Elektroniikka-, optiikka-, tietokone-, tarkastus-, automaatio- ja laserteollisuus vaativat erilaisia ​​paikannusjärjestelmäspesifikaatioita.Mikään järjestelmä ei sovi kaikille.

Jotta erittäin tarkka paikannusjärjestelmä toimisi optimaalisesti, järjestelmän komponenttien – laakereiden, paikanmittausjärjestelmän, moottori- ja käyttöjärjestelmän sekä ohjaimen – on toimittava yhdessä mahdollisimman hyvin sovelluskriteerien täyttämiseksi.

Pohja ja laakeri

Optimaalisen järjestelmäkokoonpanon määrittämiseksi on ensin otettava huomioon järjestelmän mekaaninen osa. Lineaarisille vaiheille on olemassa neljä yleistä jalusta-laakeri-suunnitteluvaihtoehtoa:
• Alumiinijalusta ja liukukisko pulttikiinnityksellä varustetuilla kuulalaakereilla.
• Alumiini- tai teräsjalusta ja alumiini- tai terässivu, jossa neljä teräskiskoilla pyörivää rullalaakerilohkoa.
• Meehaniittivalurautainen jalusta ja liukukisko integroiduilla rullalaakerikiskoilla.
• Graniittikiskot graniitti- tai valurautaliukukiskoilla ja ilmalaakereilla.

Alumiini on kevyempää kuin meehaniitti tai teräs, mutta vähemmän jäykkää, vähemmän vakaata, kestää vähemmän iskuja ja on vähemmän jännitystä kestävä. Lisäksi alumiini on paljon herkempi lämpötilan muutoksille. Valurauta on 150 % jäykempää kuin alumiini ja 300 % parempi tärinänvaimennuksessa. Teräs on kestävää ja vahvempaa kuin rauta. Se kärsii kuitenkin pitkittyneestä sointivärähtelystä, mikä on haitallista nopealle liikkumiselle ja painumisnopeudelle.

Ilmalaakerilla varustetut graniittiohjaimet tarjoavat jäykimmän ja kestävimmän yhdistelmän. Graniittia voidaan kiillottaa tasaiseksi ja suoreksi alle mikronin tarkkuudella. Graniittipöydän haittapuolena on, että graniitin massan vuoksi sillä on suurempi tilavuus ja se painaa enemmän kuin teräksestä tai raudasta valmistettu paikannusjärjestelmä. Koska laakerien ja graniittiohjainpintojen välillä ei kuitenkaan ole kosketusta, kulumista ei tapahdu, ja ilmalaakerit ovat pitkälti itsepuhdistuvia. Graniitilla on myös erinomaiset tärinänvaimennusominaisuudet ja lämmönkestävyys.

Lisäksi itse pöydän suunnittelulla on tärkeä rooli pöydän kokonaissuorituskyvyssä. Pöytiä on saatavilla useissa eri kokoonpanoissa monista osista koostuvista pulttiyhteenliitettävistä yksiköistä yksinkertaisiin valettuihin jalustoon ja liukukiskoihin. Yhden materiaalin käyttö koko pöydässä tarjoaa yleensä tasaisemman vasteen lämpötilan vaihteluihin, mikä johtaa tarkempaan järjestelmään. Ominaisuudet, kuten uritus, tarjoavat vaimennusta, mikä mahdollistaa nopean asettumisen.

Kiinteillä radoilla on etu pulttikiinnitteisiin ratoihin verrattuna siinä, että ratoja ei tarvitse säätää esijännityksen vuoksi edes pitkän ajan kuluttua.

Risteävissä rullalaakereissa on linjakosketus rullan ja vierintäradan välillä, kun taas kuulalaakereissa on pistekosketus kuulan ja vierintäradan välillä. Tämä yleensä johtaa rullalaakereiden tasaisempaan liikkeeseen. Vierintäpinnan muodonmuutos (ja kuluminen) on vähäisempää ja kosketuspinta-ala on suurempi, joten kuorma jakautuu tasaisemmin. Vakiona käytetään kuormaa jopa 4,5–14 kg/rulla, ja laakerin mekaaninen jäykkyys on korkea, noin 150–300 newtonia/mikroni. Haittoja ovat linjakosketuksen aiheuttama kitka.

