Elektronik, optik, bilgisayar, muayene, otomasyon ve lazer endüstrileri çeşitli konumlandırma sistemi spesifikasyonlarına ihtiyaç duyar.Hiçbir sistem herkes için doğru değildir.

Yüksek doğruluklu bir konumlandırma sisteminin en iyi şekilde çalışmasını sağlamak için, sistemi oluşturan bileşenlerin (yatakların, konum ölçüm sisteminin, motor ve tahrik sisteminin ve kontrolörün) uygulama kriterlerini karşılamak için mümkün olduğunca birlikte çalışması gerekir.

Taban ve yatak

Optimum sistem konfigürasyonuna karar vermek için öncelikle sistemin mekanik kısmını göz önünde bulundurun. Doğrusal kademeler için, dört yaygın taban ve yatak tasarım seçeneği şunlardır:
• Alüminyum taban ve bolton bilyalı yataklı kızak.
• Çelik veya alüminyum taban ve çelik veya alüminyum yan yüzey, çelik raylar üzerinde dört adet devridaim makaralı rulman bloğu.
• Meehanite döküm taban ve entegre rulman yataklı kızak.
• Granit veya döküm kızaklı ve hava yataklı granit kılavuzlar.

Alüminyum, mehanit veya çelikten daha hafiftir ancak daha az sert, daha az kararlı, darbelere daha az dayanıklı ve daha az gerilime dayanıklıdır. Ayrıca, alüminyum sıcaklık değişimlerine çok daha duyarlıdır. Dökme demir, alüminyumdan %150 daha sert ve titreşim sönümlemede %300 daha iyidir. Çelik, demirden daha dayanıklı ve daha güçlüdür. Ancak, hızlı hareket ve yerleşme sürelerini olumsuz etkileyen uzun süreli çınlama sorunu yaşar.

Hava yataklı granit kılavuzlar en sert ve en dayanıklı kombinasyonu sağlar. Granit, mikron altı aralığında düzlük ve doğruluk için cilalanabilir. Granit tablanın dezavantajı, granitin kütlesi nedeniyle daha geniş bir alan zarfına sahip olması ve çelik veya demir bazlı bir konumlandırma sisteminden daha ağır olmasıdır. Ancak, yataklar ve granit kılavuz yüzeyleri arasında temas olmadığından aşınma olmaz ve hava yatakları büyük ölçüde kendi kendini temizler. Ayrıca granit, mükemmel titreşim sönümleme özelliklerine ve termal stabiliteye sahiptir.

Ayrıca, masanın tasarımı da genel performansında önemlidir. Masalar, çok parçalı cıvata bağlantılı ünitelerden basit döküm taban ve kızaklara kadar çeşitli konfigürasyonlarda gelir. Masanın tamamında tek bir malzeme kullanılması, genellikle sıcaklık değişimlerine daha homojen tepki vererek daha hassas bir sistem sağlar. Nervürlü yapı gibi özellikler, hızlı yerleşmeyi sağlayan sönümleme sağlar.

İntegral rayların cıvatalı raylara göre avantajı, uzun bir süre sonra bile ön yükleme için raylarda ayarlama yapılmasına gerek kalmamasıdır.

Çapraz makaralı rulmanlar, makara ile yuvarlanma yolu arasında çizgisel temasa sahipken, bilyalı rulmanlar bilya ile yuvarlanma yolu arasında noktasal temasa sahiptir. Bu, genellikle makaralı rulmanlar için daha akıcı bir hareket sağlar. Yuvarlanan yüzeyde daha az yüzey deformasyonu (ve aşınması) olur ve daha geniş bir temas alanı olduğundan, yük daha eşit dağılır. Makara başına 4,5 ila 14 kg'a kadar yükler standarttır ve yaklaşık 150 ila 300 Newton/mikron gibi yüksek bir mekanik sertliğe sahiptir. Dezavantajları arasında, çizgisel temastan kaynaklanan doğal sürtünme bulunur.

Ancak bilyalı rulmanın sürtünmesini sınırlayan küçük temas alanı, yük kapasitesini de sınırlar. Makaralı rulmanlar genellikle bilyalı rulmanlardan daha uzun ömürlüdür. Ancak makaralı rulmanlar daha pahalıdır.

Bir üreticinin standart masa ölçüleri 25 ila 1.800 mm uzunluk ve 100 ila 600 mm kızak genişliğini içerir.

Hava yatağı konfigürasyonu, karşıt hava yatakları veya kılavuz elemanlarına yerleştirilmiş yüksek kuvvetli nadir toprak mıknatısları tarafından önceden yüklenmiş kaldırma ve kılavuz yataklarından oluşur. Bu temassız tasarım, diğer yatak tasarımlarının sürtünmesini önler. Ayrıca, hava yatakları mekanik aşınmaya maruz kalmaz. Dahası, hava yatakları birbirinden geniş aralıklarla yerleştirilebilir. Böylece, ortaya çıkan geometrik hataların ortalaması alınarak, 1 saniyeden az yay açısı sapmaları ve 200 mm'de 0,25 mikrondan daha iyi bir doğrusallık elde edilir.

Sayısal değerlerin sağlanması zordur; birçok faktöre bağlıdır. Örneğin, konumlandırma doğruluğu yalnızca rulmanlara veya kılavuzlara değil, aynı zamanda konum ölçüm sistemine ve kontrol cihazına da bağlıdır. Bir konumlandırma sistemindeki sürtünme yalnızca hangi tahrik sistemini seçtiğinize değil, aynı zamanda rulman ayarına, tabla sızdırmazlığına, yağlamaya vb. de bağlıdır. Bu nedenle, ulaşılabilecek kesin değerler büyük ölçüde tüm bileşenlerin kombinasyonuna, dolayısıyla uygulamaya bağlıdır.

