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

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

Base e rolamento

Para decidir sobre 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 em alumínio com rolamentos de esferas bolton.
• Base em alumínio ou aço e lateral em alumínio ou aço com quatro blocos de rolamentos recirculantes sobre trilhos de aço.
• Base e corrediça em ferro fundido Meehanite com rolamentos de rolos integrados.
• Guias em granito com corrediça em granito ou ferro fundido e rolamentos pneumáticos.

O alumínio é mais leve que a meehanita ou o aço, mas menos rígido, menos estável, menos capaz de suportar pancadas e menos resistente ao estresse. Além disso, o alumínio é muito mais sensível às 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 forte que o ferro. No entanto, sofre toques prolongados, o que é prejudicial para movimentos rápidos e tempos de acomodação.

Guias de granito com rolamentos pneumáticos fornecem a combinação mais rígida e durável. O granito pode ser polido para obter planicidade e retilineidade na faixa submícron. A desvantagem de uma mesa de granito é que, devido à massa do granito, ela possui um envelope espacial maior e pesa mais do que um sistema de posicionamento à base de aço ou ferro. Entretanto, como não há contato entre os rolamentos e as superfícies guia de granito, não há desgaste e os rolamentos pneumáticos são em grande parte 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 no desempenho geral da mesa. As mesas vêm em uma variedade de configurações, desde unidades aparafusadas com muitas peças até simples bases fundidas e corrediças. O uso de um material em toda a mesa geralmente proporciona uma resposta mais uniforme às variações de temperatura, levando a um sistema mais preciso. Características como nervuras proporcionam amortecimento, o que permite um assentamento rápido.

As vias integrais têm uma vantagem sobre as formas aparafusadas, pois mesmo depois de um longo tempo, não é necessário nenhum ajuste das vias para pré-carga.

Os rolamentos de rolos cruzados têm contato linear entre o rolo e a pista, enquanto os rolamentos de esferas têm contato pontual entre a esfera e a pista. Isso geralmente resulta em movimentos mais suaves para rolamentos de rolos. Há menos deformação superficial (e desgaste) sobre a superfície de rolamento e há uma maior área de contato, de modo que a carga é distribuída de maneira 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 da linha.

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

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

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

Os 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 do rolamento, 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, pinhão e cremalheira, fuso de avanço, fuso de esfera retificado com precisão e motor linear – apenas os dois últimos são considerados para a maioria dos sistemas de posicionamento de alta precisão.

Os fusos de esferas vêm em uma variedade de características de resolução, precisão e rigidez e podem fornecer altas velocidades (acima de 250 mm/seg). Entretanto, como o acionamento do fuso de esferas é limitado pela velocidade rotativa crítica do parafuso, uma velocidade mais alta requer um passo mais baixo, com menos vantagem mecânica e um motor de maior potência. Isso geralmente significa mudar para um acionamento de motor de maior potência com tensão de barramento mais alta. Os fusos de esferas, embora amplamente utilizados, também podem sofrer folga mecânica, enrolamento, erros cíclicos de passo e atrito. Também é negligenciada a rigidez do acoplamento mecânico que une o motor e o acionamento.

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

A rigidez dinâmica indica quão bem um servo sistema mantém a posição em resposta a uma carga de impulso. Em geral, maior largura de banda e maior ganho proporcionam maior rigidez dinâmica. Isto 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 do servo com tempos de acomodação curtos. A corrediça reage rapidamente aos comandos de mudança de posição porque não há ligação mecânica entre o motor e a corrediça. Além disso, como não há “toque” do parafuso esférico, é possível obter movimentos rápidos e tempos de assentamento.

Um motor linear sem escova consiste em um conjunto de ímã permanente fixado à base da máquina e um conjunto de bobina preso ao slide. Uma folga de cerca de 0,5 mm é mantida entre o conjunto da bobina 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. Estes são enrolados com precisão e lançados para operação trifásica. Uma série de sensores de efeito Hall é usada para a comutação eletrônica. O projeto da eletrônica de comutação fornece movimento com ondulação de força desprezível. Como a comutação é eletrônica e não mecânica, o arco de comutação é eliminado.

Essas propriedades tornam um servomotor linear útil em aplicações que exigem alta aceleração (digamos 2,5 m/seg2 ou mais), alta velocidade (digamos 2 m/seg ou mais) ou controle preciso de velocidade, mesmo com velocidade muito baixa (digamos apenas alguns mm). /seg). Além disso, tal motor não necessita de lubrificação ou outra manutenção e não apresenta desgaste. Tal como acontece com 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 contínuo de 25 a mais de 5.000 N. A maioria dos motores maiores possui resfriamento a ar ou água. Vários motores lineares podem ser conectados em paralelo ou em série para obter forças de acionamento mais altas.

Como não há ligação mecânica entre o motor e a corrediça, não há redução mecânica como ocorre com um fuso de esferas. A carga é transferida em uma proporção de 1:1 para o motor. Com um fuso de esferas, a inércia da carga na corrediça do motor é reduzida pelo quadrado da relação de redução. Isso torna o acionamento do motor linear menos adequado para aplicações com mudanças frequentes de carga, a menos que você escolha um controlador que possa programar com diferentes conjuntos de parâmetros de controle do motor correspondentes a diferentes cargas para obter compensação servo efetiva.

Para muitas aplicações verticais, um fuso de esferas é mais fácil e mais econômico – o motor linear deve ser energizado continuamente para compensar a gravidade. Além disso, um freio eletromecânico pode travar a posição da mesa quando a energia estiver desligada. Você pode usar um motor linear, entretanto, se compensar o motor e carregar o peso com uma mola, contrapeso ou cilindro de ar.

No 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 do tipo escova é um pouco mais barato que um fuso de esferas, e as versões sem escova são geralmente um pouco mais caras.

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

A Parte 2 cobrirá sistemas de medição de posição.