I motori lineari hanno ridefinito le possibilità del controllo del movimento, offrendo prestazioni più rapide, precise e affidabili rispetto ai tradizionali attuatori lineari azionati da motori rotativi. La proprietà unica di un motore lineare è che il carico viene spostato senza componenti meccanici di trasmissione della potenza. Invece, la forza lineare generata dal campo magnetico della bobina del motore è direttamente accoppiata al carico. Questo elimina i dispositivi meccanici che convertono il moto rotatorio in moto lineare, migliorando così la durata, la precisione, la velocità e le prestazioni complessive del sistema.

Con la crescente domanda di maggiore produttività, migliore qualità del prodotto, tempi di sviluppo rapidi e costi di progettazione inferiori, l'adozione della tecnologia dei motori lineari sta diventando sempre più diffusa, sfruttando design modulari. Questi motori sono utilizzati in metrologia, sistemi di taglio di precisione, apparecchiature per la produzione di semiconduttori ed elettronica, movimentazione di wafer, litografia, sistemi di ispezione visiva, apparecchiature e dispositivi medicali, sistemi di collaudo, settore aerospaziale e della difesa, automazione delle linee di assemblaggio, applicazioni di stampa e confezionamento e molte altre applicazioni che richiedono elevata produttività e movimento lineare ad alta precisione.

I componenti di un motore lineare devono essere lavorati e assemblati con elevata precisione e processi ripetibili. Il corretto allineamento di queste parti è fondamentale e richiede una progettazione accurata e competenze di assemblaggio di alto livello.

Oggi, la nuova generazione di motori lineari modulari ha rivoluzionato le regole del gioco. I motori lineari modulari chiavi in ​​mano possono essere facilmente imbullonati a un sistema e sono immediatamente pronti all'uso, riducendo significativamente i tempi di progettazione. Gli ingegneri possono ora sfruttare i potenti vantaggi della tecnologia dei motori lineari modulari nei progetti delle loro macchine in pochi giorni, anziché mesi o addirittura anni.

I sistemi di motori lineari sono composti da nove componenti principali:

1. Una piastra di base
2. Una bobina del motore
3. Una pista magnetica permanente (normalmente magneti al neodimio)
4. Un carrello che collega la bobina del motore al carico
5. Guide lineari su cui scorre il carrello e che si collegano alla base
6. Un encoder lineare per il feedback di posizione
7. Finecorsa
8. Un binario per cavi
9. Soffietti opzionali per proteggere la pista magnetica, l'encoder e le guide lineari dalla contaminazione ambientale.

CIRCUITO DI CONTROLLO

I componenti di un motore lineare devono essere lavorati e assemblati con processi di elevata precisione e ripetibilità. Il corretto allineamento di queste parti è fondamentale e richiede una progettazione accurata e competenze di assemblaggio di alto livello. Ad esempio, la pista magnetica e la bobina mobile del motore devono essere piatte, parallele e montate con un determinato traferro tra loro. La bobina mobile scorre su un carrello collegato a guide parallele di precisione lineari sopra la pista magnetica. L'encoder di posizione con scala lineare e testina di lettura è un altro componente fondamentale di un motore lineare che richiede procedure di allineamento adeguate e un design di montaggio robusto per resistere ad accelerazioni fino a 5 G. Con i motori lineari modulari, questi dettagli sono già considerati e pre-ingegnerizzati fin dall'inizio.

I sistemi modulari con motori lineari come quello mostrato vengono utilizzati quando è necessario un movimento lineare preciso, ad alta velocità e ripetibile. Il sistema è un'alternativa agli attuatori a vite a sfere, a cinghia e a cremagliera.

Per controllare il movimento del motore lineare vengono utilizzati sofisticati controllori di movimento e servoazionamenti. I motori lineari offrono un indubbio vantaggio in termini di rigidità e risposta in frequenza. In determinati intervalli di frequenza, presentano una rigidità che supera di ben 10 volte quella delle tradizionali viti a sfere. Grazie a questa caratteristica, i motori lineari possono gestire ampiezze di banda del loop di posizione e velocità con una precisione impressionante, anche in presenza di disturbi esterni. A differenza delle viti a sfere, che spesso incontrano frequenze di risonanza comprese tra 10 e 100 Hz, i motori lineari operano a frequenze più elevate, estendendo le loro risonanze ben oltre la larghezza di banda del loop di posizione.

