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 molti altri troppo numerosi per essere elencati. Si va da quelli relativamente semplici, come un economico attuatore del sedile in un veicolo passeggeri, a un complesso sistema di coordinate multiasse completo di elettronica di controllo e di azionamento per il posizionamento a circuito chiuso. Non importa quanto semplice o complesso sia il sistema di movimento lineare, al livello più elementare, hanno tutti una cosa in comune: spostare un carico attraverso una distanza lineare in un determinato periodo di tempo.

Una delle domande più comuni quando si progetta un sistema di movimento lineare è incentrata sulla 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 superare l'effetto della gravità, il tutto mantenendo una temperatura operativa massima di sicurezza. La coppia, la velocità, la potenza e la capacità di posizionamento del motore dipendono dalla progettazione del motore, insieme all'azionamento e al controllo.

CON QUALE MOTORE DEVO INIZIARE?

Ci sono molte domande applicative da considerare quando si progetta un sistema di movimento lineare utilizzando una particolare tecnologia del motore. Una spiegazione esaustiva dell’intero processo va oltre lo scopo di questo articolo. L'intento è quello di farti riflettere su come porre le domande giuste quando parli con un fornitore di motori.

Non esiste il motore migliore per ogni applicazione, bensì il motore migliore per una particolare applicazione. Nella stragrande maggioranza delle applicazioni di movimento incrementale, la scelta sarà tra un motore passo-passo, un motore CC con spazzole o un motore CC senza spazzole. I sistemi di movimentazione più complessi possono utilizzare motori lineari accoppiati direttamente al carico, evitando la necessità di conversione meccanica della potenza; non è necessaria la traslazione attraverso una vite a ricircolo di sfere, un riduttore o un sistema di pulegge. Sebbene sia possibile ottenere la massima precisione, ripetibilità e risoluzione di posizionamento con i servosistemi lineari ad azionamento diretto senza nucleo, presentano i costi e la complessità più elevati 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, per azionare il carico sono necessari alcuni mezzi di conversione “da rotativo a lineare” (e, di conseguenza, di conversione di potenza).

I motori passo-passo, a spazzole e senza spazzole sono tutti considerati motori CC; tuttavia, esistono sottigliezze che indurranno un ingegnere a favorire un tipo rispetto agli altri due in una particolare applicazione. Va sottolineato 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 requisiti di risoluzione. Non esiste un motore perfetto per ogni applicazione e tutte le decisioni richiederanno compromessi di progettazione. Al livello più elementare, tutti i motori, siano essi chiamati CA o CC, a spazzole, senza spazzole o qualsiasi altro motore elettrico, funzionano secondo lo stesso principio fisico per generare coppia: l'interazione dei campi magnetici. Esistono tuttavia differenze drammatiche nel modo in cui queste diverse tecnologie di motori rispondono a particolari applicazioni. 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 inerenti alla progettazione fisica del motore, dal controllo della tensione e della corrente in ingresso da parte del controller/azionamento e dal metodo di feedback di velocità o posizione, se il l'applicazione richiede.

Le tecnologie DC stepper, servospazzola e servomotore brushless utilizzano tutte un'alimentazione CC per alimentarle. Per le applicazioni di movimento lineare, ciò non significa che una sorgente fissa di corrente continua possa essere applicata direttamente agli avvolgimenti del motore; l'elettronica è necessaria per controllare la corrente dell'avvolgimento (correlata alla coppia di uscita) e la tensione dell'avvolgimento (correlata alla velocità di uscita). Di seguito è riportato un riepilogo dei punti di forza e di debolezza delle 3 tecnologie.

