

　　Akribis多軸精密平臺-VRG系列是多功能的龍門平臺，反饋采用非接觸式的光學編碼器，擁有高峰值推力與持續推力，響應時間快，可以應用在高速取放，自動化組裝，點膠等高精度行業。