Progettazione di stadio, azionamento e codificatore.

I componenti che costituiscono il vostro sistema di posizionamento ad alta precisione — cuscinetti, sistema di misurazione della posizione, sistema motore-azionamento e controllore — devono funzionare in sinergia nel modo più efficace possibile. La Parte 1 ha trattato la base del sistema e i cuscinetti. La Parte 2 ha trattato la misurazione della posizione. In questa sezione, analizzeremo la progettazione dello stadio, dell'azionamento e dell'encoder; l'amplificatore di azionamento; e i controllori.

I tre metodi comunemente utilizzati per assemblare stadi lineari quando si utilizzano encoder lineari:
• L'azionamento e l'encoder sono posizionati all'interno o il più vicino possibile al centro di massa del carrello.
• L'azionamento è situato nel centro di massa; l'encoder è fissato su un lato.
• L'unità di azionamento si trova su un lato; l'encoder, sull'altro.

Il sistema ideale prevede che l'azionamento sia posizionato al centro della massa della slitta, insieme all'encoder. Tuttavia, questa soluzione è solitamente impraticabile. Il compromesso più comune prevede di posizionare l'azionamento leggermente spostato lateralmente e l'encoder leggermente spostato dall'altro lato. Questo offre una buona approssimazione di un azionamento centrale, con il feedback di movimento posizionato accanto al sistema di azionamento. Gli azionamenti centrali sono preferibili perché la forza motrice non introduce vettori di forza indesiderati nella slitta, evitando torsioni o inclinazioni. Poiché il sistema di cuscinetti vincola saldamente la slitta, un'inclinazione comporterebbe un aumento dell'attrito, dell'usura e dell'imprecisione nel posizionamento del carico.

Un metodo alternativo utilizza un sistema a portale con due azionamenti, uno su ciascun lato della slitta. La forza di azionamento risultante simula un azionamento centrale. Con questo metodo, è possibile posizionare il feedback di posizione al centro. Se ciò non è possibile, si possono installare degli encoder su entrambi i lati e controllare il tavolo con un software specifico per azionamenti a portale.

Amplificatori di guida
Gli amplificatori per servoazionamenti ricevono segnali di controllo, solitamente ±10 Vdc, dal controllore e forniscono la tensione e la corrente di funzionamento al motore. In generale, esistono due tipi di amplificatori di potenza: l'amplificatore lineare e l'amplificatore a modulazione di larghezza di impulso (PWM).

Gli amplificatori lineari sono inefficienti e pertanto vengono utilizzati principalmente in azionamenti a bassa potenza. I principali limiti alla capacità di gestione della potenza in uscita di un amplificatore lineare sono le caratteristiche termiche dello stadio di uscita e le caratteristiche di rottura dei transistor di uscita. La dissipazione di potenza dello stadio di uscita è il prodotto della corrente e della tensione ai capi dei transistor di uscita. Gli amplificatori PWM, al contrario, sono efficienti e vengono tipicamente utilizzati per potenze superiori a 100 W. Questi amplificatori commutano la tensione di uscita a frequenze fino a 50 MHz. Il valore medio della tensione di uscita è proporzionale alla tensione di comando. Il vantaggio di questo tipo di amplificatore è che la tensione viene commutata continuamente, determinando una capacità di dissipazione di potenza notevolmente maggiore.

Una volta scelto il tipo di amplificatore, il passo successivo consiste nell'assicurarsi che l'amplificatore sia in grado di fornire la corrente continua e la tensione di uscita richieste ai livelli necessari per la velocità di rotazione massima del motore (o velocità lineare per i motori lineari) dell'applicazione.

Per i motori lineari brushless, è possibile fare un'ulteriore distinzione tra gli amplificatori. Due tipi di commutazione del motore sono generalmente in uso: trapezoidale e sinusoidale. La commutazione trapezoidale è un tipo di commutazione digitale in quanto la corrente per ciascuna delle tre fasi viene commutata su On o Off. Questo viene solitamente fatto da sensori a effetto Hall integrati nel motore. Magneti esterni attivano i sensori. Tuttavia, la relazione tra i sensori a effetto Hall, gli avvolgimenti della bobina e i magneti è critica e comporta sempre una piccola tolleranza di posizione. Il tempo di risposta dei sensori, pertanto, si verifica sempre leggermente sfasato rispetto alle posizioni reali della bobina e dei magneti. Ciò comporta una leggera variazione nell'erogazione di corrente alle bobine, con conseguenti vibrazioni inevitabili.

La commutazione trapezoidale è meno adatta per scansioni di precisione e applicazioni a velocità costante. Tuttavia, è meno costosa della commutazione sinusoidale, quindi è ampiamente utilizzata per sistemi punto-punto ad alta velocità o in sistemi in cui la fluidità del movimento non influisce sull'elaborazione.