Tuttavia, l'eliminazione della trasmissione meccanica comporta un compromesso. Componenti meccanici, come le viti a sfere, contribuiscono a ridurre i disturbi dovuti alle forze della macchina, alle frequenze di risonanza naturali o alle vibrazioni trasversali. La loro eliminazione espone i motori lineari direttamente a tali disturbi. Di conseguenza, la compensazione di questi disturbi diventa responsabilità del controller di movimento e dell'elettronica di azionamento, che devono affrontarli direttamente, agendo direttamente sul servoasse. È qui che entrano in gioco gli attuali sofisticati algoritmi di movimento a ciclo chiuso per eliminare le risonanze e fornire un controllo di posizione eccezionale.

Nell'ambito degli attuatori lineari, i motori lineari offrono prestazioni tecniche eccezionali. La loro capacità di offrire una rigidità superiore e di funzionare a frequenze più elevate li distingue dalle alternative tradizionali. Sfidando le frequenze di risonanza e mantenendo un'elevata precisione anche in presenza di disturbi esterni, i motori lineari offrono una soluzione convincente.

Tuttavia, l'assenza di trasmissione meccanica richiede robuste strategie di compensazione per contrastare i disturbi, garantendo prestazioni e affidabilità costanti del sistema. Le frequenze di campionamento dei controller di movimento per i loop di velocità e posizione partono in genere da 5 kHz. Un asse con motore lineare può avere una larghezza di banda del loop di posizione da cinque a dieci volte superiore a quella di un asse con motore rotativo convenzionale, dove frequenze di 1 o 2 kHz sono accettabili. Alcuni controller di movimento attuali possono raggiungere frequenze di campionamento di 20 kHz o superiori, il che consente un controllo di feedback ad altissima velocità e un controllo del percorso estremamente preciso.

Poiché la maggior parte dei produttori di motori lineari modulari sono anche esperti di controllo del movimento e servoazionamento, sono state affrontate con attenzione anche molte sfide relative al circuito di controllo e ai problemi di risonanza meccanica, e sono state fornite soluzioni e strumenti per mitigare tali sfide.

APPLICAZIONE DEL MOTORE LINEARE

Ho maturato una preziosa esperienza nell'uso dei motori lineari anni fa, con un team di ingegneri che si è imbarcato in un progetto rivoluzionario: creare la prima macchina da taglio laser al mondo basata su motori lineari. L'utilizzo dei motori lineari era la soluzione perfetta per rivoluzionare il settore, poiché le tradizionali tecnologie degli attuatori lineari azionate da servomotori rotativi non erano in grado di fornire le elevate prestazioni ottenibili con i motori lineari.

Implementare la tecnologia non è stato un compito facile. Approfondendo il progetto, ci siamo resi conto che la nostra applicazione richiedeva specifiche prestazionali per motori lineari non disponibili in commercio. Imperterriti, abbiamo deciso di progettare motori lineari specifici per la nostra applicazione.

Abbiamo dovuto affrontare numerose sfide, poiché dovevamo spostare un sistema a portale da 450 kg a una velocità di 2,5 m/sec con un'accelerazione di 1,5 G, il che significava che dovevamo progettare un motore lineare in grado di generare forze estreme. Il nostro team ha perseverato, dedicando innumerevoli ore alla ricerca e allo sviluppo, finché non abbiamo finalmente ideato un motore lineare in grado di soddisfare le esigenze della nostra macchina per il taglio laser. È stato un momento di orgoglio quando, 14 mesi dopo, abbiamo finalmente visto i nostri motori lineari in azione, azionando il sistema a portale con incredibile velocità, facilità e precisione. Le prestazioni ottenute sono state senza precedenti. È impressionante pensare a quanto più velocemente avremmo potuto completare il nostro progetto di macchina se i motori lineari modulari chiavi in ​​mano fossero stati disponibili allora.

La tecnologia dei motori lineari si è evoluta notevolmente da quando abbiamo intrapreso il percorso di progettazione di motori lineari negli anni '90. Con l'introduzione di nuovi design modulari, il potenziale di innovazione e progresso nella progettazione del movimento e nei motori lineari è più grande che mai. I motori lineari modulari stanno ridefinendo il concetto di possibilità, con capacità di controllo del movimento più veloci, precise e affidabili, che possono essere implementate rapidamente a vantaggio di un'ampia gamma di applicazioni in molti settori.