Non importa quanto sofisticato sia il tuo controller di movimento, non potrà mai superare un sistema elettromeccanico mal progettato.

I sistemi di controllo del movimento sono costituiti da tre componenti principali: il meccanismo di posizionamento, l'elettronica di azionamento del motore e il controller di movimento. Ciascuno di questi componenti deve essere selezionato con cura, ma per ottenere i migliori risultati dal sistema, è opportuno pianificare prima il meccanismo di posizionamento. Se il meccanismo non è in grado di soddisfare i requisiti, gli azionamenti e il controller di movimento non possono compensare la differenza.

Il primo passo nella progettazione di qualsiasi sistema di movimento è descrivere e comprendere a fondo il processo. Partendo da questa descrizione, si deve creare un elenco dei parametri prestazionali dei componenti. Questo elenco include parametri di primo ordine come il numero di assi, la lunghezza della corsa di ciascun asse, la precisione del movimento (inclusa risoluzione, ripetibilità e accuratezza), la capacità di carico utile e le dimensioni fisiche delle fasi. Parametri meno ovvi ma altrettanto importanti includono vincoli o problematiche ambientali, la scelta dell'azionamento, il funzionamento in più orientamenti, la gestione dei cavi nelle configurazioni multiasse, la pianificazione del ciclo di vita e la facilità di integrazione. Una rapida analisi di questi parametri mostra che sono tutti correlati al meccanismo di posizionamento e quindi una valutazione approfondita di questi componenti è fondamentale per il successo del progetto.

L'applicazione definirà se la piattaforma di posizionamento è lineare, rotativa o incorpora una combinazione di piattaforme in un sistema multiasse. Anche in applicazioni monoasse piuttosto semplici, ci sono molte considerazioni da tenere in considerazione. I carichi sono un aspetto fondamentale di questo profilo, poiché fattori come il peso del carico utile e l'offset (baricentro) possono influire notevolmente sui requisiti di movimento. Si considerino i pesi tipici e massimi del carico, nonché la distanza massima e minima che la piattaforma deve percorrere, le velocità di spostamento richieste e l'accelerazione.

È importante considerare il tavolino come parte integrante del sistema più ampio. Il modo in cui il tavolino è montato e la struttura di montaggio, ad esempio, hanno un impatto significativo sulle prestazioni del tavolino e sulla sua capacità di soddisfare le specifiche. Ad esempio, in un'applicazione di ispezione ad alta velocità in cui i campioni oscillano rapidamente avanti e indietro sotto una telecamera, un tavolino di posizionamento lineare dovrebbe essere montato su una struttura in grado di resistere all'"effetto scuotimento della vernice" del carico in movimento. Analogamente, un tavolino lineare a lunga corsa selezionato per un'elevata precisione di planarità deve essere montato su una superficie adeguatamente piana per evitare distorsioni dovute al fatto che il tavolino si adatta a una superficie non piana.

Quando si definiscono le specifiche della piattaforma, si considerino anche i requisiti di durata del sistema. Se i requisiti cambiano durante il ciclo di vita della macchina, il sistema potrebbe uscire dalla tolleranza della piattaforma di posizionamento e ciò potrebbe compromettere la precisione, la produttività e l'affidabilità della macchina. Come per qualsiasi componente mobile, le capacità di posizionamento possono variare con l'uso prolungato. Assicurarsi che la piattaforma sia dimensionata per soddisfare i requisiti di movimento per tutta la durata di vita prevista della macchina.

Altri fattori che influenzano l'ingombro totale del sistema includono le dimensioni e i vincoli ambientali. È necessario considerare sia i vincoli dimensionali orizzontali che quelli verticali. I fattori che possono influenzare l'ingombro totale del sistema includono la presenza di componenti meccanici di azionamento esterni o interni e la gestione del cablaggio. I vincoli ambientali possono includere applicazioni in camera bianca, in cui le parti mobili della macchina devono generare poche particelle, o ambienti sporchi, dove le particelle ambientali possono causare un attrito eccessivo all'interno dello stadio e influire sull'affidabilità e sulle prestazioni. La temperatura di esercizio è un fattore ambientale chiave che può influire notevolmente sulle prestazioni dello stadio. Una variazione di temperatura di soli due o tre gradi può causare un'espansione sufficiente a modificare la tolleranza dello stadio.

Molte applicazioni richiedono un movimento multiasse. In un sistema multiasse, le fasi devono essere impilate per il movimento in diverse direzioni. Un sistema di ispezione di wafer di silicio, ad esempio, potrebbe dover fornire un movimento lineare.XEYmovimento e rotazionethetaIn tali sistemi, è importante considerare come la geometria influenzi le tolleranze nel resto del sistema. Ad esempio, con due stadi impilati uno sopra l'altro, lo stadio superiore può flettersi a fine corsa. La flessione dello stadio superiore è funzione del carico a sbalzo sullo stadio inferiore. Questa flessione deve essere tenuta in considerazione oppure si deve considerare una configurazione diversa. Il produttore dello stadio deve assicurarsi che le specifiche degli stadi impilati soddisfino i requisiti dell'applicazione.

