I settori dell'elettronica, dell'ottica, dei computer, dell'ispezione, dell'automazione e dei laser richiedono specifiche diverse per i sistemi di posizionamento.Nessun sistema è giusto per tutti.

Per garantire che un sistema di posizionamento ad alta precisione funzioni in modo ottimale, i componenti che compongono il sistema (cuscinetti, sistema di misurazione della posizione, sistema motore-azionamento e controller) devono lavorare tutti insieme nel miglior modo possibile per soddisfare i criteri applicativi. .

Base e cuscinetto

Per decidere la configurazione ottimale del sistema, considerare innanzitutto la parte meccanica del sistema. Per i palcoscenici lineari, queste sono le quattro scelte comuni di progettazione di base e cuscinetti:
• Base e guida in alluminio con guide a sfere Bolton.
• Base in alluminio o acciaio e sponda in alluminio o acciaio con quattro pattini a ricircolo di rulli su guide in acciaio.
• Base e guida in ghisa Meehanite con guide a rulli integrali.
• Guide in granito con pattino 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 resistente alle sollecitazioni. Inoltre l’alluminio è molto più sensibile alle variazioni di temperatura. La ghisa è del 150% più rigida dell'alluminio e del 300% migliore nello smorzamento delle vibrazioni. L'acciaio è durevole e più resistente del ferro. Tuttavia, soffre di uno squillo prolungato, che è dannoso per i tempi di movimento e di stabilizzazione rapidi.

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

Inoltre, il design del tavolo stesso è importante per le prestazioni complessive del tavolo. I tavoli sono disponibili in una varietà di configurazioni, dalle unità imbullonate con molte parti alle semplici basi e scivoli in fusione. L'uso di un materiale in tutta la tavola fornisce generalmente una risposta più uniforme alle variazioni di temperatura, portando ad un sistema più accurato. Caratteristiche come le nervature forniscono uno smorzamento che consente un rapido assestamento.

Le guide integrali hanno il vantaggio rispetto alle guide imbullonate in quanto, anche dopo molto tempo, non è necessaria alcuna regolazione delle guide per il precarico.

I cuscinetti a rulli incrociati hanno un contatto lineare tra rullo e pista, mentre i cuscinetti a sfere hanno un contatto puntuale tra sfera e pista. Ciò generalmente si traduce in un movimento più fluido per i cuscinetti a rulli. La deformazione superficiale (e l'usura) sulla superficie di rotolamento è inferiore e l'area di contatto è maggiore, quindi il carico viene distribuito in modo più uniforme. Carichi fino a 4,5 - 14 kg/rullo sono standard, insieme ad un'elevata rigidità meccanica di circa 150 - 300 Newton/micron. Gli svantaggi includono l'attrito intrinseco derivante dal contatto della linea.

La piccola area di contatto che limita l'attrito del cuscinetto a sfere, però, 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 del tavolo di un produttore includono una lunghezza da 25 a 1.800 mm e una larghezza della guida da 100 a 600 mm.

Una configurazione di cuscinetti ad aria è costituita da cuscinetti di sollevamento e guida precaricati da cuscinetti d'aria opposti o da magneti in terre rare ad alta forza incorporati negli elementi di guida. Questo design senza contatto evita l'attrito di altri modelli di cuscinetti. Inoltre, i cuscinetti ad aria non subiscono usura meccanica. Inoltre, i cuscinetti ad aria possono essere ampiamente distanziati. Pertanto, viene calcolata la media degli errori geometrici risultanti, producendo deviazioni angolari inferiori a 1 secondo di arco e rettilineità migliore di 0,25 micron su 200 mm.

I valori numerici sono difficili da fornire poiché dipendono da molti fattori. La precisione di posizionamento, ad esempio, non dipende 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 della tavola, dalla lubrificazione e così via. Pertanto i valori esatti che possono essere raggiunti dipendono molto dalla combinazione di tutti i componenti, che a sua volta dipende dall'applicazione.

Sistema di guida

Dei numerosi tipi di sistemi di azionamento (cinghia, pignone e cremagliera, vite di comando, vite a ricircolo di sfere rettificata di precisione e motore lineare) solo gli ultimi due sono considerati per la maggior parte dei sistemi di posizionamento ad alta precisione.

