Elektronik, optik, bilgisayar, denetim, otomasyon ve lazer endüstrileri, çeşitli konumlandırma sistemi özelliklerine ihtiyaç duymaktadır.Hiçbir sistem herkes için uygun değildir.

Yüksek hassasiyetli bir konumlandırma sisteminin en iyi şekilde çalışmasını sağlamak için, sistemi oluşturan bileşenlerin (rulmanlar, konum ölçme sistemi, motor ve tahrik sistemi ve kontrol ünitesi) tümü, uygulama kriterlerini karşılamak üzere mümkün olduğunca iyi bir şekilde birlikte çalışmalıdır.

Taban ve yatak

En uygun sistem konfigürasyonuna karar vermek için öncelikle sistemin mekanik kısmını göz önünde bulundurun. Doğrusal kademeler için, yaygın olarak kullanılan dört taban ve yatak tasarım seçeneği şunlardır:
• Alüminyum taban ve cıvatalı bilyalı rulmanlı kızak.
• Alüminyum veya çelik taban ve alüminyum veya çelik yan paneller, çelik raylar üzerinde dört adet devirdaimli rulman bloğu ile donatılmıştır.
• Meehanite dökme demir taban ve entegre rulmanlı kızak.
• Granit veya dökme demir kızaklı ve hava yataklı granit kılavuzlar.

Alüminyum, meehanit veya çelikten daha hafiftir ancak daha az sert, daha az kararlı, darbelere daha az dayanıklı ve daha az gerilme direncine sahiptir. Ayrıca, alüminyum sıcaklık değişimlerine çok daha duyarlıdır. Dökme demir, alüminyumdan %150 daha sert ve titreşim sönümlemesinde %300 daha iyidir. Çelik, demirden daha dayanıklı ve daha güçlüdür. Bununla birlikte, uzun süreli titreşimlere maruz kalır ki bu da hızlı hareket ve yerleşme süreleri için zararlıdır.

Hava yataklı granit kılavuzlar, en sağlam ve dayanıklı kombinasyonu sunar. Granit, mikron altı hassasiyette düzlük ve doğruluk için cilalanabilir. Granit tablanın dezavantajı, granit kütlesi nedeniyle daha geniş bir alan kaplaması ve çelik veya demir esaslı bir konumlandırma sisteminden daha ağır olmasıdır. Bununla birlikte, yataklar ve granit kılavuz yüzeyleri arasında temas olmadığı için aşınma olmaz ve hava yatakları büyük ölçüde kendi kendini temizler. Ayrıca, granit mükemmel titreşim sönümleme özelliklerine ve termal kararlılığa sahiptir.

Ayrıca, masanın tasarımı da genel performansında önemlidir. Masalar, birçok parçadan oluşan cıvatalı birleştirme ünitelerinden basit dökme tabanlara ve kızaklara kadar çeşitli konfigürasyonlarda üretilir. Masanın tamamında tek bir malzeme kullanılması, sıcaklık değişimlerine daha homojen bir tepki sağlayarak daha doğru bir sistem elde edilmesini sağlar. Oluklu yapı gibi özellikler, sönümleme sağlayarak hızlı yerleşmeyi mümkün kılar.

Entegre kızaklar, cıvatalı kızaklara göre uzun süre sonra bile ön yükleme için kızak ayarı yapılmasına gerek kalmaması avantajına sahiptir.

Çapraz makaralı rulmanlarda makara ile yuvarlanma yüzeyi arasında doğrusal temas varken, bilyalı rulmanlarda bilye ile yuvarlanma yüzeyi arasında noktasal temas vardır. Bu durum genellikle makaralı rulmanlar için daha düzgün bir hareket sağlar. Yuvarlanma yüzeyinde daha az yüzey deformasyonu (ve aşınma) olur ve daha büyük bir temas alanı olduğundan yük daha eşit dağılır. Yaklaşık 150 ila 300 Newton/mikron yüksek mekanik sertlikle birlikte, makara başına 4,5 ila 14 kg'a kadar yükler standarttır. Dezavantajları arasında doğrusal temastan kaynaklanan doğal sürtünme yer alır.

