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浅谈XY显微镜载物台中步进电机和直线电机的区别

作者:admin  时间:2022-9-2 14:24:43

步进电机和直线电机都是电动位移台和显微镜电动平台的主流技术,直线电机又称为直流电机,具有精度更高、重复性好,速度更快、运行更稳定的特点。步进电机也称为步进马达,一般采用传统的丝杠驱动,技术成熟,相对于直线电机而言,步进电机性价比高,适用于一些对精度要求没有那么高的应用。

ADR直线电机载物台提供无与伦比的长期可靠性。它们在要求苛刻的高吞吐量的成像应用中经过数百万次循环的现场验证。非接触式电机和编码器100% 免维护,超大交叉滚子轴承可最大限度地延长使用寿命。

 

步进电机和直线电机在参数性能上的总结:

规格

此参数为什么重要?

ASR(步进电机)

ADR(直线电机)

最小增量移动

小动作可实现快速、精细的位置调整

< 0.47 μm

50 nm

最大速度

更大的最大速度可实现更快的扫描以提高吞吐量

65 mm/s - 85 mm/s

750 mm/s

精度(单向)

当从同一方向接近两个位置时,在任意两个位置之间移动时可能出现的最大误差。

12 µm - 80 µm 由于丝杠误差的累积,精度随着行程长度的增加而降低。

5μm

重复精度

能够从同一方向多次返回目标位置。高重复性确保一致的定位,以最大限度地提高结果的一致性。

< 2 μm

< 0.5 µm

使用寿命

数百万次循环的长使用寿命确保了连续、高通量应用的高度可靠运行。

随着驱动部件随着时间的推移而磨损,精度会降低。以最大速度长时间运行会加速磨损。

不受以最大速度和长时间操作的影响

工作噪音

静音操作有利于人们长时间与操作台共享空间。

速度会产生相关噪声

在任何速度下几乎无声运行

 

Zaber 的X-ADR-AE 直线电机 XY 显微镜载物台与传统的螺杆驱动载物台相比,性能有了飞跃。该平台非常适合对速度、准确性和可靠性至关重要的高通量成像应用。

 

直线电机的主要好处包括:

- 使用 1 nm 分辨率的线性编码器实现高精度 (5 µm) 和可重复性 (0.5 µm),通过最大限度地减少所需的图像重叠来提高吞吐量

- 高可靠性、100% 免维护的驱动和反馈系统在数百万次循环后像新的一样运行

- 750 mm/s 的最高速度和超光滑的交叉滚子轴承缩短了扫描时间,以最大限度地减少稳定时间

- 近乎静音的操作非常适合安静的实验室环境

- 集成µManager兼容控制器可节省工作台空间并简化布线

 

X-ADR-AE 电动XY显微镜载物台提供 130 mm x 100 mm 行程、单微孔板或 250 mm x 100 mm 行程双微孔板型号,以减少样品更换。两种型号都与最常见的尼康和奥林巴斯倒置显微镜以及光学面包板兼容。多种载物台插件可用于微孔板、培养皿和多达 8 个载玻片。

集成控制器仅需要一根 5 mm 柔性额定电缆,从而简化设置并节省宝贵的工作台空间。借助对µManager显微镜软件和 Zaber 直观的Zaber Motion Library API的全面支持,可以轻松实现复杂扫描任务的自动化。数字输入和输出支持使用外部系统和设备进行低延迟事件驱动触发。

 

步进电机和直线电机的X轴,Y轴行程

XY载物台行程通常由被成像样品的大小决定。对于单个载玻片、培养皿或微孔板,120 mm x 100 mm 的行程就足够了。305 mm x 305 mm 载物台可容纳多达6个标准微孔板,以获得最长的离开时间。

目标

推荐的XY载物台行程

1 x petri dish 培养皿

ASR 120 mm x 100 mm
ADR 130 mm x 100 mm

1 x slide 玻片

ASR 120 mm x 100 mm
ADR 130 mm x 100 mm

4 x slide 玻片

ASR 120 mm x 100 mm
ADR 130 mm x 100 mm
ADR 250 mm x 100 mm

8 x slide 玻片

ADR 250 mm x 100 mm

1 x microplate微孔板

ASR 120 mm x 100 mm
ADR 130 mm x 100 mm

2 x microplate微孔板

ASR 205 mm x 205 mm
ADR 250 mm x 100 mm

3 - 6 x microplate微孔板

ASR 305 mm x 305 mm

表 1:针对不同目标的推荐 XY显微镜载物台

图1:X-ASR和X-ADR系载物台与标准微孔板的平台的行程比较

 