Le unità con vite a ricircolo di sfere sono disponibili in una gamma di caratteristiche di risoluzione, precisione e rigidità e possono fornire velocità elevate (superiori a 250 mm/sec). Tuttavia, poiché la trasmissione a ricircolo di sfere è limitata dalla velocità di rotazione critica della vite, una velocità maggiore richiede un passo inferiore, con un vantaggio meccanico inferiore e un motore di maggiore potenza. Ciò di solito significa passare a un azionamento del motore più potente con una tensione del bus più elevata. Le viti a ricircolo di sfere, sebbene ampiamente utilizzate, possono anche soffrire di gioco meccanico, avvolgimento, errori ciclici di passo e attrito. Viene inoltre trascurata la rigidità dell'accoppiamento meccanico che unisce motore e azionamento.

Con il servomotore lineare, la forza elettromagnetica impegna direttamente la massa in movimento senza alcun collegamento meccanico. Non vi è alcuna isteresi meccanica o errore ciclico del passo. La precisione dipende interamente dal sistema di cuscinetti e dal sistema di controllo del feedback.

La rigidità dinamica indica quanto bene un servosistema mantiene la posizione in risposta a un carico impulsivo. In generale, una maggiore larghezza di banda e un guadagno più elevato forniscono una maggiore rigidità dinamica. Ciò può essere quantificato dividendo il carico impulsivo misurato per la distanza di deflessione:

Rigidità dinamica = ΔF/ΔX

L'elevata rigidità e l'elevata frequenza propria si traducono in un eccellente comportamento del servo con tempi di assestamento brevi. La slitta reagisce rapidamente ai comandi di modifica della posizione perché non esiste un collegamento meccanico tra motore e slitta. Inoltre, poiché non vi è alcun “suono” della vite a ricircolo di sfere, è possibile ottenere tempi di movimento e assestamento rapidi.

Un motore lineare brushless è costituito da un gruppo magnete permanente fissato alla base della macchina e da un gruppo bobina fissato alla slitta. Tra il gruppo bobina 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. Questi sono avvolti e inclinati di precisione per il funzionamento trifase. Per la commutazione elettronica viene utilizzata una serie di sensori ad effetto Hall. Il design dell'elettronica di commutazione fornisce al movimento un'ondulazione di forza trascurabile. Poiché la commutazione è elettronica anziché meccanica, l'arco di commutazione viene eliminato.

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

È possibile ottenere servomotori lineari con forze di azionamento continue da 25 a oltre 5.000 N. La maggior parte dei motori più grandi 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 più elevate.

Poiché non vi è alcun collegamento meccanico tra motore e slitta, non vi è alcuna riduzione meccanica come avviene con una vite a ricircolo di sfere. Il carico viene trasferito al motore in un rapporto 1:1. Con una trasmissione a vite a ricircolo di sfere, l'inerzia del carico sulla slitta verso il motore viene ridotta del quadrato del rapporto di riduzione. Ciò rende l'azionamento del motore lineare meno adatto per applicazioni con frequenti variazioni di carico, a meno che non si scelga un controller programmabile con diversi set di parametri di controllo del motore corrispondenti a carichi diversi per ottenere una servocompensazione efficace.

Per molte applicazioni verticali, una vite a ricircolo di sfere è più semplice ed economica: il motore lineare deve essere continuamente energizzato per compensare la gravità. Inoltre, un freno elettromeccanico può bloccare la posizione del tavolo quando l'alimentazione è spenta. È possibile utilizzare un motore lineare, tuttavia, se si compensa il motore e si carica il peso con una molla, un contrappeso o un cilindro pneumatico.

In termini di costo iniziale, c'è poca differenza tra un azionamento con motore lineare e un azionamento con vite a ricircolo di sfere che comprende motore, giunti, cuscinetti, blocchi cuscinetto e vite a ricircolo di sfere. In generale, un motore lineare a spazzole è leggermente più economico di un azionamento con vite a ricircolo di sfere, mentre le versioni senza spazzole sono generalmente un po’ più costose.

C'è altro da considerare oltre al costo iniziale. Un confronto più realistico include manutenzione, affidabilità, durata e costi di sostituzione, compresa la manodopera. Qui, il motore lineare si mostra bene.

La parte 2 riguarderà i sistemi di misurazione della posizione.