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Suggerimenti per la scelta di sistemi di posizionamento lineare ad alta precisione: Parte 1

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Le industrie elettroniche, ottiche, di computer, di ispezione, di automazione e di laser richiedono diverse specifiche di sistemi di posizionamento.

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Nessun sistema è giusto per tutti.

Per garantire che un sistema di posizionamento ad alta precisione funzioni in modo ottimale, i componenti che compongono il sistema - cuscinetti, sistema di misurazione della posizione, sistema di motore e azionamento e controllore - devono lavorare tutti insieme nel miglior modo possibile per soddisfare i criteri di applicazione.

Base e cuscinetto

Per decidere la configurazione ottimale del sistema, considerate prima la parte meccanica del sistema. Per le fasi lineari, queste sono le quattro scelte comuni di design di base e cuscinetti:

- Base in alluminio e slitta con cuscinetti a sfera Bolton.

- Base in alluminio o acciaio e lato in alluminio o acciaio con quattro blocchi a ricircolo di rulli su guide in acciaio.

- Base e slitta in ghisa Meehanite con guide a rulli integrali.

- Guide in granito con slitta in granito o ghisa e cuscinetti ad aria.

L'alluminio è più leggero della meehanite o dell'acciaio, ma meno rigido, meno stabile, meno capace di prendere un colpo e meno resistente allo stress. Inoltre, l'alluminio è molto più sensibile ai cambiamenti di temperatura. La ghisa è il 150% più rigida dell'alluminio e il 300% migliore nello smorzamento delle vibrazioni. L'acciaio è durevole e più forte del ferro. Tuttavia, soffre di un ringing prolungato, che è dannoso per i tempi di spostamento e di assestamento rapidi.

Le guide in granito con cuscinetti ad aria forniscono la combinazione più rigida e durevole. Il granito può essere lucidato per la planarità e la rettilineità nell'intervallo submicronico. Lo svantaggio di una tavola di granito è che, a causa della massa del granito, ha un ingombro maggiore e pesa più di un sistema di posizionamento in acciaio o ferro. Tuttavia, poiché non c'è contatto tra i cuscinetti e le superfici di guida del granito, non c'è usura, e i cuscinetti ad aria sono in gran parte autopulenti. Inoltre, il granito ha eccellenti caratteristiche di smorzamento delle vibrazioni e stabilità termica.

Inoltre, il design del tavolo stesso è importante per le prestazioni complessive del tavolo. I tavoli sono disponibili in una varietà di configurazioni, da unità imbullonate con molte parti a semplici basi e guide fuse. L'uso di un solo materiale in tutta la tavola generalmente fornisce una risposta più uniforme alle variazioni di temperatura, portando a un sistema più accurato. Caratteristiche come le nervature forniscono lo smorzamento, che permette un rapido assestamento.

Le guide integrali hanno un vantaggio rispetto alle guide imbullonate in quanto, anche dopo molto tempo, non è necessario regolare le guide per il precarico.

I cuscinetti a rulli incrociati hanno un contatto lineare tra il rullo e la pista, mentre i cuscinetti a sfera hanno un contatto puntiforme tra la sfera e la pista. Questo si traduce generalmente in un movimento più fluido per i cuscinetti a rulli. C'è meno deformazione superficiale (e usura) sulla superficie di rotolamento e c'è una maggiore area di contatto, quindi il carico è distribuito più uniformemente. Carichi fino a 4,5-14 kg/rullo sono standard, insieme ad un'alta rigidità meccanica di circa 150-300 Newton/micron. Gli svantaggi includono l'attrito intrinseco del contatto della linea.

La piccola area di contatto che limita l'attrito del cuscinetto a sfera, tuttavia, limita anche la sua capacità di carico. I cuscinetti a rulli hanno generalmente una vita più lunga dei cuscinetti a sfera. Tuttavia, i cuscinetti a rulli costano di più.

Le dimensioni standard dei tavoli di un produttore includono da 25 a 1.800 mm di lunghezza e da 100 a 600 mm di larghezza di scorrimento.

Una configurazione di cuscinetti ad aria consiste in cuscinetti di sollevamento e di guida precaricati da cuscinetti ad aria opposti o da magneti di terre rare ad alta forza incorporati nei membri di guida. Questo design senza contatto evita l'attrito di altri design di cuscinetti. Inoltre, i cuscinetti ad aria non soffrono di usura meccanica. Inoltre, i cuscinetti ad aria possono essere molto distanziati. Così, gli errori geometrici risultanti sono mediati, producendo deviazioni angolari inferiori a 1 secondo d'arco e una rettilineità migliore di 0,25 micron su 200 mm.

I valori numerici sono difficili da fornire - dipendono da molti fattori. Per esempio, la precisione di posizionamento non dipende solo dai cuscinetti o dalle guide, ma anche dal sistema di misurazione della posizione e dal controllore. L'attrito in un sistema di posizionamento non dipende solo dal sistema di azionamento scelto, ma anche dalla regolazione dei cuscinetti, dalla tenuta della tavola, dalla lubrificazione e così via. Pertanto, i valori esatti che possono essere raggiunti dipendono molto dalla combinazione di tutti i componenti, che a sua volta dipende dall'applicazione.

