I settori dell'elettronica, dell'ottica, dell'informatica, dell'ispezione, dell'automazione e del laser richiedono specifiche diverse per i sistemi di posizionamento.Nessun sistema è adatto a tutti.

Per garantire che un sistema di posizionamento ad alta precisione funzioni in modo ottimale, i componenti che lo costituiscono (cuscinetti, sistema di misurazione della posizione, sistema motore-azionamento e controllore) devono lavorare tutti insieme nel miglior modo possibile per soddisfare i criteri dell'applicazione.

Base e cuscinetto

Per decidere la configurazione ottimale del sistema, è necessario considerare innanzitutto la parte meccanica. Per gli stadi lineari, queste sono le quattro opzioni di progettazione più comuni per la base e i cuscinetti:
• Base e slitta in alluminio con guide a cuscinetti a sfera imbullonate.
• Base in alluminio o acciaio e fianchi in alluminio o acciaio con quattro blocchi di cuscinetti a rulli a ricircolo su guide in acciaio.
• Base e slitta in ghisa Meehanite con guide a cuscinetti a rulli integrate.
• Guide in granito con slitta in granito o ghisa e cuscinetti ad aria.

L'alluminio è più leggero della meehanite o dell'acciaio, ma meno rigido, meno stabile, meno resistente agli urti e meno in grado di sopportare sollecitazioni. Inoltre, l'alluminio è molto più sensibile alle variazioni di temperatura. La ghisa è il 150% più rigida dell'alluminio e offre una capacità di smorzamento delle vibrazioni superiore del 300%. L'acciaio è durevole e più resistente del ferro. Tuttavia, è soggetto a risonanze prolungate, che compromettono la velocità di movimento e di assestamento.

Le guide in granito con cuscinetti ad aria offrono la combinazione più rigida e durevole. Il granito può essere lucidato per ottenere planarità e rettilineità nell'ordine del submicron. Lo svantaggio di un tavolo in granito è che, a causa della massa del granito, occupa uno spazio maggiore e pesa di più rispetto a un sistema di posizionamento in acciaio o ferro. Tuttavia, poiché non vi è contatto tra i cuscinetti e le superfici di guida in granito, non si verifica usura e i cuscinetti ad aria sono in gran parte autopulenti. Inoltre, il granito presenta eccellenti caratteristiche di smorzamento delle vibrazioni e stabilità termica.

Inoltre, il design del tavolo stesso è importante per le sue prestazioni complessive. I tavoli sono disponibili in diverse configurazioni, da unità assemblate con bulloni e composte da numerose parti a semplici basi e guide in fusione. L'utilizzo di un unico materiale per l'intero tavolo generalmente garantisce una risposta più uniforme alle variazioni di temperatura, con conseguente maggiore precisione del sistema. Elementi come le nervature forniscono smorzamento, consentendo un rapido assestamento.

Le guide integrate presentano un vantaggio rispetto alle guide imbullonate, in quanto anche dopo un lungo periodo di tempo non richiedono alcuna regolazione del precarico.

I cuscinetti a rulli incrociati presentano un contatto lineare tra rullo e pista di rotolamento, mentre i cuscinetti a sfere hanno un contatto puntiforme. Questo generalmente si traduce in un movimento più fluido per i cuscinetti a rulli. La deformazione (e l'usura) della superficie di rotolamento è minore e l'area di contatto è maggiore, quindi il carico viene distribuito in modo più uniforme. I carichi standard vanno da 4,5 a 14 kg/rullo, con un'elevata rigidità meccanica di circa 150-300 Newton/micron. Tra gli svantaggi si annovera l'attrito intrinseco dovuto al contatto lineare.

La piccola area di contatto che limita l'attrito del cuscinetto a sfere, tuttavia, ne limita anche la capacità di carico. I cuscinetti a rulli hanno generalmente una durata maggiore rispetto ai cuscinetti a sfere. Tuttavia, i cuscinetti a rulli costano di più.

Le dimensioni standard dei tavoli di un produttore includono lunghezze da 25 a 1.800 mm e larghezze di scorrimento da 100 a 600 mm.

Una configurazione con cuscinetti ad aria è costituita da cuscinetti di sollevamento e di guida precaricati da cuscinetti ad aria contrapposti o da magneti in terre rare ad alta forza incorporati negli elementi di guida. Questa progettazione senza contatto evita l'attrito tipico di altri tipi di cuscinetti. Inoltre, i cuscinetti ad aria non sono soggetti a usura meccanica. Possono inoltre essere distanziati ampiamente. In questo modo, gli errori geometrici risultanti vengono mediati, producendo deviazioni angolari inferiori a 1 secondo d'arco e una rettilineità migliore di 0,25 micron su 200 mm.

È difficile fornire valori numerici precisi, poiché dipendono da molti fattori. Ad esempio, la precisione di posizionamento dipende non solo dai cuscinetti o dalle guide, ma anche dal sistema di misurazione della posizione e dal controllore. L'attrito in un sistema di posizionamento dipende non solo dal sistema di azionamento scelto, ma anche dalla regolazione dei cuscinetti, dalla tenuta del piano di lavoro, dalla lubrificazione e così via. Pertanto, i valori esatti raggiungibili dipendono in larga misura dalla combinazione di tutti i componenti, che a sua volta dipende dall'applicazione.

Sistema di azionamento

Tra i numerosi tipi di sistemi di azionamento — cinghia, cremagliera e pignone, vite senza fine, vite a ricircolo di sfere di precisione e motore lineare — solo gli ultimi due vengono presi in considerazione per la maggior parte dei sistemi di posizionamento ad alta precisione.

