I sistemi di movimento lineare si trovano all'interno di innumerevoli macchine, tra cui sistemi di taglio laser di precisione, apparecchiature per l'automazione di laboratorio, macchine per la fabbricazione di semiconduttori, macchine CNC, automazione industriale e molte altre, troppo numerose per essere elencate. Si va da soluzioni relativamente semplici, come un attuatore per sedile economico in un'autovettura, a complessi sistemi di coordinate multiasse completi di elettronica di controllo e azionamento per il posizionamento a circuito chiuso. Indipendentemente dalla semplicità o complessità del sistema di movimento lineare, al livello più elementare, tutti hanno una cosa in comune: spostare un carico lungo una distanza lineare in un determinato intervallo di tempo.

Una delle domande più frequenti nella progettazione di un sistema di movimento lineare riguarda la tecnologia del motore. Una volta scelta la tecnologia, il motore deve essere dimensionato per soddisfare le esigenze di accelerazione del carico, superare l'attrito nel sistema e vincere l'effetto della gravità, il tutto mantenendo una temperatura massima di esercizio sicura. La coppia, la velocità, la potenza e la capacità di posizionamento del motore dipendono dalla progettazione del motore stesso, unitamente al sistema di azionamento e controllo.

DA QUALE MOTORE DOVREI INIZIARE?

Quando si progetta un sistema di movimento lineare utilizzando una particolare tecnologia di motori, è necessario considerare numerose questioni applicative. Una spiegazione esaustiva dell'intero processo esula dagli scopi di questo articolo. L'obiettivo è quello di stimolare la riflessione su come porre le domande giuste quando si parla con un fornitore di motori.

Non esiste un motore migliore in assoluto per ogni applicazione, ma piuttosto il motore migliore per una specifica applicazione. Nella stragrande maggioranza delle applicazioni di movimento incrementale, la scelta ricadrà su un motore passo-passo, un motore CC a spazzole o un motore CC senza spazzole. I sistemi di movimento più complessi possono utilizzare motori lineari accoppiati direttamente al carico, evitando la necessità di conversione di potenza meccanica; non è necessario alcun passaggio attraverso una vite senza fine/vite a ricircolo di sfere, un riduttore o un sistema di pulegge. Sebbene la massima precisione, ripetibilità e risoluzione di posizionamento possano essere raggiunte con i servomotori lineari a trasmissione diretta senza nucleo, questi risultano i più costosi e complessi rispetto ai motori rotativi. Un'architettura che utilizza motori rotativi è molto meno costosa e soddisfa la maggior parte delle applicazioni di movimento lineare; tuttavia, è necessario un qualche mezzo di conversione "rotativo-lineare" (e di conseguenza, di conversione di potenza) per azionare il carico.

I motori passo-passo, a spazzole e brushless sono tutti considerati motori a corrente continua (CC); tuttavia, esistono delle sottigliezze che possono indurre un ingegnere a preferire un tipo rispetto agli altri due in una particolare applicazione. È importante sottolineare che questa scelta dipende fortemente dai requisiti di progettazione del sistema, non solo in termini di velocità e coppia, ma anche di precisione di posizionamento, ripetibilità e risoluzione. Non esiste un motore perfetto per ogni applicazione e ogni decisione richiederà dei compromessi di progettazione. Al livello più elementare, tutti i motori, siano essi a corrente alternata (CC), a spazzole, brushless o qualsiasi altro tipo di motore elettrico, funzionano secondo lo stesso principio fisico per generare coppia: l'interazione dei campi magnetici. Esistono tuttavia differenze sostanziali nel modo in cui queste diverse tecnologie di motori rispondono in applicazioni specifiche. Le prestazioni complessive del motore, la risposta e la generazione di coppia dipendono dal metodo di eccitazione del campo e dalla geometria del circuito magnetico intrinseci alla progettazione fisica del motore, dal controllo della tensione e della corrente di ingresso da parte del controller/azionamento e dal metodo di feedback di velocità o posizione, se richiesto dall'applicazione.

Le tecnologie dei motori passo-passo a corrente continua, dei servomotori a spazzole e dei servomotori brushless utilizzano tutte un'alimentazione in corrente continua. Per le applicazioni di movimento lineare, ciò non significa che una sorgente fissa di corrente continua possa essere applicata direttamente agli avvolgimenti del motore; è necessaria l'elettronica per controllare la corrente di avvolgimento (correlata alla coppia di uscita) e la tensione di avvolgimento (correlata alla velocità di uscita). Di seguito è riportato un riepilogo dei punti di forza e di debolezza delle tre tecnologie.

La progettazione del sistema lineare inizia con la massa del carico e la velocità con cui tale massa deve spostarsi dal punto A al punto B. Il tipo, le dimensioni e la progettazione meccanica del motore dipendono dalla potenza (watt) necessaria per movimentare il carico. Partendo dal carico e risalendo a ritroso attraverso tutti i componenti fino all'alimentatore, l'analisi si articola in una serie di passaggi per comprendere la conversione di potenza da una parte all'altra del sistema, considerando le diverse efficienze dei componenti intermedi. I watt, sotto forma di tensione e corrente in ingresso all'azionamento, si traducono in potenza meccanica in uscita, necessaria per movimentare un determinato carico in un intervallo di tempo specifico.