Bilyalı rulmanların sürtünmesini sınırlayan küçük temas alanı, aynı zamanda yük taşıma kapasitesini de sınırlar. Makaralı rulmanlar genellikle bilyalı rulmanlardan daha uzun ömürlüdür. Ancak makaralı rulmanlar daha pahalıdır.

Bir üreticinin standart masa ölçüleri arasında 25 ila 1800 mm uzunluk ve 100 ila 600 mm sürgü genişliği bulunmaktadır.

Hava yataklı bir konfigürasyon, karşıt hava yatakları veya kılavuz elemanlara gömülü yüksek kuvvetli nadir toprak mıknatısları tarafından önceden yüklenmiş kaldırma ve kılavuz yataklarından oluşur. Bu temassız tasarım, diğer yatak tasarımlarının sürtünmesini önler. Ayrıca, hava yataklarında mekanik aşınma olmaz. Dahası, hava yatakları geniş aralıklarla yerleştirilebilir. Böylece, ortaya çıkan geometrik hatalar ortalama alınarak, 200 mm'lik bir mesafede 1 yay saniyesinden daha az açısal sapma ve 0,25 mikrondan daha iyi doğruluk elde edilir.

Sayısal değerler vermek zordur; birçok faktöre bağlıdırlar. Örneğin, konumlandırma doğruluğu sadece rulmanlara veya kılavuzlara değil, aynı zamanda konum ölçme sistemine ve kontrol cihazına da bağlıdır. Bir konumlandırma sistemindeki sürtünme, yalnızca seçtiğiniz tahrik sistemine değil, aynı zamanda rulman ayarına, tabla sızdırmazlığına, yağlamaya vb. de bağlıdır. Bu nedenle, elde edilebilecek kesin değerler, tüm bileşenlerin kombinasyonuna ve dolayısıyla uygulamaya büyük ölçüde bağlıdır.

Tahrik sistemi

Çeşitli tahrik sistemleri arasında (kayış, kremayer dişli, kurşun vida, hassas taşlanmış bilyalı vida ve doğrusal motor) yalnızca son ikisi yüksek hassasiyetli konumlandırma sistemlerinin çoğu için dikkate alınır.

Bilyalı vidalı tahrik sistemleri, çeşitli çözünürlük, hassasiyet ve sertlik özelliklerine sahiptir ve yüksek hızlar (250 mm/sn'nin üzerinde) sağlayabilir. Bununla birlikte, bilyalı vidalı tahrik sistemi vidanın kritik dönme hızıyla sınırlı olduğundan, daha yüksek hız daha düşük adım aralığı gerektirir; bu da daha az mekanik avantaj ve daha yüksek güçlü bir motor anlamına gelir. Bu genellikle daha yüksek bara voltajına sahip daha yüksek güçlü bir motor tahrik sistemine geçmeyi gerektirir. Yaygın olarak kullanılan bilyalı vidalı tahrik sistemleri, mekanik boşluk, sarılma, adım aralığı döngüsel hataları ve sürtünme gibi sorunlardan da muzdarip olabilir. Ayrıca, motor ve tahrik sistemini birleştiren mekanik kaplinin sertliği de göz ardı edilmektedir.

Doğrusal servo motor ile elektromanyetik kuvvet, mekanik bağlantı olmaksızın hareketli kütleye doğrudan etki eder. Mekanik histerezis veya adım döngüsel hatası yoktur. Doğruluk tamamen yatak sistemine ve geri besleme kontrol sistemine bağlıdır.

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

Dinamik sertlik = ΔF/ΔX

Yüksek rijitlik ve yüksek doğal frekans, kısa yerleşme süreleriyle mükemmel servo davranışı sağlar. Motor ve kızak arasında mekanik bağlantı olmadığı için kızak, konum komutlarındaki değişikliklere hızlı tepki verir. Ayrıca, bilyalı vidanın "titreşimi" olmadığı için hızlı hareket ve yerleşme süreleri elde edilebilir.

