As indústrias eletrônica, óptica, de computadores, de inspeção, automação e laser exigem especificações diversas de sistemas de posicionamento.Nenhum sistema é adequado para todos.

Para garantir que um sistema de posicionamento de alta precisão funcione de forma ideal, os componentes que compõem o sistema — rolamentos, sistema de medição de posição, sistema de motor e acionamento e controlador — devem funcionar todos juntos da melhor forma possível para atender aos critérios da aplicação.

Base e rolamento

Para decidir a configuração ideal do sistema, considere primeiro a parte mecânica do sistema. Para estágios lineares, estas são as quatro opções comuns de projeto de base e rolamento:
• Base e corrediça de alumínio com guias de esferas aparafusadas.
• Base em alumínio ou aço e lateral em alumínio ou aço com quatro blocos de rolamentos de rolos recirculantes sobre trilhos de aço.
• Base e corrediça de ferro fundido Meehanite com guias de rolamentos de rolos integradas.
• Guias de granito com deslizamento em granito ou ferro fundido e mancais de ar.

O alumínio é mais leve que a meehanita ou o aço, mas é menos rígido, menos estável, menos resistente a impactos e menos resistente a tensões. Além disso, o alumínio é muito mais sensível a mudanças de temperatura. O ferro fundido é 150% mais rígido que o alumínio e 300% melhor no amortecimento de vibrações. O aço é durável e mais resistente que o ferro. No entanto, sofre com o efeito de zumbido prolongado, o que prejudica os tempos rápidos de movimentação e acomodação.

Guias de granito com mancais de ar oferecem a combinação mais rígida e durável. O granito pode ser polido para obter planicidade e retilinidade na faixa de submicrômetros. A desvantagem de uma mesa de granito é que, devido à massa do granito, ela tem um envelope de espaço maior e pesa mais do que um sistema de posicionamento à base de aço ou ferro. No entanto, como não há contato entre os mancais e as superfícies das guias de granito, não há desgaste, e os mancais de ar são amplamente autolimpantes. Além disso, o granito possui excelentes características de amortecimento de vibrações e estabilidade térmica.

Além disso, o design da mesa em si é importante para o seu desempenho geral. As mesas estão disponíveis em uma variedade de configurações, desde unidades parafusadas com muitas peças até bases e corrediças fundidas simples. O uso de um único material em toda a mesa geralmente proporciona uma resposta mais uniforme às variações de temperatura, resultando em um sistema mais preciso. Recursos como nervuras proporcionam amortecimento, o que permite um assentamento rápido.

As guias integrais têm uma vantagem sobre as guias aparafusadas, pois mesmo depois de muito tempo, não é necessário nenhum ajuste de guias para pré-carga.

Rolamentos de rolos cruzados têm contato linear entre o rolo e a pista, enquanto rolamentos de esferas têm contato pontual entre a esfera e a pista. Isso geralmente resulta em um movimento mais suave para rolamentos de rolos. Há menos deformação superficial (e desgaste) sobre a superfície de rolamento e uma área de contato maior, de modo que a carga é distribuída de forma mais uniforme. Cargas de até 4,5 a 14 kg/rolo são padrão, juntamente com alta rigidez mecânica de cerca de 150 a 300 Newtons/mícron. As desvantagens incluem o atrito inerente ao contato linear.

A pequena área de contato que limita o atrito do rolamento de esferas, no entanto, também limita sua capacidade de carga. Rolamentos de rolos geralmente têm vida útil mais longa do que rolamentos de esferas. No entanto, os rolamentos de rolos custam mais.

Os tamanhos padrão de mesa de um fabricante incluem comprimento de 25 a 1.800 mm e largura de deslizamento de 100 a 600 mm.

Uma configuração de mancais de ar consiste em mancais de elevação e guia pré-carregados por mancais de ar opostos ou por ímãs de terras raras de alta força embutidos nos elementos de guia. Este projeto sem contato evita o atrito de outros projetos de mancais. Além disso, os mancais de ar não sofrem desgaste mecânico. Além disso, os mancais de ar podem ser amplamente espaçados. Assim, os erros geométricos resultantes são calculados, produzindo desvios angulares inferiores a 1 segundo de arco e retilinidade superior a 0,25 mícron em 200 mm.

Valores numéricos são difíceis de fornecer — eles dependem de muitos fatores. Por exemplo, a precisão do posicionamento depende não apenas dos rolamentos ou guias, mas também do sistema de medição de posição e do controlador. O atrito em um sistema de posicionamento depende não apenas do sistema de acionamento escolhido, mas também do ajuste dos rolamentos, da vedação da mesa, da lubrificação e assim por diante. Portanto, os valores exatos que podem ser alcançados dependem muito da combinação de todos os componentes, que por sua vez depende da aplicação.

