תעשיות האלקטרוניקה, האופטיקה, המחשבים, הפיקוח, האוטומציה והלייזר דורשות מפרטים מגוונים של מערכות מיקום.אין מערכת אחת שנכונה לכולם.

כדי להבטיח שמערכת מיקום מדויקת תפעל בצורה אופטימלית, הרכיבים המרכיבים את המערכת - מיסבים, מערכת מדידת מיקום, מערכת מנוע והנעה ובקר - חייבים לעבוד יחד בצורה הטובה ביותר האפשרית כדי לעמוד בקריטריונים של היישום.

בסיס ומיסב

כדי להחליט על תצורת המערכת האופטימלית, יש לקחת בחשבון תחילה את החלק המכני של המערכת. עבור שלבים ליניאריים, אלו הן ארבע אפשרויות תכנון נפוצות של בסיס ומסבים:
• בסיס ומגלשה מאלומיניום עם מיסבי כדור בולטון.
• בסיס אלומיניום או פלדה ודופן אלומיניום או פלדה עם ארבעה בלוקים של מיסבי גלילים מסתובבים על גבי מסילות פלדה.
• בסיס ומגלשה מברזל יצוק מיחנייט עם מיסבי גלילים משולבים.
• מדריכי גרניט עם מיסבי הזזה ואוויר מגרניט או ברזל יצוק.

אלומיניום קל יותר ממעהניט או פלדה אך פחות נוקשה, פחות יציב, פחות עמיד בפני מכות ופחות עמיד בפני מאמץ. בנוסף, אלומיניום רגיש הרבה יותר לשינויי טמפרטורה. ברזל יצוק נוקשה ב-150% מאלומיניום וב-300% יותר בבלימת רעידות. פלדה עמידה וחזקה יותר מברזל. עם זאת, היא סובלת מצלצולים ממושכים, דבר שפוגע בזמני התנועה וההתייצבות המהירים.

מובילי גרניט עם מיסבי אוויר מספקים את השילוב הנוקשה והעמיד ביותר. ניתן ללטש גרניט לקבלת ישרות וישרה בטווח תת-מיקרון. החיסרון של שולחן גרניט הוא שבגלל מסת הגרניט, יש לו מעטפת חלל גדולה יותר ושוקל יותר ממערכת מיקום מבוססת פלדה או ברזל. עם זאת, מכיוון שאין מגע בין המיסבים למשטחי מובילי הגרניט, אין בלאי, ומיסבי האוויר הם במידה רבה ניקוי עצמי. כמו כן, לגרניט מאפייני ריסון רעידות מצוינים ויציבות תרמית.

בנוסף, עיצוב השולחן עצמו חשוב לביצועיו הכוללים. שולחנות מגיעים במגוון תצורות, החל מיחידות המחוברות יחד עם חלקים רבים ועד בסיסים יצוקים פשוטים ומגלשות. שימוש בחומר אחד לאורך כל השולחן מספק בדרך כלל תגובה אחידה יותר לשינויי טמפרטורה, מה שמוביל למערכת מדויקת יותר. מאפיינים כמו צלעות מספקים ריסון, המאפשר התייצבות מהירה.

לדרכים אינטגרליות יש יתרון על פני דריכות מוברגות בכך שגם לאחר זמן רב, אין צורך בכוונון הדריכות לצורך עומס מקדים.

מיסבי גלילים מוצלבים בעלי מגע קווי בין הגליל למסילה, בעוד שלמיסבי כדורים יש מגע נקודתי בין הכדור למסילה. זה בדרך כלל מביא לתנועה חלקה יותר עבור מיסבי גלילים. יש פחות עיוות פני השטח (ובלאי) על פני השטח של הגלגול ויש שטח מגע גדול יותר, כך שהעומס מחולק בצורה שווה יותר. עומסים של עד 4.5 עד 14 ק"ג/גליל הם סטנדרטיים, יחד עם קשיחות מכנית גבוהה של כ-150 עד 300 ניוטון/מיקרון. החסרונות כוללים חיכוך מובנה ממגע הקו.

