Elektronik, optik, bilgisayar, muayene, otomasyon ve lazer endüstrileri çeşitli konumlandırma sistemi spesifikasyonlarına ihtiyaç duyarlar.Hiçbir sistem herkes için doğru değildir.

Yüksek doğruluklu bir konumlandırma sisteminin en iyi şekilde çalışmasını sağlamak için, sistemi oluşturan bileşenlerin (rulmanlar, konum ölçüm sistemi, motor ve tahrik sistemi ve kontrolör) uygulama kriterlerini karşılamak için mümkün olduğunca birlikte çalışması gerekir.

Taban ve yatak

Optimum sistem yapılandırmasına karar vermek için, önce sistemin mekanik kısmını göz önünde bulundurun. Doğrusal aşamalar için, dört yaygın taban ve yatak tasarım seçeneği şunlardır:
• Alüminyum taban ve cıvatalı bilyalı kızak.
• Alüminyum veya çelik taban ve alüminyum veya çelik yan, çelik raylar üzerinde dört adet devridaim makaralı rulman bloğu.
• Meehanite döküm taban ve entegre rulman yataklı kızak.
• Granit veya döküm kızaklı ve hava yataklı granit kılavuzlar.

Alüminyum meehanit veya çelikten daha hafiftir ancak daha az sert, daha az kararlı, darbeye daha az dayanıklı ve daha az strese dayanıklıdır. Ayrıca alüminyum sıcaklık değişimlerine karşı çok daha hassastır. Dökme demir alüminyumdan %150 daha serttir ve titreşim sönümlemede %300 daha iyidir. Çelik demirden daha dayanıklı ve daha güçlüdür. Ancak, hızlı hareket ve yerleşme sürelerine zarar veren uzun süreli çınlama sorunu yaşar.

Hava yataklı granit kılavuzlar en sert, en dayanıklı kombinasyonu sağlar. Granit, submikron aralığında düzlük ve doğruluk için cilalanabilir. Granit masanın dezavantajı, granitin kütlesi nedeniyle daha büyük bir alan zarfına sahip olması ve çelik veya demir tabanlı bir konumlandırma sisteminden daha ağır olmasıdır. Ancak, yataklar ve granit kılavuz yüzeyleri arasında temas olmadığından aşınma olmaz ve hava yatakları büyük ölçüde kendi kendini temizler. Ayrıca, granit mükemmel titreşim sönümleme özelliklerine ve termal kararlılığa sahiptir.

Ek olarak, masanın tasarımı masanın genel performansında önemlidir. Masalar, birçok parçadan oluşan cıvatalı ünitelerden basit döküm tabanlara ve kızaklara kadar çeşitli yapılandırmalarda gelir. Masanın tamamında tek bir malzemenin kullanılması genellikle sıcaklık değişimlerine daha düzgün tepki verir ve daha doğru bir sisteme yol açar. Kaburga gibi özellikler, hızlı yerleşmeyi sağlayan sönümleme sağlar.

İntegral rayların cıvata bağlantılı raylara göre bir avantajı, uzun bir süre sonra bile ön yükleme için raylarda ayarlama yapılmasına gerek olmamasıdır.

Çapraz makaralı rulmanlar, makara ile yuvarlanma yolu arasında çizgisel temasa sahipken, bilyalı rulmanlar, bilya ile yuvarlanma yolu arasında noktasal temasa sahiptir. Bu, genellikle makaralı rulmanlar için daha düzgün bir hareketle sonuçlanır. Yuvarlanan yüzey üzerinde daha az yüzey deformasyonu (ve aşınması) olur ve daha büyük bir temas alanı vardır, bu nedenle yük daha eşit şekilde dağıtılır. 4,5 ila 14 kg/makaraya kadar yükler standarttır ve yaklaşık 150 ila 300 Newton/mikronluk yüksek mekanik sertlik vardır. Dezavantajları arasında çizgisel temastan kaynaklanan içsel sürtünme bulunur.