Con la commutazione sinusoidale, non si verifica un'accensione o uno spegnimento improvviso. Piuttosto, tramite commutazione elettronica, lo sfasamento di corrente di 360° delle tre fasi viene modulato secondo un andamento sinusoidale. Ciò si traduce in una forza costante e uniforme erogata dal motore. La commutazione sinusoidale è quindi particolarmente adatta per la realizzazione di contorni di precisione e per applicazioni che richiedono una velocità costante e precisa, come quelle di scansione e visione artificiale.

Controllori
Esistono più classi di controllori di quante possiamo trattarne in modo esaustivo in questa sede. Fondamentalmente, i controllori possono essere suddivisi in diverse categorie a seconda del linguaggio di programmazione e della logica di controllo.

I controllori logici programmabili (PLC) utilizzano uno schema logico a "scala". Sono impiegati principalmente per il controllo di molteplici funzioni di ingresso/uscita (I/O) discrete, sebbene alcuni offrano anche limitate capacità di controllo del movimento.

I sistemi a controllo numerico (NC) vengono programmati tramite un linguaggio standard di settore, RS274D o una sua variante. Sono in grado di eseguire movimenti complessi come la creazione di forme sferiche ed elicoidali con controllo multiasse.

I sistemi non NC utilizzano una varietà di sistemi operativi proprietari, inclusi programmi di interfaccia di facile utilizzo per profili di movimento di base. La maggior parte di questi controllori è costituita da un modulo di controllo di base senza monitor o tastiera. Il controllore comunica con un host tramite una porta RS-232. L'host può essere un personal computer (PC), un terminale "stupido" o un'unità di comunicazione portatile.

Quasi tutti i controllori moderni sono digitali. Offrono un livello di affidabilità e facilità d'uso impensabile per i controllori analogici. Le informazioni sul feedback di velocità vengono solitamente ricavate dal segnale di posizione dell'asse. Tutti i parametri dei servomotori vengono regolati tramite software, anziché dover intervenire manualmente sui potenziometri degli amplificatori di pilotaggio, che tendono a variare dopo l'uso e con le variazioni di temperatura. La maggior parte dei controllori moderni offre anche la funzione di autotuning per tutti i parametri dei servomotori degli assi.

I controller più avanzati includono anche l'elaborazione distribuita e il controllo degli assi tramite processore di segnale digitale (DSP). Un DSP è essenzialmente un processore progettato specificamente per eseguire calcoli matematici molto rapidamente (almeno dieci volte più velocemente di un microprocessore). Ciò consente di ottenere tempi di campionamento del servomotore dell'ordine di 125 ms. Il vantaggio consiste in un controllo preciso dell'asse per un controllo a velocità costante e una traiettoria di taglio fluida.

Un algoritmo di filtro Proporzionale-Integrale-Derivativo (PID) e la feed-forward di velocità e accelerazione migliorano il controllo servoassistito dell'asse. Inoltre, la programmazione a curva a S dei profili di accelerazione e decelerazione controlla le oscillazioni che solitamente si verificano all'avvio e all'arresto del movimento del tavolo. Ciò garantisce un funzionamento più fluido e controllato, con tempi di assestamento più rapidi sia per la posizione che per la velocità.

I controllori includono anche ampie capacità di input/output digitali o analogici. Il programma utente o la subroutine possono essere modificati in base a informazioni di posizione, tempo o stato, ai valori delle variabili, a operazioni matematiche, a eventi di I/O esterni o interni o a interruzioni di errore. Il processo dell'utente può essere facilmente automatizzato.

Inoltre, la maggior parte dei controllori può aumentare la risoluzione del feedback di posizione tramite moltiplicazione elettronica. Sebbene la moltiplicazione 4× sia comune, alcuni controllori avanzati possono moltiplicare fino a 256×. Pur non apportando alcun miglioramento alla precisione, ciò si traduce in un reale aumento della stabilità della posizione degli assi e, aspetto ancora più importante in molte applicazioni, della ripetibilità.

Nell'approccio complessivo, oltre ai fattori menzionati in precedenza, è necessario considerare altri elementi che possono influenzare le decisioni relative ai componenti, come il budget, l'ambiente, la durata prevista, la facilità di manutenzione, l'MTBF (tempo medio tra i guasti) e le preferenze dell'utente finale. L'approccio modulare consente l'assemblaggio del sistema a partire da componenti standard e facilmente reperibili, in grado di soddisfare anche i requisiti applicativi più esigenti, a condizione che il sistema venga analizzato fin dalle fondamenta per verificarne la compatibilità complessiva dei componenti.