I sistemi di azionamento a vite a ricircolo di sfere sono disponibili in una vasta gamma di risoluzioni, precisione e caratteristiche di rigidità, e possono fornire velocità elevate (superiori a 250 mm/sec). Tuttavia, poiché il funzionamento di un sistema a vite a ricircolo di sfere è limitato dalla velocità di rotazione critica della vite, velocità più elevate richiedono un passo inferiore, con conseguente minore vantaggio meccanico e un motore di maggiore potenza. Ciò di solito implica il passaggio a un motore di maggiore potenza con una tensione di bus più elevata. I sistemi di azionamento a vite a ricircolo di sfere, sebbene ampiamente utilizzati, possono anche essere soggetti a gioco meccanico, torsione, errori ciclici di passo e attrito. Un altro aspetto spesso trascurato è la rigidità dell'accoppiamento meccanico che collega il motore al sistema di azionamento.

Con il servomotore lineare, la forza elettromagnetica agisce direttamente sulla massa mobile senza alcun collegamento meccanico. Non vi è isteresi meccanica né errore ciclico di passo. La precisione dipende interamente dal sistema di cuscinetti e dal sistema di controllo a retroazione.

La rigidità dinamica indica la capacità di un sistema servoassistito di mantenere la posizione in risposta a un carico impulsivo. In generale, una maggiore larghezza di banda e un guadagno più elevato garantiscono una maggiore rigidità dinamica. Questa può essere quantificata dividendo il carico impulsivo misurato per la distanza di deflessione:

Rigidità dinamica = ΔF/ΔX

L'elevata rigidità e l'alta frequenza naturale si traducono in un eccellente comportamento del servomotore con tempi di assestamento ridotti. La slitta reagisce rapidamente ai comandi di cambio di posizione poiché non vi è alcun collegamento meccanico tra motore e slitta. Inoltre, poiché non vi è alcuna "risonanza" della vite a ricircolo di sfere, è possibile ottenere tempi di movimento e di assestamento rapidi.

Un motore lineare senza spazzole è costituito da un gruppo di magneti permanenti fissato alla base della macchina e da un gruppo di bobine fissato alla slitta. Tra il gruppo di bobine e i magneti viene mantenuto uno spazio di circa 0,5 mm. Non vi è alcun contatto fisico tra i due gruppi.

Il nucleo del gruppo bobina mobile ospita una serie di bobine di rame sovrapposte e isolate. Queste sono avvolte con precisione e progettate per il funzionamento trifase. Una serie di sensori ad effetto Hall viene utilizzata per la commutazione elettronica. La progettazione dell'elettronica di commutazione garantisce un movimento con ondulazioni di forza trascurabili. Poiché la commutazione è elettronica e non meccanica, si elimina il rischio di archi elettrici.

Queste caratteristiche rendono un servomotore lineare utile in applicazioni che richiedono un'accelerazione elevata (ad esempio 2,5 m/sec² o superiore), un'alta velocità (ad esempio 2 m/sec o superiore) o un controllo preciso della velocità, anche a velocità molto basse (ad esempio solo pochi mm/sec). Inoltre, un tale motore non necessita di lubrificazione o altra manutenzione e non è soggetto a usura. Come per qualsiasi altro motore, a causa della dissipazione del calore, il valore efficace della forza o della corrente continua non deve superare i valori ammissibili per lunghi periodi.

È possibile trovare servomotori lineari con forze di azionamento continue da 25 a oltre 5.000 N. La maggior parte dei motori di grandi dimensioni è dotata di raffreddamento ad aria o ad acqua. È possibile collegare più motori lineari in parallelo o in serie per ottenere forze di azionamento maggiori.

Poiché non esiste un collegamento meccanico tra motore e slitta, non si verifica alcuna riduzione meccanica come nel caso di una vite a ricircolo di sfere. Il carico viene trasferito al motore con un rapporto 1:1. Con un azionamento a vite a ricircolo di sfere, l'inerzia del carico sulla slitta rispetto al motore viene ridotta dal quadrato del rapporto di riduzione. Questo rende l'azionamento lineare a motore meno adatto ad applicazioni con frequenti variazioni di carico, a meno che non si scelga un controllore programmabile con diversi set di parametri di controllo del motore corrispondenti a carichi diversi, per ottenere un'efficace compensazione del servomotore.

Per molte applicazioni verticali, una vite a ricircolo di sfere è più semplice ed economica: il motore lineare, infatti, deve essere alimentato in modo continuo per contrastare la forza di gravità. Inoltre, un freno elettromeccanico può bloccare la posizione del piano di lavoro in caso di interruzione di corrente. È comunque possibile utilizzare un motore lineare, a condizione di compensare la posizione del motore e del carico con una molla, un contrappeso o un cilindro pneumatico.

In termini di costo iniziale, non vi è molta differenza tra un azionamento a motore lineare e un azionamento a vite a ricircolo di sfere, che comprende motore, giunti, cuscinetti, supporti per cuscinetti e vite a ricircolo di sfere. In generale, un motore lineare a spazzole è leggermente più economico di un azionamento a vite a ricircolo di sfere, mentre le versioni brushless sono solitamente un po' più costose.

Oltre al costo iniziale, bisogna considerare altri fattori. Un confronto più realistico include la manutenzione, l'affidabilità, la durata e i costi di sostituzione, manodopera compresa. In questo ambito, il motore lineare si dimostra vantaggioso.

La seconda parte tratterà i sistemi di misurazione della posizione.