Ancak bilyalı rulmanın sürtünmesini sınırlayan küçük temas alanı, yük kapasitesini de sınırlar. Makaralı rulmanlar genellikle bilyalı rulmanlardan daha uzun ömürlüdür. Ancak makaralı rulmanlar daha pahalıdır.

Bir üreticinin standart masa ölçüleri 25 ila 1.800 mm uzunluk ve 100 ila 600 mm kızak genişliğini içerir.

Hava yatağı konfigürasyonu, karşıt hava yatakları veya kılavuz elemanlarına yerleştirilmiş yüksek kuvvetli nadir toprak mıknatısları tarafından önceden yüklenen kaldırma ve kılavuz yataklarından oluşur. Bu temassız tasarım, diğer yatak tasarımlarının sürtünmesini önler. Ayrıca, hava yatakları mekanik aşınmaya maruz kalmaz. Dahası, hava yatakları birbirinden geniş bir şekilde ayrılabilir. Böylece, ortaya çıkan geometrik hatalar ortalanır ve 200 mm üzerinde 1 saniyeden daha az yay açısal sapmaları ve 0,25 mikrondan daha iyi doğruluk üretilir.

Sayısal değerlerin sağlanması zordur — bunlar birçok faktöre bağlıdır. Örneğin, konumlandırma doğruluğu yalnızca yataklara veya kılavuzlara değil, aynı zamanda konum ölçüm sistemine ve kontrolöre de bağlıdır. Bir konumlandırma sistemindeki sürtünme yalnızca hangi tahrik sistemini seçtiğinize değil, aynı zamanda yatak ayarına, masa sızdırmazlığına, yağlamaya vb. bağlıdır. Bu nedenle, ulaşılabilecek kesin değerler büyük ölçüde tüm bileşenlerin kombinasyonuna bağlıdır ve bu da uygulamaya bağlıdır.

Tahrik sistemi

Birçok tahrik sistemi türü (kayış, kremayer ve pinyon, vidalı mil, hassas taşlanmış bilyalı vida ve doğrusal motor) arasında yalnızca son ikisi çoğu yüksek doğruluklu konumlandırma sistemi için dikkate alınır.

Bilyalı vidalı tahrikler, bir dizi çözünürlük, hassasiyet ve sertlik özelliklerine sahiptir ve yüksek hızlar (250 mm/sn'nin üzerinde) sağlayabilir. Ancak, bilyalı vidalı tahrik, vidanın kritik dönme hızıyla sınırlı olduğundan, daha yüksek hız, daha az mekanik avantaj ve daha yüksek güçlü bir motorla daha düşük bir eğim gerektirir. Bu genellikle daha yüksek bara voltajına sahip daha yüksek güçlü bir motor tahrikine geçmek anlamına gelir. Bilyalı vidalı tahrikler, yaygın olarak kullanılmasına rağmen, mekanik geri tepme, sarma, eğim döngüsel hataları ve sürtünme de yaşayabilir. Ayrıca, motor ve tahriki birleştiren mekanik bağlantının sertliği de göz ardı edilir.

Doğrusal servo motorla, elektromanyetik kuvvet doğrudan hareket eden kütleyi mekanik bir bağlantı olmadan devreye sokar. Mekanik histerezis veya pitch döngüsel hatası yoktur. Doğruluk tamamen yatak sistemine ve geri besleme kontrol sistemine bağlıdır.

Dinamik sertlik, bir servo sisteminin bir dürtü yüküne yanıt olarak konumunu ne kadar iyi koruduğunu gösterir. Genel olarak, daha büyük bant genişliği ve daha yüksek kazanç daha büyük dinamik sertlik sağlar. Bu, ölçülen dürtü yükünün sapma mesafesine bölünmesiyle ölçülebilir:

Dinamik sertlik = ΔF/ΔX

Yüksek sertlik ve yüksek doğal frekans, kısa yerleşme süreleriyle mükemmel servo davranışıyla sonuçlanır. Motor ve kızak arasında mekanik bir bağlantı olmadığı için kızak, konum komutlarındaki değişikliklere hızlı tepki verir. Ayrıca, bilyalı vida "çınlaması" olmadığı için hızlı hareket ve yerleşme süreleri elde edilebilir.