שטח המגע הקטן שמגביל את החיכוך של מיסב הכדורים, מגביל גם את כושר העומס שלו. למסבי גלילה יש בדרך כלל אורך חיים ארוך יותר מאשר למסבי כדורים. עם זאת, מיסבי גלילה עולים יותר.

גדלי שולחן סטנדרטיים של יצרן אחד כוללים אורך של 25 עד 1,800 מ"מ ורוחב מגלשה של 100 עד 600 מ"מ.

תצורת מיסב אוויר מורכבת ממיסבי הרמה ומכוון המוטענים מראש על ידי מיסבי אוויר מנוגדים או על ידי מגנטים נדירים בעלי עוצמה גבוהה המוטבעים בחלקים המכוונים. עיצוב ללא מגע זה מונע את החיכוך של עיצובי מיסבים אחרים. כמו כן, מיסבי אוויר אינם סובלים מבלאי מכני. יתר על כן, ניתן למקם מיסבי אוויר במרווחים גדולים זה מזה. לפיכך, שגיאות גיאומטריות הנובעות מכך ממוצעות, מה שיוצר סטיות זוויתיות של פחות משנייה אחת של קשת וישור של יותר מ-0.25 מיקרון על פני 200 מ"מ.

קשה לספק ערכים מספריים - הם תלויים בגורמים רבים. לדוגמה, דיוק המיקום תלוי לא רק במיסבים או במוליכים, אלא גם במערכת מדידת המיקום ובבקר. חיכוך במערכת מיקום תלוי לא רק במערכת ההנעה שבחרתם, אלא גם בכוונון המסבים, איטום השולחן, שימון וכן הלאה. לכן, הערכים המדויקים שניתן להגיע אליהם תלויים במידה רבה בשילוב של כל הרכיבים, אשר בתורו תלוי ביישום.

מערכת הנעה

מבין הסוגים הרבים של מערכות הנעה - רצועה, מתלה וגלגל שיניים, בורג מוביל, בורג כדורי עם השחזה מדויקת ומנוע ליניארי - רק שתי האחרונות נחשבות עבור רוב מערכות המיקום בעלות דיוק גבוה.

מנועי בורג כדוריים מגיעים במגוון מאפייני רזולוציה, דיוק וקשיחות, ויכולים לספק מהירויות גבוהות (מעל 250 מ"מ/שנייה). עם זאת, מכיוון שמנוע הבורג הכדוריים מוגבל על ידי מהירות הסיבוב הקריטית של הבורג, מהירות גבוהה יותר דורשת פסיעה נמוכה יותר, עם פחות יתרון מכני ומנוע בעל הספק גבוה יותר. משמעות הדבר היא בדרך כלל מעבר למנוע בעל הספק גבוה יותר ומתח אפיק גבוה יותר. מנועי בורג כדוריים, למרות שהם נמצאים בשימוש נרחב, עלולים לסבול גם מחופש מכני, סיבוב, שגיאות מחזוריות פסיעה וחיכוך. כמו כן, מתעלמים מקשיחות הצימוד המכני המחבר בין המנוע להינע.

עם מנוע סרבו ליניארי, הכוח האלקטרומגנטי פועל ישירות על המסה הנעה ללא קשר מכני. אין היסטרזיס מכנית או שגיאת מחזור גובה. הדיוק תלוי לחלוטין במערכת המיסב ובמערכת בקרת המשוב.

קשיחות דינמית מציינת עד כמה מערכת סרוו שומרת על מיקום בתגובה לעומס אימפולס. באופן כללי, רוחב פס גדול יותר והגבר גבוה יותר מספקים קשיחות דינמית גדולה יותר. ניתן לכמת זאת על ידי חלוקת עומס האימפולס הנמדד במרחק הסטייה:

קשיחות דינמית = ΔF/ΔX

הנוקשות הגבוהה והתדר הטבעי הגבוה מביאים להתנהגות סרוו מצוינת עם זמני התייצבות קצרים. המגלשה מגיבה במהירות לשינויים בפקודות מיקום מכיוון שאין קשר מכני בין המנוע למגלשה. כמו כן, מכיוון שאין "צלצול" של בורג הכדור, ניתן להשיג זמני תנועה והתייצבות מהירים.

