Nessun sistema è adatto a tutti.

I componenti che costituiscono il vostro sistema di posizionamento ad alta precisione — base e cuscinetti, sistema di misurazione della posizione, sistema motore-azionamento e controllore — devono funzionare in sinergia nel modo più efficace possibile. Nella Parte 1 abbiamo trattato la base e i cuscinetti del sistema. Qui ci occuperemo della misurazione della posizione. La Parte 3 tratterà la progettazione dello stadio, dell'azionamento e dell'encoder; l'amplificatore di azionamento; e i controllori.

Sistema di misurazione della posizione

In generale, i controllori possono essere classificati come "ad anello aperto" o "ad anello chiuso". Nei controllori ad anello aperto (generalmente utilizzati con i motori passo-passo), ogni impulso emesso dal controllore provoca un certo spostamento del carrello. Tuttavia, non esiste un modo per determinare l'entità di tale spostamento. Ad esempio, potrebbero essere stati emessi 500 impulsi, ma a causa dell'attrito statico, delle tolleranze della vite a ricircolo di sfere, dell'isteresi, degli errori di avvolgimento e così via, il carrello potrebbe essersi mosso solo per 498 impulsi. Uno svantaggio principale è che non si verifica alcuna correzione dell'errore di posizionamento.

In un sistema a circuito chiuso, o sistema servoassistito, un encoder di posizione fornisce un feedback al controllore. Il controllore continua a inviare segnali di controllo del motore fino a quando non viene raggiunta l'esatta posizione desiderata del cursore.

Nell'illustrazione in alto, una diapositiva senza feedback di posizione, seguita dai tre metodi più comuni per misurare la posizione della diapositiva:
• Encoder di posizione montato sull'albero del motore o della vite a ricircolo di sfere.
• Encoder lineare montato sulla slitta.
• Interferometro laser con specchi montati sul vetrino.

Nel primo metodo, la posizione della slitta viene misurata indirettamente: l'encoder di posizione è montato sull'albero motore. Tolleranze, usura e cedevolezza dei componenti meccanici tra la slitta e l'encoder di posizione causano deviazioni tra la posizione desiderata e quella reale della slitta. In combinazione con la vite a ricircolo di sfere, la precisione della slitta è, nella migliore delle ipotesi, limitata dalla precisione della vite a ricircolo di sfere. Le precisioni tipiche sono comprese tra ±5 e ±10 mm/300 mm di corsa.

La maggior parte dei sistemi di misura lineari è costituita da una scala di precisione in vetro e da una testa di misura fotoelettrica. La scala o la testa si fissano direttamente alla slitta mobile e ne misurano la posizione. Non vengono introdotti errori dovuti a imprecisioni della vite a ricircolo di sfere. Le precisioni tipiche della scala stessa sono comprese tra ±1 e ±5 mm/m. Questa è anche la precisione della slitta stessa nella posizione della testa di misura.

Il carico del piano di lavoro (di cui ci interessa soprattutto la precisione di posizionamento) si trova sempre a una certa distanza dalla scala di misura, misurata in una direzione perpendicolare alla direzione di movimento, poiché la maggior parte degli encoder si trova sotto la slitta, mentre il carico è posizionato sopra. Questo effetto è ancora più accentuato nel caso di piani di lavoro sovrapposti. Durante un movimento, se la slitta si inclina leggermente a causa di deviazioni dalla rettilineità delle guide di scorrimento, errori di inversione e così via, si crea una deviazione relativa alla posizione del carico rispetto all'encoder.

Un piccolo errore angolare con un grande offset, come quello che si riscontra nelle piattaforme XY sovrapposte, può portare a una moltiplicazione dell'imprecisione della scala. In altre parole, una scala di misura fornisce informazioni di posizione corrette solo nel punto in cui è fissata la testa di misura.

Un sistema di movimentazione con caratteristiche di rotolamento di precisione, ad esempio, presenta errori angolari tipici di circa ±5 secondi d'arco (1 secondo d'arco = 1/3.600 gradi o circa 5 μrad). Per una distanza di 100 mm tra il carico e la scala, ciò si traduce in un errore di posizionamento di ±2,5 mm!

Per applicazioni che richiedono una precisione estrema, il sistema di retroazione di posizionamento laser-interferometro con specchi piani rappresenta la scelta migliore. La lunghezza d'onda di un laser elio-neon, 632,8 nm, funge da standard. Un nanometro equivale a 1 × 10⁻⁹ metri. Con una sorgente laser stabilizzata è possibile raggiungere una precisione di circa ±0,1 mm/m, con una risoluzione fino a λ/1.024 o 0,617 μm. Lambda (λ) è la lunghezza d'onda della luce.

Un vantaggio principale è che gli specchi possono essere posizionati nel punto di applicazione del carico, ovvero dove la precisione è davvero fondamentale. Gli errori di Abbé vengono eliminati. La planarità degli specchi, tipicamente nell'ordine del submicron, determina la linearità del movimento del carrello.

Inoltre, poiché il movimento di una piattaforma XY è riferito a un punto fisso esterno al piano di movimento, il feedback compensa automaticamente qualsiasi disallineamento del sistema XY, mantenendo la slitta a una distanza fissa.

La lunghezza d'onda della luce nell'aria dipende dalla sua velocità, che a sua volta è funzione della temperatura, della pressione e dell'umidità relativa dell'aria, tra le altre cose. Quando si utilizza una scala di misurazione, una variazione di temperatura provoca errori di misurazione a causa della dilatazione del materiale della scala. I coefficienti di dilatazione tipici per le scale in vetro e acciaio sono rispettivamente di 8 e 10 mm/m per °K. Con un interferometro laser, dove non è possibile mantenere un ambiente stabile, è possibile correggere le variazioni atmosferiche con componenti di compensazione automatica opzionali.