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Preparare il terreno per una buona progettazione della macchina

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Non importa quanto sia sofisticato il vostro controller di movimento, non può superare un sistema elettromeccanico mal progettato.

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I sistemi di controllo del movimento consistono di tre componenti principali: il meccanismo di posizionamento, l'elettronica di azionamento del motore e il controllore del movimento. Ognuno di questi componenti dovrebbe essere selezionato con cura, ma per ottenere i migliori risultati del sistema, pianificate prima il meccanismo di posizionamento. Se il meccanismo non è in grado di soddisfare i requisiti, gli azionamenti e il controllore del movimento non possono compensare la differenza.

Il primo passo nella progettazione di qualsiasi sistema di movimento è quello di descrivere completamente e comprendere il processo. Fare un elenco dei parametri di prestazione dei componenti a partire da questa descrizione. Questo elenco include parametri di primo ordine come il numero di assi, la lunghezza della corsa di ogni asse, la precisione del movimento (compresa la risoluzione, la ripetibilità e l'accuratezza), la capacità del carico utile e le dimensioni fisiche delle fasi. Parametri meno ovvi, ma altrettanto importanti, includono i vincoli o le sfide ambientali, la selezione dell'azionamento, il funzionamento in orientamenti multipli, la gestione dei cavi nelle configurazioni multiasse, la pianificazione della durata e la facilità di integrazione. Un rapido esame di questi parametri mostra che sono tutti legati al meccanismo di posizionamento e quindi una valutazione approfondita di questi componenti è fondamentale per il successo del progetto.

L'applicazione definirà se lo stadio di posizionamento è lineare, rotativo, o incorpora una combinazione di stadi in un sistema multiasse. Anche in applicazioni monoasse abbastanza semplici, ci sono molte considerazioni da fare. I carichi sono un aspetto vitale di questo profilo, poiché questioni come il peso del carico utile e l'offset (centro di gravità) possono avere un impatto drammatico sui requisiti di movimento. Considerate i pesi di carico tipici e massimi, nonché la distanza massima e minima che la fase deve percorrere, le velocità di spostamento richieste e l'accelerazione.

È importante considerare lo stage come parte integrante di un sistema più ampio. Il modo in cui la tavola è montata e la struttura di montaggio, per esempio, hanno un impatto drammatico sulle prestazioni della tavola e sulla capacità di soddisfare le specifiche. Per esempio, in un'applicazione di ispezione ad alta velocità in cui i campioni oscillano rapidamente avanti e indietro sotto una telecamera, uno stadio di posizionamento lineare dovrebbe essere montato su una struttura in grado di sopportare l'"effetto vernice" del carico in movimento. Allo stesso modo, uno stadio lineare a corsa lunga selezionato per un'elevata precisione nella planarità deve essere montato su una superficie adeguatamente piatta per evitare la distorsione dovuta alla conformità dello stadio con una superficie non piana.

Considerare anche i requisiti di durata del sistema quando si definiscono le specifiche dello stadio. Se i requisiti cambiano nel corso della vita della macchina, il sistema può uscire dalla tolleranza della fase di posizionamento e può degradare la precisione, la produttività e l'affidabilità della macchina. Come per qualsiasi componente mobile, le capacità di posizionamento possono cambiare con l'uso prolungato. Assicuratevi che lo stadio sia valutato per soddisfare i requisiti di movimento durante la vita di servizio prevista della macchina.

Altre influenze includono le dimensioni e i vincoli ambientali del sistema. Considerare i vincoli di dimensione sia orizzontali che verticali. I fattori che possono influenzare l'ingombro totale del sistema includono se la meccanica dell'azionamento è esterna o interna e come viene gestito il cablaggio. I vincoli ambientali possono includere applicazioni in camere bianche, in cui le parti in movimento della macchina devono generare poche particelle, o ambienti sporchi, in cui le particelle ambientali possono causare un attrito eccessivo all'interno dello stadio e influire sull'affidabilità e sulle prestazioni. La temperatura di funzionamento è un problema ambientale chiave che può influenzare drasticamente le prestazioni dello stadio. Un cambiamento di temperatura di appena due o tre gradi può causare un'espansione sufficiente a cambiare la tolleranza dello stadio.

Molte applicazioni richiedono il movimento ad assi multipli. In un sistema multiasse, gli stadi devono essere impilati per il movimento in diverse direzioni. Un sistema di ispezione di wafer di silicio, per esempio, potrebbe aver bisogno di fornire un movimento lineare X e Y, oltre al movimento rotazionale theta. In tali sistemi, è importante considerare come la geometria influisce sulle tolleranze nel resto del sistema. Per esempio, con due stadi impilati uno sull'altro, lo stadio superiore può deflettere alle estremità della sua corsa. La deflessione dello stadio superiore è una funzione del carico a sbalzo sullo stadio inferiore. Questa deflessione deve essere presa in considerazione o si dovrebbe considerare una configurazione diversa. Il produttore del palco deve assicurarsi che le specifiche dei palchi impilati soddisfino i requisiti dell'applicazione.