מנוע ליניארי ללא מברשות מורכב ממכלול מגנט קבוע המחובר לבסיס המכונה, ומכלול סליל המחובר למגלשה. נשמר מרווח של כ-0.5 מ"מ בין מכלול הסליל למגנטים. אין מגע פיזי בין שני המכלולים.

ליבת מכלול הסליל הנע מכילה סדרה של סלילי נחושת חופפים ומבודדים. אלה מלופפים ומשובצים במדויק לפעולה תלת-פאזית. סדרה של חיישני אפקט הול משמשת לקומוטציה האלקטרונית. תכנון האלקטרוניקה של הקומוטציה מספק תנועה עם אדוות כוח זניחות. מכיוון שהקומוטציה היא אלקטרונית ולא מכנית, קשת קומוטציה מבוטלת.

תכונות אלו הופכות מנוע סרבו ליניארי לשימושי ביישומים הדורשים תאוצה גבוהה (נניח 2.5 מטר/שנייה או יותר), מהירות גבוהה (נניח 2 מטר/שנייה או יותר), או בקרת מהירות מדויקת, אפילו במהירות נמוכה מאוד (נניח רק כמה מ"מ/שנייה). יתר על כן, מנוע כזה אינו זקוק לשימון או לתחזוקה אחרת ואינו סובל מבלאי. כמו בכל מנוע אחר, בגלל פיזור חום, ערך ה-RMS של הכוח או הזרם הרציף אסור שיעלה על הערכים המותרים למשך תקופות ארוכות.

ניתן להשיג מנועי סרבו ליניאריים בכוחות הנעה רציפים של 25 עד יותר מ-5,000 ניוטון. לרוב המנועים הגדולים יותר יש קירור אוויר או מים. ניתן לחבר מספר מנועים ליניאריים במקביל או בטור כדי לקבל כוחות הנעה גבוהים יותר.

מכיוון שאין קשר מכני בין המנוע למגלשה, אין פיצוי מכני כמו שיש עם בורג כדורי. העומס מועבר ביחס של 1:1 למנוע. עם הנעת בורג כדורי, אינרציית העומס על המגלשה למנוע מופחתת בריבוע יחס הפיצוי. זה הופך את הנעת המנוע הליניארית לפחות מתאימה ליישומים עם שינויי עומס תכופים, אלא אם כן בוחרים בקר שניתן לתכנת עם קבוצות שונות של פרמטרי בקרת מנוע התואמים לעומסים שונים כדי לקבל פיצוי סרוו יעיל.

עבור יישומים אנכיים רבים, בורג כדורי קל וחסכוני יותר - המנוע הליניארי חייב להיות מופעל באופן רציף כדי לקזז את כוח הכבידה. כמו כן, בלם אלקטרומכני יכול לנעול את מיקום השולחן כאשר החשמל כבוי. עם זאת, ניתן להשתמש במנוע ליניארי אם מקזזים את המנוע ומשקל העומס באמצעות קפיץ, משקל נגד או גליל אוויר.

מבחינת עלות התחלתית, יש הבדל קטן בין מנוע ליניארי להנעת בורג כדורי הכוללת מנוע, מצמדים, מיסבים, בלוקי מיסבים וברג כדורי. באופן כללי, מנוע ליניארי מסוג מברשות זול מעט יותר מהנעת בורג כדורי, וגרסאות ללא מברשות בדרך כלל יקרות מעט יותר.

יש לקחת בחשבון יותר מאשר העלות הראשונית. השוואה ריאליסטית יותר כוללת תחזוקה, אמינות, עמידות ועלויות החלפה, כולל עבודה. כאן, המנוע הליניארי מציג את עצמו היטב.

חלק 2 יכסה מערכות למדידת מיקום.