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

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

Base e rolamento

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

O alumínio é mais leve que o metal ou o aço, mas menos rígido, menos estável, menos resistente a impactos e menos resistente a tensões. Além disso, o alumínio é muito mais sensível a variações de temperatura. O ferro fundido é 150% mais rígido que o alumínio e 300% melhor em amortecimento de vibrações. O aço é durável e mais resistente que o ferro. No entanto, sofre com vibrações prolongadas, o que é prejudicial para movimentos rápidos e tempos de estabilização menores.

Guias de granito com mancais de ar oferecem a combinação mais rígida e durável. O granito pode ser polido para obter planicidade e retidão na faixa submicrométrica. A desvantagem de uma mesa de granito é que, devido à massa do material, ela ocupa mais espaço e pesa mais do que um sistema de posicionamento baseado em 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 em grande parte autolimpantes. Além disso, o granito possui excelentes características de amortecimento de vibrações e estabilidade térmica.

Além disso, o design da própria mesa é importante para o seu desempenho geral. As mesas estão disponíveis em diversas configurações, desde unidades aparafusadas com muitas peças até bases e corrediças simples de metal fundido. 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 uma estabilização rápida.

As guias integrais têm uma vantagem sobre as guias aparafusadas, pois mesmo após um longo período de uso, não é necessário ajustar a pré-carga das guias.

Os rolamentos de rolos cruzados possuem contato linear entre o rolo e a pista, enquanto os rolamentos de esferas possuem contato pontual entre a esfera e a pista. Isso geralmente resulta em um movimento mais suave para os rolamentos de rolos. Há menos deformação superficial (e desgaste) na superfície de rolamento e uma área de contato maior, 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/micron. 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. Os rolamentos de rolos geralmente têm uma vida útil mais longa do que os rolamentos de esferas. Contudo, os rolamentos de rolos são mais caros.

As dimensões padrão das mesas de um fabricante incluem comprimentos de 25 a 1.800 mm e larguras 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. Ademais, os mancais de ar podem ser espaçados amplamente. Assim, os erros geométricos resultantes são minimizados, produzindo desvios angulares de menos de 1 segundo de arco e retilineidade melhor que 0,25 mícron em 200 mm.

É difícil fornecer valores numéricos precisos, pois dependem de muitos fatores. Por exemplo, a precisão de 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 vários tipos de sistemas de acionamento — correia, cremalheira e pinhão, fuso de esferas, fuso de esferas retificado com precisão e motor linear — apenas os dois últimos são considerados para a maioria dos sistemas de posicionamento de alta precisão.

Os acionamentos por fuso de esferas apresentam uma variedade de características de resolução, precisão e rigidez, podendo proporcionar altas velocidades (acima de 250 mm/s). No entanto, como o acionamento por fuso de esferas é limitado pela velocidade crítica de rotação 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 motor de maior potência com uma tensão de barramento mais alta. Os acionamentos por fuso de esferas, embora amplamente utilizados, também podem sofrer com folga mecânica, torção, erros cíclicos de passo e atrito. Além disso, a rigidez do acoplamento mecânico que une o motor ao acionamento também costuma ser negligenciada.

Com o servomotor linear, a força eletromagnética atua diretamente sobre a massa móvel, sem qualquer conexão mecânica. Não há histerese mecânica nem erro cíclico de inclinação. A precisão depende inteiramente do sistema de rolamentos e do sistema de controle de realimentação.

A rigidez dinâmica indica a capacidade de um sistema servo manter sua 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-se a carga de impulso medida pela distância de deflexão:

Rigidez dinâmica = ΔF/ΔX

A elevada rigidez e a alta frequência natural resultam em um excelente comportamento servo com tempos de estabilização curtos. O cursor reage rapidamente às mudanças nos comandos de posição, pois não há ligação mecânica entre o motor e o cursor. Além disso, como não há vibração do 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 aproximadamente 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 com precisão e espaçadas para operação trifásica. Uma série de sensores de efeito Hall é usada para a comutação eletrônica. O projeto da eletrônica de comutação proporciona movimento com ondulação de força desprezível. Como a comutação é eletrônica em vez de mecânica, o arco voltaico de comutação é eliminado.

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 não necessita de lubrificação ou qualquer outra manutenção e não apresenta desgaste. Como em qualquer outro motor, devido à dissipação de calor, o valor RMS da força ou corrente contínua não deve exceder os valores permitidos por longos períodos.

Você pode encontrar servomotores lineares com forças de acionamento contínuo de 25 a mais de 5.000 N. A maioria dos motores maiores possui refrigeração a ar ou a água. Vários servomotores lineares podem ser conectados em paralelo ou em série para obter forças de acionamento ainda 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 numa proporção de 1:1. Com um acionamento por fuso de esferas, a inércia da carga no cursor em relação ao motor é reduzida pelo quadrado da relação de redução. Isso torna o acionamento por motor linear menos adequado para aplicações com frequentes variações de carga, a menos que se escolha um controlador programável 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 estar continuamente energizado 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 peso do motor e da carga com uma mola, um contrapeso ou um cilindro pneumático.

Em termos de custo inicial, há pouca diferença entre um acionamento por motor linear e um acionamento por fuso de esferas, incluindo motor, acoplamentos, rolamentos, mancais 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 além do custo inicial. Uma comparação mais realista inclui manutenção, confiabilidade, durabilidade e custos de substituição, incluindo mão de obra. Nesse quesito, o motor linear se destaca.

A Parte 2 abordará os sistemas de medição de posição.