步进电机和直线电机的精度(准确度)Accuracy

精度(Accuracy准确度)是指位移台位置的报告位置与真实位置之间可能的最大差异。随着X-ASR步进电机平台行程的增加,可能的最大误差也会增加。X-ADR直线电机驱动平台的精度保持不变,无论其行程如何。高精度有利于图像拼接应用,因为它可以减少图像之间的重叠,从而加快扫描时间。使用低失真光学器件,如果精度优于单个像素的大小,就不需要图像拼接算法。

 

重复精度Repeatability

重复精度是衡量一个平台在同一方向的多个运动周期中返回同一位置的准确程度。ADR显微镜载物台的直线马达提供了卓越的重复精度,使其在重复任务中的表现更加稳定。

X-ADR系列显微镜载物台使用直接编码器来测量它们的位置,使它们能够微调它们的定位以补偿外力。X-ADR编码器的1纳米分辨率使其能够检测到载物台的振动,这可能会使在高倍率下捕获的图像变得模糊。当振动稳定在目标阈值以下时,位移台可以输出一个IO触发信号,与等待任意的稳定时间相比,提高了吞吐量。

X-ASR系列平移台使用电机编码器来检测步进电机因外力或超过推力极限而出现的打滑或失速。检测滑移或失速导致预定和实际显微镜载物台位置之间的差异,可以采取纠正措施,并防止由于样品定位不准确而产生错误的结果。

图2:精度是以预期和实际目标位置的最大可能差异来衡量的。这显示为A点和B点之间的距离。X-ASR系列显微镜载物台比直线马达驱动的X-ADR显微镜载物台显示更大的定位误差。

 

速度Speed

直线电机驱动的 X-ADR 平台能够以高达 750 mm/s 的速度移动,而步进电机驱动的 X-ASR 平台的最大速度为 85 mm/s。

对于载物台必须完全稳定以捕捉清晰图像的高倍率成像,X-ADR载物台支持闭环伺服控制,相对于 X-ASR 系列而言,稳定时间和循环时间更短。 X-ADR平移台可以检测它们何时稳定在目标阈值以下并自动触发图像采集,从而消除了任意稳定延迟的需要,进一步缩短了周期时间并提高了吞吐量。

 

XY载物台型号

驱动

96孔扫描时间

384 孔扫描时间

X-ADR

Linear Motor

< 12 seconds

< 46 seconds

X-ASR

Stepper Motor

< 19 seconds

< 58 seconds

表2:最短的扫描时间是指用100倍的物镜穿越标准微孔板的时间,在每个孔上停留并捕获25微秒的曝光。扫描时间将因相机、荧光体、成像参数、照明波长和物镜选择的不同而逐一变化。XY载物台的使用寿命将取决于XY载物台的负载、速度和加速度。高速度下的高负荷将导致步进电机平台部件的磨损增加。

 

连续的高吞吐量操作Continuous high-throughput operation

在高速平板扫描过程中,反复的短距离高加速度运动会导致X-ASRXY载物台的导螺杆和导螺母的机械磨损加剧。更高的负载和更大的加速度会使预期寿命从0.3N时的9500万次减少到1.3N时的1500万次。X-ADR系列XY位移台由于是直接驱动XY位移台(没有导螺杆或导螺母),所以推荐用于需要在最大速度和推力下长时间操作的应用。此外,其较高的最大速度使循环时间更快,而其直接驱动的设计大大延长了使用寿命。

 

其他因素Other considerations

直线电机X-ADR级与X-ADR步进电机级相比,具有明显的 "寿命质量 "优势。它们几乎是无声的,这使它们成为实验室的理想选择,因为它们将在与人共享的空间中长期连续运行。在没有电源的情况下,直线马达XY位移台可以自由移动,用于快速粗略定位或为浸入式物镜涂油。步进电机X-ASR载物台在无电源时不允许自由运动。

 

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