Non importa quanto sofisticato sia il tuo controller di movimento, non può 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 attenzione, ma per ottenere i migliori risultati dal sistema, 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 fare la differenza.

Il primo passo nella progettazione di qualsiasi sistema di movimento è descrivere e comprendere appieno il processo. Crea un elenco dei parametri prestazionali dei componenti da questa descrizione. Questo elenco include parametri di primo ordine come numero di assi, lunghezza della corsa di ciascun asse, precisione del movimento (incluse risoluzione, ripetibilità e accuratezza), capacità di carico utile e dimensione fisica delle fasi. Parametri meno ovvi ma ugualmente importanti includono vincoli o sfide ambientali, selezione dell'azionamento, funzionamento in più orientamenti, gestione dei cavi in ​​configurazioni multiasse, pianificazione della durata e facilità di integrazione. Un rapido esame 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 fase di posizionamento è lineare, rotativa o incorpora una combinazione di fasi in un sistema multiasse. Anche nelle applicazioni ad asse singolo abbastanza semplici, ci sono molte considerazioni da fare. I carichi sono un aspetto vitale di questo profilo, poiché problemi come il peso del carico utile e l'offset (centro di gravità) possono avere un impatto drammatico sui requisiti di movimento. Considerare i pesi di carico tipici e massimi, nonché la distanza massima e minima che la piattaforma deve percorrere, le velocità di viaggio richieste e l'accelerazione.

È importante considerare il palcoscenico come parte integrante di un sistema più ampio. Il modo in cui è montato il palco e la struttura di montaggio, ad esempio, hanno un impatto drammatico sulle prestazioni del palco e sulla 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, una piattaforma di posizionamento lineare dovrebbe essere montata su una struttura in grado di resistere all'effetto "scuotivernice" del carico in movimento. Allo stesso modo, un tavolino lineare a corsa lunga selezionato per un'elevata precisione di planarità deve essere montato su una superficie adeguatamente piana per evitare distorsioni dal tavolino che si conforma a una superficie non piana.

Considerare anche i requisiti di durata del sistema quando si definiscono le specifiche della fase. Se i requisiti cambiano nel corso della vita della macchina, il sistema potrebbe uscire dalla tolleranza della fase di posizionamento e peggiorare la precisione, la produttività e l'affidabilità della macchina. Come per qualsiasi componente mobile, le capacità di posizionamento possono cambiare con l'uso prolungato. Assicurarsi che il tavolino sia dimensionato per soddisfare i requisiti di movimento per tutta la vita utile prevista della macchina.

Altre influenze includono le dimensioni e i vincoli ambientali del sistema. Considera i vincoli dimensionali sia orizzontali che verticali. I fattori che possono influenzare l'ingombro totale del sistema includono se la meccanica dell'azionamento è esterna o interna e il modo in cui viene gestito il cablaggio. I vincoli ambientali possono includere applicazioni in camere bianche, in cui le parti mobili della macchina devono generare poche particelle, o ambienti sporchi, in cui le particelle ambientali possono causare un attrito eccessivo all'interno del palco e influire sull'affidabilità e sulle prestazioni. La temperatura operativa è un problema ambientale chiave che può influenzare notevolmente le prestazioni sul palco. Un cambiamento di temperatura di soli due o tre gradi può causare un'espansione sufficiente a modificare la tolleranza dello stadio.

Molte applicazioni richiedono il movimento su più assi. In un sistema multiasse, i palchi devono essere impilati per il movimento in direzioni diverse. Un sistema di ispezione di wafer di silicio, ad esempio, potrebbe dover fornire prestazioni lineariXEYmovimento che rotatorioteta. In tali sistemi, è importante considerare in che modo la geometria influisce sulle tolleranze nel resto del sistema. Ad esempio, con due livelli impilati uno sopra l'altro, il livello superiore può deviarsi alle estremità della sua corsa. La deflessione del piano superiore è una funzione del carico a sbalzo sul piano inferiore. È necessario tenere conto di questa flessione oppure prendere in considerazione una configurazione diversa. Il produttore dei palchi dovrebbe garantire che le specifiche dei palchi impilati soddisfino i requisiti dell'applicazione.