Fırçasız doğrusal motor, makine tabanına sabitlenmiş kalıcı bir mıknatıs tertibatından ve kızağa tutturulmuş bir bobin tertibatından oluşur. Bobin tertibatı ile mıknatıslar arasında yaklaşık 0,5 mm'lik bir boşluk korunur. İki tertibat arasında fiziksel temas yoktur.

Hareketli bobin tertibatının çekirdeği, bir dizi üst üste binmiş ve yalıtılmış bakır bobin barındırır. Bunlar, üç fazlı çalışma için hassas bir şekilde sarılmış ve eğimlidir. Elektronik komütasyon için bir dizi Hall Etkisi sensörü kullanılır. Komütasyon elektroniğinin tasarımı, ihmal edilebilir kuvvet dalgalanmasıyla hareket sağlar. Komütasyon mekanikten ziyade elektronik olduğundan, komütasyon arkı ortadan kalkar.

Bu özellikler, yüksek ivmelenme (örneğin 2,5 m/sn2 veya daha fazla), yüksek hız (örneğin 2 m/sn veya daha fazla) veya çok düşük hızda bile (örneğin sadece birkaç mm/sn) hassas hız kontrolü gerektiren uygulamalarda doğrusal bir servo motoru kullanışlı hale getirir. Dahası, böyle bir motor yağlama veya başka bir bakım gerektirmez ve aşınmaz. Diğer tüm motorlarda olduğu gibi, ısı dağılımı nedeniyle sürekli kuvvetin veya akımın rms değeri uzun süreler boyunca izin verilen değerleri aşmamalıdır.

Sürekli tahrik kuvvetleri 25 ila 5.000 N'dan fazla olan doğrusal servo motorlar alabilirsiniz. Çoğu büyük motor hava veya su soğutmalıdır. Daha yüksek tahrik kuvvetleri elde etmek için birden fazla doğrusal motor paralel veya seri düzende bağlanabilir.

Motor ve kızak arasında mekanik bir bağlantı olmadığından, bilyalı vidada olduğu gibi mekanik bir indirgeme olmaz. Yük, motora 1:1 oranında aktarılır. Bilyalı vida tahrikinde, kızak üzerindeki motora yük ataleti, indirgeme oranının karesi kadar azaltılır. Bu, etkili servo kompanzasyonu elde etmek için farklı yüklere karşılık gelen farklı motor kontrol parametreleri setleriyle programlayabileceğiniz bir kontrolör seçmediğiniz sürece, doğrusal motor tahrikini sık yük değişimlerinin olduğu uygulamalar için daha az uygun hale getirir.

Birçok dikey uygulama için bilyalı vida daha kolay ve daha uygun maliyetlidir — doğrusal motor yerçekimini dengelemek için sürekli olarak enerjilendirilmelidir. Ayrıca, elektromekanik bir fren güç kapalıyken masa konumunu kilitleyebilir. Ancak, motoru ve yük ağırlığını bir yay, karşı ağırlık veya hava silindiri ile dengelerseniz doğrusal bir motor kullanabilirsiniz.

Başlangıç ​​maliyetinde, doğrusal motor tahriki ile motor, kaplinler, yataklar, yatak blokları ve bilyalı vida içeren bilyalı vida tahriki arasında çok az fark vardır. Genel olarak, fırça tipi doğrusal motor, bilyalı vida tahrikinden biraz daha ucuzdur ve fırçasız versiyonlar genellikle biraz daha pahalıdır.

İlk maliyetten daha fazlasını göz önünde bulundurmak gerekir. Daha gerçekçi bir karşılaştırma, bakım, güvenilirlik, dayanıklılık ve işçilik dahil değiştirme maliyetlerini içerir. Burada, doğrusal motor iyi bir şekilde kendini gösterir.

2. Bölümde pozisyon ölçüm sistemleri ele alınacaktır.