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I servomotori direct drive e le loro applicazioni nel campo dell’automazione industriale

Motore direct drive con raffreddamento a liquido. Motore direct drive con raffreddamento a liquido.

Precisione e ripetibilità elevate; facilità di manutenzione; controllo di velocità ideale e grande dinamicità di risposta sono solo alcuni dei benefici garantiti dall’utilizzo dei motori direct drive, in grado di azionare un carico senza organi di trasmissione. Grazie a questi vantaggi, i motori trovano applicazione nel settore dell’automazione, nei semiconduttori, nei monitor a schermo piatto, nelle macchine utensili, nei robot e persino nell’industria aerospaziale e della difesa.

di Chen Kaidi e Lin Huangming

Novembre 2016

I motori direct drive, o a trazione diretta, sono in grado di azionare un carico direttamente, anche senza organi di trasmissione, e sono dotati di un’ottima dinamicità di risposta. Grazie a un sistema di movimento senza punti di contatto, essi non sono soggetti né a usura né a gioco; sono pertanto dotati di precisione e ripetibilità molto elevate, nonché di altri vantaggi quali facilità di manutenzione e intervalli di manutenzione più lunghi.
I motori con raffreddamento a liquido conservano le ottime proprietà elettromeccaniche dei motori direct drive, con in più la progettazione del sistema di raffreddamento a liquido, che ha consentito di migliorare notevolmente la forza di propulsione e la coppia dei motori direct drive in ingombri contenuti. Questi sistemi di raffreddamento sono anche efficaci nel disperdere il calore lontano dal corpo del motore e nell’abbassare al minimo il calore trasmesso al carico e alla macchina, riducendo così le alterazioni dimensionali causate dalle variazioni di temperatura e migliorando la precisione del sistema.
L’anello di regolazione ad alta frequenza con l’unità di controllo e azionamento abbinata all’encoder e il sistema di compensazione della precisione ottimizzano ulteriormente la precisione e la dinamicità del motore direct drive. Inoltre, la capacità dell’interfaccia di comunicazione dell’unità di controllo e azionamento di trasmettere al controllore centrale lo stato delle apparecchiature rilevato dai sensori consente una gestione istantanea della macchina: è questa la chiave per raggiungere l’obiettivo dell’interconnessione tra i macchinari sul modello di Industry 4.0.

Il ruolo della tecnologia di azionamento nei servomotori direct drive
Gli azionamenti che movimentano e controllano i motori direct drive giocano un ruolo fondamentale nel sistema di controllo della macchina: maggiori sono le funzioni dell’azionamento, più questo sarà compatibile con le diverse applicazioni industriali. Qui di seguito si illustrano brevemente le funzioni degli azionamenti e i vantaggi da loro offerti.

Impostazione delle modalità operative degli azionamenti. In generale, gli azionamenti, oltre a consentire l’impostazione di posizione/velocità/coppia, insieme al controllore a monte costituiscono il sistema di controllo della macchina. Gli azionamenti possono anche essere impostati in modalità operativa indipendente e, in questo caso, diventano dei microazionamenti in cui le funzioni di azionamento e controllo sono integrate, senza necessità di controllori o PLC aggiuntivi, in quanto è sufficiente utilizzare i segnali I/O e le modalità programmabili dall’utente all’interno dell’azionamento per ottenere il posizionamento desiderato in molteplici punti di lavoro. Questa funzione si applica spesso nel settore dell’automazione ai macchinari pick & place oppure alle tavole basculanti e alle torrette portautensili delle macchine.

Uscite encoder simulate e impostazione della quota.
Con gli azionamenti collegati a un controllore in un anello di regolazione semichiuso o completamente chiuso, il controllore, per poter esercitare la sua funzione, deve ricevere i segnali encoder direttamente dal motore o dall’azionamento. Inoltre, i servomotori direct drive possono essere abbinati a diversi tipi di encoder a seconda del settore di applicazione, come ad esempio encoder ottici analogici nel settore dell’automazione o encoder assoluti seriali (EnDat, BiSS) molto frequenti nelle macchine utensili. Gli azionamenti in grado di supportare diverse tipologie di encoder normalmente hanno un’uscita encoder simulata, che consente di convertire i diversi segnali encoder in segnali numerici universali e di trasmetterli al controllore a monte. Inoltre è possibile impostare una quota di uscite encoder simulate dell’azionamento, per i controllori che presentano una larghezza di banda piuttosto limitata per la ricezione dei segnali encoder.

Capacità degli azionamenti di migliorare la precisione dei motori direct drive.
I motori direct drive sono già caratterizzati da un’elevata precisione di posizionamento. Tuttavia, in applicazioni che richiedono una precisione ancora superiore si ricorre di solito al sistema di compensazione degli errori.
In generale, esistono due metodi di compensazione: tramite controllore e tramite azionamento. In entrambi i metodi è necessario effettuare preventivamente una misurazione laser della precisione. Il metodo di compensazione tramite controllore è diverso, in quanto la posizione comandata che viene trasmessa all’azionamento, e che fa ruotare il motore fino alla posizione più accurata, è data dalla posizione di riferimento più l’errore di posizione misurato. Questo metodo può creare una situazione in cui la posizione di riferimento all’interno del controllore sia diversa dalla posizione comandata e dalla posizione reale.