Per avere un'indicazione della potenza di uscita necessaria al carico, un semplice calcolo della potenza può aiutare a stimare approssimativamente il motore. Dopo aver compreso la potenza di uscita media necessaria, completare l'analisi dei requisiti di potenza risalendo al motore e considerando i vari elementi di conversione di potenza. È opportuno fare riferimento ai dati del produttore per tenere conto dell'efficienza dei vari componenti, poiché questa determinerà in definitiva la dimensione del motore e dell'alimentatore. La scelta delle unità di misura è soggettiva, ma si raccomanda vivamente l'utilizzo del Sistema Internazionale (SI). Lavorare con il SI evita di dover ricordare numerose costanti di conversione e il risultato finale può sempre essere riconvertito in unità anglosassoni.

QUANTO POTENZA È NECESSARIA PER SPOSTARE IL CARICO NEL TEMPO RICHIESTO?

Sollevare una massa di 9 kg contro la forza di gravità richiederà una forza di circa 88 N. Calcolare i watt necessari per spostare il carico fornirà un punto di partenza per determinare i componenti del resto del sistema. Questa è la potenza media necessaria per spostare una massa di 9 kg verticalmente dal punto A al punto B in 1 secondo. Le perdite di sistema, come l'attrito, non sono incluse. La potenza richiesta all'albero motore sarà leggermente superiore e dipenderà dagli altri componenti utilizzati nel sistema, come il riduttore e la vite senza fine.

P = (F × S) / t

P = (88 N × 0,2 m) / 1,0 s = 17,64 W

Questo valore è diverso dalla potenza di picco richiesta al sistema. Una volta considerati l'accelerazione e la decelerazione, la potenza istantanea durante il profilo di movimento sarà leggermente superiore; tuttavia, la potenza media di uscita necessaria al carico è di circa 18 watt. Dopo un'analisi approfondita di tutti i componenti, un sistema come questo richiederà circa 37 W di potenza di picco per svolgere il lavoro. Queste informazioni, insieme alle varie altre specifiche applicative, aiuteranno ora a scegliere la tecnologia del motore più appropriata.

QUALE TECNOLOGIA DEL MOTORE DOVREI CONSIDERARE?

L'eccellente capacità di posizionamento e la relativa semplicità di controllo indurrebbero un progettista a considerare inizialmente l'utilizzo di un motore passo-passo. Tuttavia, un motore passo-passo non soddisferebbe il requisito di un ingombro meccanico ridotto, pur essendo in grado di soddisfare le esigenze di carico. Un picco di potenza di 37 watt richiederebbe un motore passo-passo di dimensioni molto grandi. Sebbene i motori passo-passo possiedano una coppia molto elevata a basse velocità, la velocità di picco e quindi il fabbisogno di potenza del profilo di movimento superano le capacità di tutti i motori passo-passo, ad eccezione di quelli di dimensioni maggiori.

Un servomotore CC a spazzole soddisferebbe i requisiti di carico, avrebbe un ingombro meccanico ridotto e garantirebbe una rotazione molto fluida a basse velocità; tuttavia, a causa dei severi requisiti di compatibilità elettromagnetica (EMC), è probabilmente meglio evitare il motore a spazzole per questa specifica applicazione. Questa sarebbe un'alternativa meno costosa rispetto a un sistema brushless, ma potrebbe presentare difficoltà nel superare eventuali rigorosi requisiti EMC.

Il motore brushless a corrente continua con sistema di azionamento sinusoidale sarebbe la prima scelta per soddisfare tutti i requisiti dell'applicazione, inclusi il profilo di carico e di movimento (elevata densità di potenza), un movimento fluido e senza scatti a basse velocità e un ingombro meccanico ridotto. In questo caso, sussisterà comunque la possibilità di interferenze elettromagnetiche (EMI) dovute alla commutazione ad alta frequenza dell'elettronica di azionamento; tuttavia, questo problema può essere mitigato mediante filtraggio in linea grazie a una banda di frequenza più ristretta. Un motore a corrente continua con spazzole presenta una banda di interferenza elettromagnetica più ampia, il che rende più difficile il filtraggio.

IL DIMENSIONAMENTO DEL MOTORE È SOLO L'INIZIO

Questo articolo ha fornito una breve introduzione ai vari aspetti da considerare nella scelta di una tecnologia di motori per un'applicazione di movimento lineare relativamente semplice. Sebbene i principi siano identici per sistemi più complessi come una tavola XY o un meccanismo di prelievo e posizionamento di precisione multiasse, ogni asse dovrà essere analizzato in modo indipendente per quanto riguarda il carico. Un'altra considerazione, che esula dall'ambito di questo articolo, riguarda la scelta di un fattore di sicurezza appropriato per soddisfare la durata di vita desiderata del sistema (numero di cicli). La durata di vita del sistema non dipende solo dalla potenza del motore, ma anche dagli altri elementi meccanici, come il riduttore e il gruppo vite senza fine. Altri fattori, come la precisione di posizionamento, la risoluzione, la ripetibilità, il rollio, il beccheggio e l'imbardata massimi, ecc., sono tutti elementi importanti da considerare per garantire che il sistema di movimento lineare soddisfi o superi gli obiettivi dell'applicazione.