Kuulalaakerin kitkaa rajoittava pieni kosketuspinta-ala rajoittaa kuitenkin myös sen kuormituskykyä. Rullalaakerit ovat yleensä pidempiä kuin kuulalaakereiden. Rullalaakerit ovat kuitenkin kalliimpia.

Yhden valmistajan vakiopöytien koot ovat pituudeltaan 25–1 800 mm ja liukukiskon leveydeltään 100–600 mm.

Ilmalaakerikokoonpano koostuu nosto- ja ohjauslaakereista, jotka on esikuormitettu vastakkaisilla ilmalaakereilla tai ohjauselimiin upotetuilla suuritehoisilla harvinaisten maametallien magneeteilla. Tämä kosketukseton rakenne välttää muiden laakerirakenteiden aiheuttaman kitkan. Ilmalaakerit eivät myöskään kärsi mekaanisesta kulumisesta. Lisäksi ilmalaakerit voidaan sijoittaa suurelle etäisyydelle toisistaan. Näin syntyvät geometriset virheet keskiarvoistuvat, jolloin kulmapoikkeamat ovat alle 1 kaarisekunnin ja suoruus parempi kuin 0,25 mikronia 200 mm:n matkalla.

Numeeristen arvojen antaminen on vaikeaa – ne riippuvat monista tekijöistä. Esimerkiksi paikannustarkkuus ei riipu pelkästään laakereista tai ohjaimista, vaan myös paikanmittausjärjestelmästä ja ohjaimesta. Paikannusjärjestelmän kitka ei riipu ainoastaan ​​valitusta käyttöjärjestelmästä, vaan myös laakerien säädöstä, pöydän tiivistyksestä, voitelusta ja niin edelleen. Siksi saavutettavat tarkat arvot riippuvat hyvin paljon kaikkien komponenttien yhdistelmästä, joka puolestaan ​​riippuu sovelluksesta.

Käyttöjärjestelmä

Monista käyttöjärjestelmistä – hihnakäyttöisistä, hammastankokäyttöisistä, johtoruuvikäyttöisistä, tarkkuushiotuista kuularuuveista ja lineaarimoottorikäyttöisistä – vain kahta viimeistä pidetään useimpien tarkkojen paikannusjärjestelmien tyyppeinä.

Kuularuuvikäyttöjä on saatavilla useilla eri resoluutio-, tarkkuus- ja jäykkyysominaisuuksilla, ja ne voivat tarjota suuria nopeuksia (yli 250 mm/s). Koska kuularuuvikäyttöä rajoittaa kuitenkin ruuvin kriittinen pyörimisnopeus, suurempi nopeus vaatii pienemmän nousun, vähemmän mekaanista etua ja tehokkaamman moottorin. Tämä tarkoittaa yleensä vaihtamista tehokkaampaan moottorikäyttöön, jolla on suurempi väyläjännite. Kuularuuvikäytöt, vaikka niitä käytetäänkin laajalti, voivat kärsiä myös mekaanisesta välyksestä, kiertymisestä, nousun syklisistä virheistä ja kitkasta. Myös moottorin ja käytön yhdistävän mekaanisen kytkimen jäykkyyttä ei huomioida.

Lineaariservomoottorissa sähkömagneettinen voima vaikuttaa suoraan liikkuvaan massaan ilman mekaanista yhteyttä. Mekaanista hystereesiä tai nousun syklistä virhettä ei ole. Tarkkuus riippuu täysin laakerijärjestelmästä ja takaisinkytkentäohjausjärjestelmästä.

Dynaaminen jäykkyys osoittaa, kuinka hyvin servojärjestelmä säilyttää asennon impulssikuorman vasteena. Yleisesti ottaen suurempi kaistanleveys ja suurempi vahvistus tarjoavat suuremman dynaamisen jäykkyyden. Tämä voidaan mitata jakamalla mitattu impulssikuorma taipumamatkalla:

Dynaaminen jäykkyys = ΔF/ΔX

Suuri jäykkyys ja korkea ominaistaajuus takaavat erinomaisen servokäytön ja lyhyet asettumisajat. Luisti reagoi nopeasti asentokomentojen muutoksiin, koska moottorin ja luistin välillä ei ole mekaanista kytkentää. Koska kuularuuvien "kelloa" ei ole, voidaan saavuttaa nopeat liike- ja asettumisajat.