Acquisire informazioni sul funzionamento dei motori diventa più facile
Confrontando la situazione precedente e quella successiva in una compensazione tramite azionamento, si osserva che la precisione misurata a laser comporta significativi miglioramenti.
Il risultato del confronto dimostra che, dopo la compensazione, la precisione di posizionamento del motore direct drive è migliorata. Inoltre, in questo metodo di compensazione l’errore di posizione misurato è compensato nell’azionamento con la lettura dell’encoder nell’anello di controllo, ottenendo così due vantaggi: fare in modo che la posizione di riferimento nel controllore sia uguale alla posizione comandata e alla posizione reale del motore; creare un’unica tabella di compensazione prima di immettere i motori e gli azionamenti sul mercato, in modo che l’utilizzatore debba solo impostare il valore offset origine, a seconda delle diverse configurazioni del meccanismo, e poi possa utilizzarlo subito, risparmiando così il tempo e il lavoro necessari a effettuare la misurazione laser e a ricreare la tabella di compensazione.
Inoltre, gli azionamenti dei servomotori direct drive sono in grado di acquisire, tramite diversi sensori, lo stato di funzionamento dei motori, come ad esempio la posizione e la velocità di rotazione del motore tramite lettura dell’encoder o un eventuale sovraccarico del motore tramite lettura del sensore di corrente. In precedenza, non era possibile trasmettere queste informazioni di prima mano al controllore a monte, e nemmeno al controllore centrale di automazione dello stabilimento.
Gli azionamenti che supportano un’interfaccia OPEN BUS, come l’interfaccia di comunicazione EtherCAT, consentono all’utilizzatore finale o al costruttore, attraverso la piattaforma iCloud o il controllore centrale, di poter monitorare in qualsiasi momento lo stato di avanzamento della produzione e il funzionamento della macchina, realizzando l’obiettivo di interconnessione tra le macchine di Industria 4.0.

Le applicazioni dei motori direct drive
Per la stabilità di movimento e l’elevata precisione e rapidità di posizionamento che li caratterizzano, i motori direct drive trovano già vasta applicazione nel settore dell’automazione, nei semiconduttori, nei monitor a schermo piatto, nelle macchine utensili, nei robot e persino nell’industria aerospaziale e della difesa (vedi Tabella 1).
La tavola direct drive con encoder ottico, Grazie alle caratteristiche di cui sopra, trova applicazione nelle apparecchiature di scansione e ispezione dei semiconduttori e dei monitor a schermo piatto.
I motori con resolver assoluto, grazie alla loro adattabilità ad ambienti di lavoro specifici e a una tavola dai costi contenuti, trovano applicazione nel pick & place ad alta velocità con posizionamento punto-punto per movimentazioni e assemblaggi nel settore dell’automazione.
I motori con raffreddamento a liquido hanno coppie elevate e garantiscono ottima velocità, accelerazione e dinamicità di risposta: pertanto trovano applicazione negli assi rotanti di tutte le macchine utensili, come ad esempio nelle tavole basculanti e nelle torrette portautensili.
Oltre a ridurre notevolmente i tempi di lavorazione, consentono anche di migliorare la rugosità superficiale dei pezzi lavorati grazie alla precisione di posizionamento e alla stabilità elevate. Inoltre, grazie all’assenza di usura e di gioco, facilitano la manutenzione della macchina e allungano gli intervalli tra una manutenzione e l’altra, incrementando la vita della macchina.

Cosa sono, e come sono fatti, i motori direct drive
In senso lato, i meccanismi direct drive si suddividono in motori lineari e in motori coppia, a seconda se il moto è continuo lineare o continuo rotante. I motori direct drive sono un tipo particolare di servomotori sincroni a magneti permanenti senza spazzole; essi possono essere considerati come dei motori lineari arrotolati, caratterizzati da un numero altamente superiore di poli magnetici rispetto ai servomotori tradizionali, per cui, grazie allo scambio elettromagnetico che si verifica tra i magneti e gli avvolgimenti del motore, sono in grado di trasformare l’energia elettrica in energia meccanica con la massima efficienza. I vantaggi includono grande dinamicità di risposta; elevata precisione e ripetibilità; alta velocità, elevata accelerazione/decelerazione; controllo di velocità ideale; struttura semplice; lunga durata e facile manutenzione.
In base alla struttura, i motori direct drive si suddividono in tavole rotanti e in motori senza carcassa. La tavola rotante è un tipo completo di tavola mobile, facile da progettare e da integrare, costituita da uno statore, un rotore, dei cuscinetti, un encoder e altri componenti strutturali. I motori senza carcassa sono costituiti soltanto dallo statore e dal rotore che generano la forza motrice.

(Gli autori fanno parte di Hiwin Mikrosystems Co.)

 

Ultima modifica ilMartedì, 08 Novembre 2016 11:18

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