Nessun sistema è giusto per tutti.

I componenti che compongono il tuo sistema di posizionamento ad alta precisione (base e cuscinetti, sistema di misurazione della posizione, sistema motore-azionamento e controller) devono funzionare insieme nel miglior modo possibile. Nella Parte 1 abbiamo trattato la base del sistema e i cuscinetti. Qui trattiamo la misurazione della posizione. La parte 3 riguarderà la progettazione di stadio, azionamento ed encoder; l'amplificatore di trasmissione; e controllori.

Sistema di misurazione della posizione

In generale, è possibile classificare i controller come “a circuito aperto” o “a circuito chiuso”. Nei regolatori ad anello aperto (utilizzati generalmente con motori passo-passo) ogni impulso emesso dal regolatore provoca un certo spostamento della slitta. Tuttavia, non esiste alcun mezzo per determinare quanto sia stato grande lo spostamento. Ad esempio, potrebbero essere stati emessi 500 impulsi, ma a causa dell'attrito, della tolleranza della vite a ricircolo di sfere, dell'isteresi, degli errori di avvolgimento e così via, la tavola potrebbe essersi spostata solo per 498 impulsi. Uno dei principali svantaggi è che non avviene alcuna correzione degli errori di posizionamento.

In un sistema a circuito chiuso, o servosistema, un encoder di posizione fornisce feedback al controller. Il controller continua a inviare segnali di controllo del motore finché non viene raggiunta l'esatta posizione desiderata della slitta.

Una diapositiva senza feedback di posizione nell'illustrazione in alto, seguita dai tre metodi comuni per misurare la posizione della diapositiva:
• Encoder di posizione montato sul motore o sull'albero 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. Tolleranza, usura e conformità dei componenti meccanici tra la slitta e l'encoder di posizione portano a deviazioni tra le posizioni desiderate e reali della slitta. In combinazione con la vite a ricircolo di sfere, la precisione della guida è, nella migliore delle ipotesi, limitata dalla precisione della vite a ricircolo di sfere. Le accuratezze tipiche vanno da ±5 a ±10 mm/corsa di 300 mm.

La maggior parte dei sistemi di misura lineari sono costituiti da una precisa riga di vetro e da una testa di misura fotoelettrica. La scala o la testa si collegano direttamente al vetrino in movimento e misurano direttamente la posizione del vetrino. Nemmeno gli errori sono introdotti dalle imprecisioni delle viti a ricircolo di sfere. Le accuratezze tipiche della scala stessa vanno da ±1 a ±5 mm/m. Questa è anche la precisione della slitta stessa nella posizione della testa di misurazione.

Il carico sul tavolino (la cui precisione di posizione è ciò che ci interessa veramente) è sempre ad una certa distanza dalla scala di misura, misurato in direzione perpendicolare alla direzione del movimento, perché la maggior parte degli encoder si trovano sotto la slitta, ma il carico è in alto . Ciò è ancora più pronunciato con i livelli sovrapposti. Durante un movimento, se la slitta si inclina leggermente a causa di deviazioni nella rettilineità delle guide, errori di inversione e così via, viene creata una deviazione relativa alla posizione del carico rispetto all'encoder.

Un piccolo errore angolare con un ampio offset, come quello riscontrato sui tavoli XY impilati, può portare ad una moltiplicazione dell'imprecisione della scala. In altre parole, una scala di misurazione fornisce informazioni sulla posizione corretta solo nel punto in cui è fissata la testa di misurazione.

Uno stadio di movimento con caratteristiche di rollio di precisione, ad esempio, mostra errori angolari tipici di circa ±5 arcosec. (1 arco sec = 1/3.600 gradi o circa 5 μrad.) Per una distanza di 100 mm tra carico e bilancia, ciò comporta un errore di posizionamento di ±2,5 mm!

Per applicazioni estremamente precise, il sistema di feedback di posizionamento laser-interferometro con specchi piani è la scelta migliore. Come standard viene utilizzata la lunghezza d'onda di un laser elio-neon, 632,8 nm. Un nanometro è 1 × 10-9 metri. È possibile una precisione di circa ±0,1 mm/m per una sorgente laser stabilizzata, con 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 trovarsi nel luogo del carico; cioè dove la precisione è veramente importante. Gli errori di Abbé vengono eliminati. La planarità dello specchio, tipicamente nell'ordine dei submicron, determina la linearità con cui si muove la diapositiva.

Inoltre, poiché il movimento per una fase XY è riferito a un punto fisso esterno al piano di movimento, il feedback compensa automaticamente qualsiasi fuori squadro del sistema XY, poiché mantiene la slitta a una distanza fissa.

La lunghezza d'onda della luce nell'aria dipende dalla velocità della luce nell'aria, che è una funzione, tra le altre cose, della temperatura dell'aria, della pressione e dell'umidità relativa. 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 bilance in vetro e acciaio sono 8 e 10 mm/m per grado K. Con un interferometro laser, dove non è possibile mantenere un ambiente stabile, è possibile correggere i cambiamenti atmosferici con componenti di compensazione automatica opzionali.