I settori dell'elettronica, dell'ottica, dei computer, dell'ispezione, dell'automazione e del laser richiedono specifiche diverse per i sistemi di posizionamento.Non esiste un sistema adatto a tutti.

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

Base e cuscinetto

Per decidere la configurazione ottimale del sistema, è necessario considerare innanzitutto la parte meccanica del sistema. Per le piattaforme lineari, queste sono le quattro scelte progettuali più comuni per base e cuscinetti:
• Base e slitta in alluminio con guide a sfere Bolton.
• Base in alluminio o acciaio e fianchi in alluminio o acciaio con quattro pattini a rulli ricircolanti su guide in acciaio.
• Base e slitta in ghisa Meehanite con guide a rulli integrate.
• Guide in granito con pattini 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 il 150% più rigida dell'alluminio e il 300% più smorzante delle vibrazioni. L'acciaio è durevole e più resistente del ferro. Tuttavia, subisce vibrazioni prolungate, che compromettono i tempi di movimento e assestamento rapidi.

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, ha un ingombro maggiore e pesa più di un sistema di posizionamento in acciaio o ferro. Tuttavia, poiché non c'è contatto tra i cuscinetti e le superfici delle guide in granito, non c'è usura e i cuscinetti ad aria sono ampiamente autopulenti. Inoltre, il granito ha 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 una varietà di configurazioni, da unità imbullonate composte da numerosi componenti a semplici basi e guide in fusione. L'utilizzo di un unico materiale in tutto il tavolo garantisce generalmente una risposta più uniforme alle variazioni di temperatura, garantendo un sistema più preciso. Caratteristiche come le nervature forniscono smorzamento, che consente un rapido assestamento.

Le guide integrali presentano 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 presentano un contatto lineare tra rullo e pista, mentre i cuscinetti a sfere presentano un contatto puntiforme tra sfera e pista. Questo si traduce generalmente in un movimento più fluido per i cuscinetti a rulli. La deformazione superficiale (e l'usura) sulla superficie di rotolamento è minore e l'area di contatto è maggiore, quindi il carico è distribuito in modo più uniforme. Carichi fino a 4,5-14 kg/rullo sono standard, insieme a un'elevata rigidità meccanica di circa 150-300 Newton/micron. Tra gli svantaggi, l'attrito intrinseco dovuto al contatto lineare.

La ridotta 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 una lunghezza da 25 a 1.800 mm e una larghezza delle guide 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 integrati negli elementi di guida. Questa configurazione senza contatto evita l'attrito tipico di altri tipi di cuscinetti. Inoltre, i cuscinetti ad aria non subiscono usura meccanica. Inoltre, possono essere ampiamente distanziati. In questo modo, gli errori geometrici risultanti vengono mediati, producendo deviazioni angolari inferiori a 1 secondo d'arco e una rettilineità superiore a 0,25 micron su 200 mm.

I valori numerici sono difficili da fornire, poiché dipendono da molti fattori. Ad esempio, la precisione di posizionamento non dipende solo dai cuscinetti o dalle guide, ma anche dal sistema di misurazione della posizione e dal controller. 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 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 trasmissione (cinghia, cremagliera e pignone, vite di comando, vite a sfere con rettifica di precisione e motore lineare), solo gli ultimi due vengono presi in considerazione per la maggior parte dei sistemi di posizionamento ad alta precisione.

Gli azionamenti a vite a 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 l'azionamento a vite a sfere è limitato dalla velocità di rotazione critica della vite, una velocità maggiore richiede un passo inferiore, con un vantaggio meccanico inferiore e un motore più potente. Questo di solito significa passare a un azionamento motore più potente con una tensione di bus più elevata. Gli azionamenti a vite a sfere, sebbene ampiamente utilizzati, possono anche essere soggetti a gioco meccanico, avvolgimento, errori ciclici di passo e attrito. Un altro aspetto trascurato è la rigidità dell'accoppiamento meccanico che unisce motore e azionamento.

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

La rigidità dinamica indica quanto bene un servosistema mantenga 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. Questa può essere quantificata dividendo il carico impulsivo misurato per la distanza di deflessione:

Rigidità dinamica = ΔF/ΔX

L'elevata rigidità e l'elevata frequenza naturale si traducono in un eccellente comportamento del servo 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, l'assenza di vibrazioni dovute alla vite a sfere consente di ottenere tempi di movimento e assestamento rapidi.

Un motore lineare brushless 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 e inclinate con precisione per il funzionamento trifase. Per la commutazione elettronica viene utilizzata una serie di sensori a effetto Hall. Il design dell'elettronica di commutazione fornisce un movimento con un'ondulazione di forza trascurabile. Poiché la commutazione è elettronica anziché meccanica, la formazione di archi elettrici viene eliminata.

Queste proprietà rendono un servomotore lineare utile in applicazioni che richiedono un'elevata accelerazione (ad esempio 2,5 m/sec² o più), un'elevata velocità (ad esempio 2 m/sec o più) o un controllo preciso della velocità, anche a velocità molto basse (ad esempio solo pochi mm/sec). Inoltre, un motore di questo tipo non necessita di lubrificazione o altra manutenzione e non è soggetto a 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.

Sono disponibili servomotori lineari con forze di azionamento continue da 25 a oltre 5.000 N. La maggior parte dei motori più grandi è raffreddata 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 si verifica alcuna riduzione meccanica come avviene con una vite a sfere. Il carico viene trasferito al motore con un rapporto 1:1. Con un azionamento con vite a sfere, l'inerzia del carico sulla slitta rispetto al motore viene ridotta del quadrato del rapporto di riduzione. Questo rende l'azionamento con motore lineare meno adatto ad applicazioni con frequenti variazioni di carico, a meno che non si scelga un controller che possa essere programmato con diversi set di parametri di controllo 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 deve essere alimentato costantemente per compensare la gravità. Inoltre, un freno elettromeccanico può bloccare la posizione del tavolo in assenza di alimentazione. È possibile utilizzare un motore lineare, tuttavia, compensando il motore e caricando il peso con una molla, un contrappeso o un cilindro pneumatico.

In termini di costo iniziale, la differenza tra un azionamento con motore lineare e un azionamento con vite a sfere, che include motore, giunti, cuscinetti, blocchi cuscinetto e vite a sfere, è minima. In generale, un motore lineare con spazzole è leggermente più economico di un azionamento con vite a sfere, mentre le versioni senza spazzole sono solitamente leggermente più costose.

C'è molto di più da considerare oltre al costo iniziale. Un confronto più realistico include manutenzione, affidabilità, durata e costi di sostituzione, inclusa la manodopera. In questo caso, il motore lineare si dimostra efficace.

La parte 2 riguarderà i sistemi di misura della posizione.