Sistema de acionamento

Dos muitos tipos de sistemas de acionamento — correia, cremalheira e pinhão, parafuso de avanço, parafuso de esferas retificado de precisão e motor linear — somente os dois últimos são considerados para a maioria dos sistemas de posicionamento de alta precisão.

Os acionamentos por fuso de esferas apresentam uma gama de características de resolução, precisão e rigidez, podendo fornecer altas velocidades (acima de 250 mm/seg). No entanto, como o acionamento por fuso de esferas é limitado pela velocidade de rotação crítica do fuso, velocidades mais altas exigem um passo menor, com menor vantagem mecânica e um motor de maior potência. Isso geralmente significa a troca para um acionamento de motor de maior potência com maior tensão de barramento. Os acionamentos por fuso de esferas, embora amplamente utilizados, também podem sofrer folga mecânica, enrolamento, erros cíclicos de passo e atrito. A rigidez do acoplamento mecânico que une o motor e o acionamento também é negligenciada.

Com o servomotor linear, a força eletromagnética aciona diretamente a massa em movimento, sem conexão mecânica. Não há histerese mecânica nem erro cíclico de passo. A precisão depende inteiramente do sistema de rolamentos e do sistema de controle de feedback.

A rigidez dinâmica indica o quão bem um servosistema mantém a posição em resposta a uma carga de impulso. Em geral, maior largura de banda e maior ganho proporcionam maior rigidez dinâmica. Isso pode ser quantificado dividindo a carga de impulso medida pela distância de deflexão:

Rigidez dinâmica = ΔF/ΔX

A alta rigidez e a alta frequência natural resultam em excelente comportamento servo com tempos de estabilização curtos. O cursor reage rapidamente aos comandos de mudança de posição, pois não há ligação mecânica entre o motor e o cursor. Além disso, como não há "ruído" no fuso de esferas, é possível obter tempos de movimento e estabilização rápidos.

Um motor linear sem escovas consiste em um conjunto de ímãs permanentes fixado à base da máquina e um conjunto de bobinas fixado ao cursor. Uma folga de cerca de 0,5 mm é mantida entre o conjunto de bobinas e os ímãs. Não há contato físico entre os dois conjuntos.

O núcleo do conjunto da bobina móvel abriga uma série de bobinas de cobre sobrepostas e isoladas. Estas são enroladas e inclinadas com precisão para operação trifásica. Uma série de sensores de efeito Hall é utilizada para a comutação eletrônica. O projeto da eletrônica de comutação proporciona movimento com ondulação de força desprezível. Como a comutação é eletrônica e não mecânica, a formação de arcos elétricos na comutação é eliminada.

Essas propriedades tornam um servomotor linear útil em aplicações que exigem alta aceleração (digamos 2,5 m/s² ou mais), alta velocidade (digamos 2 m/s ou mais) ou controle preciso de velocidade, mesmo em velocidades muito baixas (digamos apenas alguns mm/s). Além disso, esse motor dispensa lubrificação ou outra manutenção e não apresenta desgaste. Como em qualquer outro motor, devido à dissipação de calor, o valor eficaz da força ou corrente contínua não deve exceder os valores permitidos por longos períodos.

Você pode obter servomotores lineares com forças de acionamento contínuas de 25 a mais de 5.000 N. A maioria dos motores maiores possui refrigeração a ar ou água. Vários motores lineares podem ser conectados em paralelo ou em série para obter forças de acionamento maiores.

Como não há ligação mecânica entre o motor e o cursor, não há redução mecânica como ocorre com um fuso de esferas. A carga é transferida para o motor na proporção de 1:1. Com um acionamento por fuso de esferas, a inércia da carga no cursor para o motor é reduzida pelo quadrado da taxa de redução. Isso torna o acionamento por motor linear menos adequado para aplicações com mudanças frequentes de carga, a menos que você escolha um controlador que possa ser programado com diferentes conjuntos de parâmetros de controle do motor correspondentes a diferentes cargas para obter uma compensação servo eficaz.

Para muitas aplicações verticais, um fuso de esferas é mais fácil e econômico — o motor linear precisa ser energizado continuamente para compensar a gravidade. Além disso, um freio eletromecânico pode travar a posição da mesa quando a energia é desligada. No entanto, você pode usar um motor linear se compensar o motor e carregar o peso com uma mola, contrapeso ou cilindro de ar.

Em termos de custo inicial, há pouca diferença entre um acionamento por motor linear e um acionamento por fuso de esferas, que inclui motor, acoplamentos, rolamentos, blocos de rolamentos e fuso de esferas. Em geral, um motor linear com escovas é ligeiramente mais barato do que um acionamento por fuso de esferas, e as versões sem escovas costumam ser um pouco mais caras.

Há mais a considerar do que o custo inicial. Uma comparação mais realista inclui custos de manutenção, confiabilidade, durabilidade e reposição, incluindo mão de obra. Aqui, o motor linear se destaca.

A Parte 2 abordará sistemas de medição de posição.