Harjaton lineaarimoottori koostuu koneen alustaan ​​kiinnitetystä kestomagneettikokoonpanosta ja luistiin kiinnitetystä käämikokoonpanosta. Käämikokoonpanon ja magneettien väliin jää noin 0,5 mm:n rako. Kokoonpanojen välillä ei ole fyysistä kosketusta.

Liikkuvan kelakokoonpanon ytimessä on sarja päällekkäisiä ja eristettyjä kuparikeloja. Nämä on tarkkuuskäämitetty ja -jaettu kolmivaihekäyttöä varten. Elektroniseen kommutointiin käytetään Hall-anturisarjaa. Kommutointielektroniikan rakenne mahdollistaa liikkeen, jonka voiman aaltoilu on merkityksetön. Koska kommutointi on elektronista mekaanisen sijaan, kommutointiin liittyvä valokaaren muodostuminen eliminoituu.

Nämä ominaisuudet tekevät lineaariservomoottorista hyödyllisen sovelluksissa, jotka vaativat suurta kiihtyvyyttä (esimerkiksi 2,5 m/s² tai enemmän), suurta nopeutta (esimerkiksi 2 m/s tai enemmän) tai tarkkaa nopeuden säätöä jopa hyvin pienillä nopeuksilla (esimerkiksi vain muutama mm/s). Lisäksi tällainen moottori ei tarvitse voitelua tai muuta huoltoa, eikä se kulu. Kuten minkä tahansa muun moottorin kohdalla, lämmönhukkavedon vuoksi jatkuvan voiman tai virran rms-arvo ei saa ylittää sallittuja arvoja pitkiä aikoja.

Lineaariservomoottoreita on saatavilla jatkuvalla käyttövoimalla 25:stä yli 5 000 N:iin. Useimmissa suuremmissa moottoreissa on ilma- tai vesijäähdytys. Useita lineaarimoottoreita voidaan kytkeä rinnan tai sarjaan suurempien käyttövoimien saamiseksi.

Koska moottorin ja luistin välillä ei ole mekaanista kytkentää, ei ole olemassa mekaanista alennusvaihdetta, kuten kuularuuvikäytössä. Kuorma siirtyy moottoriin suhteessa 1:1. Kuularuuvikäytössä luistin ja moottorin välinen kuorman inertia pienenee alennussuhteen neliöllä. Tämä tekee lineaarimoottorikäytöstä vähemmän sopivan sovelluksiin, joissa kuormitus muuttuu usein, ellet valitse ohjainta, jolle voit ohjelmoida erilaisia ​​moottorinohjausparametreja eri kuormille tehokkaan servokompensoinnin saavuttamiseksi.

Monissa pystysuorissa sovelluksissa kuularuuvi on helpompi ja kustannustehokkaampi – lineaarimoottorin on oltava jatkuvasti virransyötössä painovoiman kompensoimiseksi. Myös sähkömekaaninen jarru voi lukita pöydän asennon, kun virta on katkaistu. Voit kuitenkin käyttää lineaarimoottoria, jos tasapainotat moottorin ja kuorman painon jousella, vastapainolla tai ilmasylinterillä.

Alkuperäisissä kustannuksissa lineaarimoottorikäytön ja kuularuuvikäytön välillä on vain vähän eroa. Kuularuuvikäyttö sisältää moottorin, kytkimet, laakerit, laakeripukit ja kuularuuvin. Yleisesti ottaen harjallinen lineaarimoottori on hieman halvempi kuin kuularuuvikäyttö, ja harjattomat versiot ovat yleensä jonkin verran kalliimpia.

Alkuperäisten kustannusten lisäksi on otettava huomioon muutakin. Realistisempi vertailu sisältää huollon, luotettavuuden, kestävyyden ja vaihtokustannukset, mukaan lukien työvoiman. Tässä lineaarimoottori pärjää hyvin.

Osa 2 käsittelee paikannusjärjestelmiä.