Nei sistemi a più stadi, la gestione dei cavi può diventare un problema di logistica e affidabilità. I cavi sono spesso trascurati ma possono influenzare la durata, la geometria e le prestazioni del sistema. Rivolgiti al produttore del palco per soluzioni di cablaggio innovative. Questi potrebbero includere l'integrazione dei cavi internamente per ridurre lo sfregamento e il trascinamento o l'utilizzo di un'unica interfaccia per cavo esterno anziché connettori per cavo esterni per una maggiore flessibilità.

La decisione sull'unità di sistema è un elemento chiave. I due tipi di azionamento più comuni sono gli azionamenti con vite a ricircolo di sfere e i motori lineari. Gli azionamenti con vite a ricircolo di sfere sono economici e facili da capire. Grazie allo smorzamento naturale, sono facili da controllare ed è possibile aggiungere facilmente un freno. D’altra parte, l’attrito meccanico può rendere difficile il mantenimento di una velocità costante. In alcune condizioni, come temperature o umidità estreme, il passo della vite a ricircolo di sfere può cambiare e influire sulla precisione. Se gli effetti termici rappresentano un problema, potrebbe essere necessario un encoder lineare oppure uno stadio con motore lineare potrebbe essere una scelta migliore.

Le trasmissioni di motori lineari sono costituite da un binario magnetico e da un gruppo bobina. La traccia magnetica è tipicamente stazionaria ed è costituita da una serie di magneti permanenti montati su un substrato di acciaio. Il gruppo bobina contiene tutti gli avvolgimenti in rame e generalmente viene montato sul carrello dello stadio scorrevole. Alcuni stadi di motori lineari sono dotati di magneti permanenti sul gruppo del carrello scorrevole come mezzo per semplificare il cablaggio, ma la lunghezza del magnete limita la corsa di questi sistemi.

Gli azionamenti per motori lineari sono in genere ideali per carichi da leggeri a moderati in applicazioni ad alta velocità, velocità costante o con corse lunghe. Gli azionamenti con motori lineari hanno una capacità di corsa molto più lunga rispetto alle trasmissioni con viti a ricircolo di sfere perché non si abbassano all'aumentare della lunghezza della corsa. Possono fornire un migliore controllo della velocità, ma la bobina mobile e l'elettronica dell'encoder lineare rendono la gestione dei cavi più complessa. Inoltre, gli azionamenti lineari di grandi dimensioni sono più pesanti e possono diventare costosi con l’aumento della lunghezza della corsa e delle dimensioni del magnete.

Una considerazione importante nella scelta del tipo di azionamento è la capacità di arresto e l'orientamento di montaggio. Gli azionamenti dei motori lineari si muovono liberamente senza alimentazione, mentre gli azionamenti con viti a ricircolo di sfere hanno l'attrito per smorzare il movimento. Ciò 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 farà cadere liberamente il carrello. Inoltre, la forza di gravità deve essere sempre superata, il che impone al motore un notevole fabbisogno di forza continua. Gli azionamenti con vite a ricircolo di sfere sono più adatti per le applicazioni verticali, poiché i motori lineari possono surriscaldarsi rapidamente se eseguiti in verticale o potrebbero richiedere un contrappeso.

La scelta di un motore può anche comportare dei compromessi. I comuni motori rotativi rappresentano 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 di un motore rotativo e richiedono un encoder lineare. Gli stadi azionati da viti a ricircolo di sfere possono utilizzare encoder lineari, ma gli encoder rotativi sul motore e sulla vite a ricircolo di sfere spesso funzionano altrettanto bene e costano meno. Esistono anche dei compromessi associati all'utilizzo di motori passo-passo o servomotori. Gli stepper sono meno costosi ma i servomotori hanno prestazioni migliori ad alta velocità.

Un'opzione per un palco con vite a ricircolo di sfere è un motore senza telaio. Un motore frameless è un motore brushless standard integrato nel palco. I magneti del rotore sono collegati direttamente all'albero della vite a ricircolo di sfere e gli avvolgimenti dello statore sono integrati all'estremità dello stadio. Questa configurazione elimina l'accoppiatore del motore, risparmiando diversi centimetri di spazio. L'assenza dell'accoppiatore riduce l'isteresi e l'avvolgimento del collegamento motore-vite a ricircolo di sfere, migliorando le prestazioni. I produttori di palcoscenici dovrebbero fornire competenze su motori ed encoder per aiutare a definire la migliore soluzione totale per l'applicazione.

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