Sistema di azionamento

Dei molti tipi di sistemi di azionamento - cinghia, pignone e cremagliera, vite di piombo, vite a sfera con rettifica di precisione e motore lineare - solo gli ultimi due sono considerati per la maggior parte dei sistemi di posizionamento ad alta precisione.

Gli azionamenti a vite a sfera sono disponibili in una gamma di caratteristiche di risoluzione, precisione e rigidità, e possono fornire velocità elevate (oltre 250 mm/sec). Tuttavia, poiché l'azionamento a vite a sfera è limitato dalla velocità critica di rotazione della vite, una velocità maggiore richiede un passo inferiore, con meno vantaggio meccanico e un motore di potenza maggiore. Questo di solito significa passare a un azionamento del motore di potenza superiore con una tensione di bus più alta. Gli azionamenti a vite a sfera, anche se ampiamente utilizzati, possono anche soffrire di gioco meccanico, wind-up, errori ciclici del passo e attrito. Si trascura anche la rigidità dell'accoppiamento meccanico che unisce motore e azionamento.

Con il servomotore lineare, la forza elettromagnetica impegna direttamente la massa in movimento senza alcun collegamento meccanico. Non c'è isteresi meccanica o errore ciclico del passo. La precisione dipende interamente dal sistema di cuscinetti e dal sistema di controllo di feedback.

La rigidità dinamica indica quanto bene un servo sistema mantiene la posizione in risposta a un carico impulsivo. In generale, una maggiore larghezza di banda e un guadagno più alto forniscono una maggiore rigidità dinamica. Questo può essere quantificato dividendo il carico d'impulso misurato per la distanza di deflessione:

Rigidità dinamica = ΔF/ΔX

L'alta rigidità e l'alta frequenza naturale portano ad un eccellente comportamento del servo con brevi tempi di assestamento. La slitta reagisce rapidamente al cambiamento dei comandi di posizione perché non c'è un collegamento meccanico tra il motore e la slitta. Inoltre, poiché non c'è nessuna vite a sfera che "suona", si possono ottenere tempi di movimento e di assestamento rapidi.

Un motore lineare senza spazzole consiste in un gruppo a magnete permanente fissato alla base della macchina e un gruppo di bobine fissato alla slitta. Uno spazio di circa 0,5 mm è mantenuto tra il gruppo bobina e i magneti. Non c'è contatto fisico tra i due gruppi.

Il nucleo del gruppo bobina mobile ospita una serie di bobine di rame sovrapposte e isolate. Queste sono avvolte con precisione e inclinate per il funzionamento trifase. Una serie di sensori a effetto Hall è utilizzata per la commutazione elettronica. Il design dell'elettronica di commutazione fornisce un movimento con un'ondulazione di forza trascurabile. Poiché la commutazione è elettronica piuttosto che meccanica, l'arco di commutazione viene eliminato.

Queste proprietà rendono un servomotore lineare utile in applicazioni che richiedono un'alta accelerazione (diciamo 2,5 m/sec2 o più), un'alta velocità (diciamo 2 m/sec o più), o un controllo preciso della velocità, anche con velocità molto basse (diciamo solo pochi mm/sec). Inoltre, un tale motore non ha bisogno di lubrificazione o altra manutenzione e non ha usura. Come per qualsiasi altro motore, a causa della dissipazione del calore, il valore efficace della forza o della corrente continua non deve superare i valori consentiti per lunghi periodi.

Si possono ottenere servomotori lineari con forze di azionamento continue da 25 a più di 5.000 N. La maggior parte dei motori più grandi hanno un raffreddamento ad aria o ad acqua. Più motori lineari possono essere collegati in parallelo o in serie per ottenere forze di azionamento più elevate.

Poiché non c'è un collegamento meccanico tra il motore e la slitta, non c'è una riduzione meccanica come nel caso di una vite a sfera. Il carico si trasferisce al motore in un rapporto 1:1. Con un azionamento con vite a ricircolo di sfere, l'inerzia del carico sulla slitta verso il motore si riduce del quadrato del rapporto di riduzione. Questo rende l'azionamento del motore lineare meno adatto ad applicazioni con frequenti cambiamenti di carico, a meno che non si scelga un controllore che si possa programmare con diversi set di parametri di controllo del motore corrispondenti a carichi diversi per ottenere un'efficace servo compensazione.

Per molte applicazioni verticali, una vite a ricircolo di sfere è più semplice ed economica - il motore lineare deve essere continuamente eccitato per compensare la gravità. Inoltre, un freno elettromeccanico può bloccare la posizione della tavola quando l'alimentazione è spenta. È possibile utilizzare un motore lineare, tuttavia, se si compensano il motore e il peso del carico con una molla, un contrappeso o un cilindro d'aria.

Nel costo iniziale, c'è poca differenza tra un motore lineare e una vite a sfera che include motore, accoppiamenti, cuscinetti, blocchi di cuscinetti e vite a sfera. In generale, un motore lineare a spazzole è leggermente più economico di un azionamento a vite a sfera, e le versioni senza spazzole sono di solito un po' più costose.

C'è più da considerare del costo iniziale. Un confronto più realistico include la manutenzione, l'affidabilità, la durata e i costi di sostituzione, compresa la manodopera. Qui, il motore lineare si mostra bene.

La seconda parte riguarderà i sistemi di misurazione della posizione.