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

Hareketli bobin düzeneğinin çekirdeği, üst üste bindirilmiş ve yalıtılmış bir dizi bakır bobini barındırır. Bunlar, üç fazlı çalışma için hassas bir şekilde sarılmış ve ayarlanmıştır. Elektronik komütasyon için bir dizi Hall Etkisi sensörü kullanılır. Komütasyon elektroniğinin tasarımı, ihmal edilebilir kuvvet dalgalanmasıyla hareket sağlar. Komütasyon mekanik değil elektronik olduğundan, komütasyon arkı ortadan kaldırılır.

Bu özellikler, doğrusal servomotorları yüksek ivme (örneğin 2,5 m/sn² veya daha fazla), yüksek hız (örneğin 2 m/sn veya daha fazla) veya çok düşük hızlarda bile (örneğin sadece birkaç mm/sn) hassas hız kontrolü gerektiren uygulamalarda kullanışlı hale getirir. Dahası, böyle bir motorun yağlama veya başka bir bakıma ihtiyacı yoktur ve aşınma göstermez. Diğer tüm motorlarda olduğu gibi, ısı dağılımı nedeniyle sürekli kuvvet veya akımın RMS değeri uzun süreler boyunca izin verilen değerleri aşmamalıdır.

25 N ile 5.000 N'den fazla sürekli tahrik kuvveti sağlayan doğrusal servo motorlar bulabilirsiniz. Daha büyük motorların çoğu hava veya su soğutmalıdır. Daha yüksek tahrik kuvvetleri elde etmek için birden fazla doğrusal motor paralel veya seri olarak bağlanabilir.

Motor ile kızak arasında mekanik bir bağlantı olmadığı için, bilyalı vidalı tahrik sisteminde olduğu gibi mekanik bir redüksiyon söz konusu değildir. Yük, motora 1:1 oranında aktarılır. Bilyalı vidalı tahrik sisteminde, kızağa binen yükün motora olan ataleti, redüksiyon oranının karesiyle azalır. Bu durum, farklı yüklere karşılık gelen farklı motor kontrol parametre setleriyle programlanabilen bir kontrol ünitesi seçmediğiniz sürece, doğrusal motor tahrik sistemini sık yük değişimlerinin olduğu uygulamalar için daha az uygun hale getirir ve böylece etkili servo kompanzasyonu elde edebilirsiniz.

Birçok dikey uygulama için, bilyalı vida daha kolay ve daha uygun maliyetlidir; doğrusal motorun yerçekimini dengelemek için sürekli olarak enerjilendirilmesi gerekir. Ayrıca, elektromekanik bir fren, güç kesildiğinde masa konumunu kilitleyebilir. Bununla birlikte, motoru ve yük ağırlığını bir yay, karşı ağırlık veya pnömatik silindir ile dengeleyerek doğrusal bir motor kullanabilirsiniz.

İlk maliyet açısından, motor, kaplinler, rulmanlar, rulman blokları ve bilyalı vida dahil olmak üzere doğrusal motor tahrik sistemi ile bilyalı vida tahrik sistemi arasında çok az fark vardır. Genel olarak, fırçalı tip doğrusal motorlar bilyalı vida tahrik sistemlerinden biraz daha ucuzdur ve fırçasız versiyonlar genellikle biraz daha pahalıdır.

Sadece ilk maliyeti değil, daha birçok şeyi göz önünde bulundurmak gerekiyor. Daha gerçekçi bir karşılaştırma, bakım, güvenilirlik, dayanıklılık ve işçilik dahil olmak üzere değiştirme maliyetlerini de içermelidir. Bu noktada lineer motor iyi bir performans sergiliyor.

Bölüm 2, konum ölçme sistemlerini ele alacaktır.