Non esiste un sistema adatto a tutti.

I componenti che compongono il vostro sistema di posizionamento ad alta precisione – base e cuscinetti, sistema di misurazione della posizione, sistema motore-azionamento e controller – devono funzionare insieme al meglio. 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 di stadio, azionamento ed encoder; l'amplificatore di azionamento; e i controller.

Sistema di misura della posizione

In generale, i controllori possono essere classificati come "ad anello aperto" o "ad anello chiuso". Con i controllori ad anello aperto (generalmente utilizzati con motori passo-passo), ogni impulso emesso dal controllore provoca un certo spostamento della slitta. Tuttavia, non è possibile determinare l'entità di tale spostamento. Ad esempio, potrebbero essere stati emessi 500 impulsi, ma a causa di attrito statico, tolleranza della vite a sfere, isteresi, errori di avvolgimento e così via, la tavola potrebbe essersi spostata di soli 498 impulsi. Uno svantaggio importante è che non viene eseguita alcuna correzione dell'errore di posizionamento.

In un sistema a circuito chiuso, o servosistema, un encoder di posizione fornisce un feedback al controllore. Il controllore continua a inviare segnali di controllo del motore fino al raggiungimento dell'esatta posizione desiderata della slitta.

Una slitta senza feedback di posizione nell'illustrazione superiore, seguita dai tre metodi comuni per misurare la posizione della slitta:
• Encoder di posizione montato sull'albero motore o della vite a 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 cedevolezza dei componenti meccanici tra la slitta e l'encoder di posizione causano deviazioni tra la posizione desiderata e quella effettiva della slitta. In combinazione con la vite a sfere, la precisione della slitta è limitata, nella migliore delle ipotesi, dalla precisione della vite a sfere. Le precisioni tipiche sono comprese tra ±5 e ±10 mm/corsa di 300 mm.

La maggior parte dei sistemi di misura lineare è costituita da una riga in vetro di precisione e da una testa di misura fotoelettrica. La riga o la testa si collegano direttamente alla slitta mobile e ne misurano direttamente la posizione. Nessun errore viene introdotto da imprecisioni della vite a ricircolo di sfere. Le precisioni tipiche della riga stessa sono comprese tra ±1 e ±5 mm/m. Questa è anche la precisione della slitta stessa in corrispondenza della testa di misura.

Il carico della slitta (la cui precisione di posizionamento è ciò che ci interessa realmente) è sempre a una certa distanza dalla scala di misura, misurato in una direzione perpendicolare alla direzione del movimento, poiché la maggior parte degli encoder si trova sotto la slitta, ma il carico è posizionato sopra. Questo è ancora più evidente con le slitte impilate. Durante un movimento, se la slitta si inclina leggermente a causa di deviazioni di rettilineità delle guide dei cuscinetti, errori di inversione e così via, si crea una deviazione relativa alla posizione del carico rispetto all'encoder.

Un piccolo errore angolare con un offset elevato, come quello che si riscontra nelle tavole XY sovrapposte, può amplificare l'imprecisione della scala. In altre parole, una scala di misura fornisce informazioni di posizione corrette solo nel punto in cui si fissa la testa di misura.

Ad esempio, una piattaforma mobile con caratteristiche di rollio di precisione mostra 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 carico e bilancia, ciò si traduce in 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. La lunghezza d'onda di un laser a elio-neon, 632,8 nm, funge da standard. Un nanometro equivale a 1 × 10-9 metri. È possibile ottenere una precisione di circa ±0,1 mm/m per una sorgente laser stabilizzata, 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 importante. Gli errori di Abbé vengono eliminati. La planarità dello specchio, tipicamente nell'ordine del submicron, determina la linearità con cui si muove la slitta.

Inoltre, poiché il movimento di una piattaforma XY è riferito a un punto fisso esterno al piano del movimento, il feedback compensa automaticamente qualsiasi fuori squadra 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 funzione, tra le altre cose, della temperatura, della pressione e dell'umidità relativa. Quando si utilizza una scala di misura, 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 8 e 10 mm/m per grado 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.