Nei sistemi a più stadi, la gestione dei cavi può diventare un problema logistico e di affidabilità. I ​​cavi vengono spesso trascurati, ma possono influire sulla durata, sulla geometria e sulle prestazioni del sistema. Rivolgetevi al produttore del sistema per soluzioni di cablaggio innovative. Queste potrebbero includere l'integrazione interna dei cavi per ridurre lo sfregamento e la resistenza, o l'utilizzo di un'unica interfaccia esterna per cavi anziché connettori esterni per una maggiore flessibilità.

La scelta del sistema di azionamento è un elemento chiave. I due tipi di azionamento più comuni sono gli azionamenti a vite a sfere e quelli a motore lineare. Gli azionamenti a vite a sfere sono economici e di facile utilizzo. Grazie allo smorzamento naturale, sono facili da controllare e possono essere facilmente dotati di un freno. D'altro canto, l'attrito meccanico può rendere difficile mantenere una velocità costante. In alcune condizioni, come temperature o umidità estreme, il passo della vite a sfere può variare e influire sulla precisione. Se gli effetti termici rappresentano un problema, potrebbe essere necessario un encoder lineare o una piattaforma con motore lineare potrebbe essere una scelta migliore.

I sistemi di trasmissione per motori lineari sono costituiti da una pista magnetica e da un gruppo di bobine. La pista magnetica è tipicamente fissa e consiste in una serie di magneti permanenti montati su un substrato in acciaio. Il gruppo di bobine contiene tutti gli avvolgimenti in rame e in genere si monta sul carrello scorrevole. Alcuni stadi di motori lineari hanno i magneti permanenti sul carrello scorrevole per semplificare il cablaggio, ma la lunghezza dei magneti limita la corsa di questi sistemi.

Gli azionamenti con motore lineare sono in genere più indicati per carichi da leggeri a moderati in applicazioni ad alta velocità, a velocità costante o a lunga corsa. Gli azionamenti con motore lineare offrono corse molto più lunghe rispetto alle trasmissioni a vite a sfere, poiché non cedono all'aumentare della lunghezza della corsa. Possono offrire un migliore controllo della velocità, ma l'elettronica a bobina mobile e l'encoder lineare rendono più complessa la gestione dei cavi. Inoltre, gli azionamenti lineari di grandi dimensioni sono più pesanti e possono diventare costosi con l'aumentare della lunghezza della corsa e delle dimensioni del magnete.

Un fattore importante nella scelta del tipo di azionamento è la capacità di arresto e l'orientamento di montaggio. Gli azionamenti con motore lineare si muovono liberamente senza alimentazione, mentre gli azionamenti con vite a sfere sfruttano l'attrito per smorzare il movimento. Questo è particolarmente importante nelle applicazioni in cui l'azionamento deve essere montato verticalmente. Poiché uno stadio con motore lineare è praticamente privo di attrito, una perdita di potenza causerà la caduta libera del carrello. Inoltre, la forza di gravità deve sempre essere superata, il che comporta un'elevata richiesta di forza continua sul motore. Gli azionamenti con vite a sfere sono più adatti per applicazioni verticali, poiché i motori lineari possono surriscaldarsi rapidamente se azionati verticalmente o potrebbero richiedere un contrappeso.

La scelta di un motore può anche comportare dei compromessi. I comuni motori rotativi sono l'opzione meno costosa, ma aumentano i requisiti di spazio del sistema di azionamento. I motori lineari occupano meno spazio ma sono più costosi perché hanno più magneti rispetto a un motore rotativo e richiedono un encoder lineare. Gli stadi azionati da vite a sfere possono utilizzare encoder lineari, ma gli encoder rotativi sul motore e sulla vite a sfere spesso funzionano altrettanto bene e costano meno. Esistono anche dei compromessi associati all'utilizzo di motori passo-passo o servomotori. I motori passo-passo sono meno costosi, ma i servomotori offrono migliori prestazioni ad alta velocità.

Un'opzione per uno stadio con vite a sfere è un motore frameless. Un motore frameless è un motore brushless standard integrato nello stadio. I magneti del rotore sono collegati direttamente all'albero della vite a sfere e gli avvolgimenti dello statore sono integrati all'estremità dello stadio. Questa configurazione elimina l'accoppiatore del motore, con un conseguente risparmio di diversi centimetri di spazio. L'assenza dell'accoppiatore riduce l'isteresi e l'avvolgimento della connessione motore-vite a sfere, migliorando le prestazioni. I produttori di stadi dovrebbero fornire la propria competenza su motori ed encoder per contribuire a definire la migliore soluzione complessiva per l'applicazione.

Una volta compresi gli aspetti meccanici ed elettrici del movimento del sistema e selezionate le fasi, è possibile definire i dettagli del sistema di controllo. Un sistema di controllo dovrebbe essere compatibile con l'elettronica di azionamento, con particolare attenzione al fatto che non tutti gli azionamenti forniscono informazioni di feedback sui propri connettori. Idealmente, il controllore dovrebbe interfacciarsi direttamente con i segnali dei trasduttori e degli attuatori senza hardware aggiuntivo. Il controllore dovrebbe inoltre avere prestazioni sufficienti per chiudere i loop di controllo entro le velocità di trasmissione dati naturali del sistema, o per coordinare simultaneamente il movimento di più assi di movimento secondo necessità.