Nei sistemi a più stadi, la gestione dei cavi può diventare un problema di logistica e di affidabilità. I cavi sono spesso trascurati, ma possono influenzare la durata, la geometria e le prestazioni del sistema. Cercate presso il produttore del palco delle soluzioni innovative di cablaggio. Queste potrebbero includere l'integrazione dei cavi internamente per ridurre lo sfregamento e la resistenza, o l'uso di un'unica interfaccia esterna per i cavi piuttosto che connettori esterni per una maggiore flessibilità.

Decidere l'unità del sistema è un elemento chiave. I due tipi di azionamento più comuni sono quelli a vite a sfera e a motore lineare. Gli azionamenti a vite a sfera sono poco costosi e facili da capire. Con uno smorzamento naturale, sono facili da controllare e un freno può essere facilmente aggiunto. D'altra parte, l'attrito meccanico può rendere difficile mantenere una velocità costante. In alcune condizioni, come temperatura o umidità estreme, il passo della vite a sfera può cambiare e influenzare la precisione. Se gli effetti termici sono un problema, può essere necessario un encoder lineare o uno stadio a motore lineare può essere una scelta migliore.

Le trasmissioni a motore lineare consistono in una traccia magnetica e un gruppo di bobine. La traccia magnetica è tipicamente stazionaria e consiste in una serie di magneti permanenti montati su un substrato d'acciaio. Il gruppo bobina contiene tutti gli avvolgimenti di rame e in genere si monta sul carrello dello stadio scorrevole. Alcuni stadi a motore lineare hanno i magneti permanenti sul gruppo del carrello scorrevole come mezzo per semplificare il cablaggio, ma la lunghezza del magnete limita la corsa di questi sistemi.

Gli azionamenti a motore lineare sono in genere i migliori per carichi leggeri o moderati in applicazioni ad alta velocità, a velocità costante o a lunga corsa. Gli azionamenti a motore lineare hanno una capacità di corsa molto più lunga delle trasmissioni a vite a sfera perché non si afflosciano all'aumentare della lunghezza della corsa. Possono fornire un migliore controllo della velocità, ma la bobina mobile e l'elettronica dell'encoder lineare rendono più complessa la gestione dei cavi. Inoltre, le grandi unità lineari sono più pesanti e possono diventare costose con l'aumentare della lunghezza della corsa e delle dimensioni del magnete.

Una considerazione importante nella scelta di un tipo di azionamento è la capacità di arresto e l'orientamento di montaggio. Gli azionamenti a motore lineare si muovono liberamente senza potenza, mentre gli azionamenti a vite a sfera hanno un attrito per smorzare il movimento. Questo è particolarmente importante nelle applicazioni in cui l'azionamento deve essere montato verticalmente. Poiché uno stadio a motore lineare è virtualmente senza attrito, una perdita di potenza lascerà il carrello in caduta libera. Inoltre, la forza di gravità deve sempre essere superata, il che impone al motore una grande forza continua. Gli azionamenti a vite a sfera sono più appropriati per le applicazioni verticali, poiché i motori lineari possono surriscaldarsi rapidamente quando funzionano in verticale o possono richiedere un contrappeso.

La selezione di un motore può anche comportare dei compromessi. I comuni motori rotativi sono l'opzione meno costosa, ma aggiungono ai requisiti di spazio del sistema di azionamento. I motori lineari occupano meno spazio ma sono più costosi perché hanno più magneti di un motore rotativo e richiedono un encoder lineare. Le fasi guidate da viti a sfera possono usare encoder lineari, ma gli encoder rotativi sul motore e sulla vite a sfera spesso funzionano altrettanto bene e costano meno. Ci sono anche dei compromessi associati all'uso di motori passo-passo o servomotori. Gli stepper sono meno costosi ma i servomotori hanno migliori prestazioni ad alta velocità.

Un'opzione per uno stadio a vite a sfera è un motore senza telaio. Un motore senza telaio è un motore brushless standard incorporato nello stage. I magneti del rotore sono legati direttamente all'albero della vite a sfera e gli avvolgimenti dello statore sono integrati nell'estremità dello stage. Questa configurazione elimina l'accoppiatore del motore, il che fa risparmiare diversi centimetri di spazio. L'assenza dell'accoppiatore riduce l'isteresi e il wind-up della connessione motore-vite a sfera, il che migliora le prestazioni. I produttori di palcoscenici dovrebbero fornire la loro esperienza su motori ed encoder per aiutare a definire la migliore soluzione totale per l'applicazione.

Una volta che gli aspetti meccanici ed elettrici del movimento del sistema sono ben compresi e gli stadi selezionati, i dettagli del sistema di controllo possono essere risolti. Un sistema di controllo dovrebbe essere compatibile con l'elettronica dell'azionamento, con particolare attenzione al fatto che non tutti gli azionamenti forniscono informazioni di feedback sui loro connettori. Idealmente, il controllore dovrebbe interfacciarsi direttamente ai segnali del trasduttore e dell'attuatore senza hardware aggiuntivo. Il controllore dovrebbe anche avere abbastanza prestazioni per chiudere gli anelli di controllo entro la velocità naturale dei dati del sistema, o coordinare simultaneamente il movimento di più assi di movimento, se necessario.