Tahrik sistemi

Çok sayıda tahrik sistemi türü (kayış, kremayer ve pinyon, vidalı mil, hassas taşlanmış bilyalı mil ve doğrusal motor) arasında, çoğu yüksek hassasiyetli konumlandırma sistemi için yalnızca son ikisi dikkate alınır.

Bilyalı vidalı tahrikler çeşitli çözünürlük, hassasiyet ve sertlik özelliklerine sahiptir ve yüksek hızlar (250 mm/sn'nin üzerinde) sağlayabilir. Ancak, bilyalı vidalı tahrik, vidanın kritik dönme hızıyla sınırlı olduğundan, daha yüksek hız, daha az mekanik avantaj sağlayan daha düşük bir adım ve daha yüksek güçlü bir motor gerektirir. Bu genellikle daha yüksek bara voltajına sahip daha güçlü bir motor tahrikine geçmek anlamına gelir. Bilyalı vidalı tahrikler, yaygın olarak kullanılmalarına rağmen, mekanik boşluk, sarma, adım döngüsel hataları ve sürtünme sorunlarıyla da karşılaşabilirler. Ayrıca, motor ve tahriki birleştiren mekanik kaplinin sertliği de göz ardı edilir.

Doğrusal servo motorda, elektromanyetik kuvvet, mekanik bir bağlantı olmaksızın doğrudan hareketli kütleye etki eder. Mekanik histerezis veya eğim çevrimsel hatası oluşmaz. Doğruluk tamamen rulman sistemine ve geri besleme kontrol sistemine bağlıdır.

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

Dinamik sertlik = ΔF/ΔX

Yüksek sertlik ve yüksek doğal frekans, kısa yerleşme süreleriyle mükemmel servo davranışı sağlar. Motor ve kızak arasında mekanik bir bağlantı olmadığı için kızak, konum değişikliği komutlarına hızlı tepki verir. Ayrıca, bilyalı vida "çınlaması" olmadığı için hızlı hareket ve yerleşme süreleri elde edilebilir.

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

Hareketli bobin tertibatının çekirdeği, üst üste bindirilmiş ve yalıtılmış bir dizi bakır bobin içerir. Bunlar, üç fazlı çalışma için hassas bir şekilde sarılmış ve eğimlidir. 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 oluşmaz.

Bu özellikler, doğrusal bir servo motoru yüksek ivmelenme (örneğin 2,5 m/sn² veya daha fazla), yüksek hız (örneğin 2 m/sn² veya daha fazla) veya çok düşük hızlarda bile (örneğin sadece birkaç mm/sn) hassas hız kontrolü gerektiren uygulamalarda kullanışlı hale getirir. Dahası, böyle bir motor yağlama veya başka bir bakım gerektirmez ve aşınmaz. Diğer tüm motorlarda olduğu gibi, ısı dağılımı nedeniyle, sürekli kuvvet veya akımın rms değeri uzun süreler boyunca izin verilen değerleri aşmamalıdır.

25 N'den 5.000 N'nin üzerine kadar sürekli tahrik kuvvetlerine sahip lineer servo motorlar bulabilirsiniz. Çoğu büyük motor hava veya su soğutmalıdır. Daha yüksek tahrik kuvvetleri elde etmek için birden fazla lineer motor paralel veya seri olarak bağlanabilir.

Motor ve kızak arasında mekanik bir bağlantı olmadığından, bilyalı vidada olduğu gibi mekanik bir redüksiyon söz konusu değildir. Yük, motora 1:1 oranında aktarılır. Bilyalı vidalı tahrikte, kızak üzerindeki motora aktarılan yük ataleti, redüksiyon oranının karesi oranında azaltılır. Bu durum, farklı yüklere karşılık gelen farklı motor kontrol parametrelerini programlayıp etkili servo kompanzasyonu elde edebileceğiniz bir kontrolör seçmediğiniz sürece, doğrusal motor tahrikini sık yük değişimlerinin olduğu uygulamalar için daha az uygun hale getirir.

Birçok dikey uygulama için bilyalı vida daha kolay ve daha uygun maliyetlidir; doğrusal motor, yerçekimini dengelemek için sürekli olarak enerjilendirilmelidir. Ayrıca, elektromekanik bir fren, güç kesildiğinde tabla konumunu sabitleyebilir. Ancak, motoru ve yük ağırlığını bir yay, karşı ağırlık veya hava silindiri ile dengelerseniz doğrusal bir motor kullanabilirsiniz.

Başlangıç maliyeti açısından, lineer motor tahriki ile motor, kaplinler, rulmanlar, rulman blokları ve bilyalı vida içeren bir bilyalı vida tahriki arasında çok az fark vardır. Genel olarak, fırça tipi bir lineer motor, bilyalı vida tahrikinden biraz daha ucuzdur ve fırçasız versiyonları genellikle biraz daha pahalıdır.

İlk maliyetten daha fazlasını hesaba katmak gerekir. Daha gerçekçi bir karşılaştırma, bakım, güvenilirlik, dayanıklılık ve işçilik dahil değiştirme maliyetlerini de içerir. Burada, doğrusal motor iyi bir performans sergiliyor.

2. Bölümde pozisyon ölçüm sistemleri ele alınacaktır.