La progettazione del sistema lineare inizia con la massa del carico e con la velocità con cui la massa deve spostarsi dal punto A al punto B. Il tipo, le dimensioni e la progettazione meccanica del motore iniziano con la potenza (watt) richiesta per spostare il carico. Partendo dal carico e infine tornando indietro attraverso tutti i componenti fino all'alimentazione del convertitore, l'analisi consiste in una serie di passaggi per comprendere la conversione di potenza da una parte all'altra del sistema considerando le varie efficienze dei componenti intermedi. I watt sotto forma di tensione e corrente nell'azionamento si tradurranno infine in watt di uscita meccanica che spostano un dato carico in un periodo di tempo specifico.

Per ottenere un'indicazione della potenza di uscita necessaria al carico, un semplice calcolo della potenza aiuterà a valutare un motore. Dopo aver compreso la potenza di uscita media necessaria, concludi l'analisi dei requisiti di potenza tornando al motore e guida attraverso i vari elementi di conversione della potenza. È opportuno fare riferimento ai dati dei produttori per tenere conto dell'efficienza dei vari componenti, poiché questa determinerà in ultima analisi la dimensione del motore e dell'alimentatore. È una preferenza personale riguardo alle unità con cui lavorare, ma le unità SI sono altamente raccomandate. Lavorare in unità SI evita la necessità di ricordare più costanti di conversione e il risultato finale può sempre essere riconvertito in unità inglesi.

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

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

P = (F × S) / t

P = (88N × 0,2m) / 1,0s = 17,64w

Questa è diversa dalla potenza di picco che sarà richiesta al sistema. Una volta prese in considerazione l'accelerazione e la decelerazione, la potenza istantanea durante il profilo di movimento sarà leggermente superiore; tuttavia, la potenza di uscita media 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 portare a termine il lavoro. Queste informazioni, insieme alle varie altre specifiche applicative, aiuteranno ora a scegliere la tecnologia del motore più appropriata.

QUALE TECNOLOGIA DEL MOTORE DEVO CONSIDERARE?

L'eccellente capacità di posizionamento e i controlli relativamente semplici indurrebbero un progettista a considerare prima la possibilità di utilizzare un motore passo-passo. Un motore passo-passo, tuttavia, non soddisferebbe il requisito di un ingombro meccanico ridotto pur soddisfacendo le richieste di carico. Un requisito di potenza di picco di 37 watt richiederebbe un motore passo-passo molto grande. 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 supera la capacità di tutti i motori passo-passo tranne quelli più grandi.

Un servomotore DC a spazzole soddisferebbe i requisiti di carico, un ingombro meccanico ridotto e avrebbe una rotazione molto fluida a basse velocità; tuttavia, a causa dei severi requisiti EMC, probabilmente è meglio evitare il motore a spazzole per questa particolare applicazione. Si tratterebbe di un'alternativa meno costosa rispetto a un sistema brushless, ma potrebbe presentare difficoltà nel soddisfare i severi requisiti EMC.

Il motore CC senza spazzole che utilizza un sistema di azionamento sinusoidale sarebbe la prima scelta per soddisfare tutti i requisiti applicativi, inclusi il profilo di carico e di movimento (elevata densità di potenza); movimento fluido e senza ingranaggi a basse velocità; e un ingombro meccanico ridotto. In questo caso esiste ancora il potenziale di una firma EMI dovuta alla commutazione ad alta frequenza dell'elettronica di azionamento; tuttavia, questo può essere mitigato utilizzando il filtraggio in linea a causa di una banda di frequenza più stretta. Un motore DC a spazzole presenta una firma EMI a banda più ampia, rendendo più difficile il filtraggio.

IL DIMENSIONAMENTO DEL MOTORE È SOLO L'INIZIO

Questo articolo è stato una breve discussione per introdurre un progettista a varie considerazioni quando sceglie una tecnologia di motore per un'applicazione di movimento lineare relativamente semplice. Sebbene i principi siano identici per un sistema più complesso come una tavola XY o un meccanismo di prelievo e posizionamento di precisione multiasse, il carico di ciascun asse dovrà essere analizzato in modo indipendente. Un'altra considerazione che esula dallo scopo di questo articolo è come scegliere un fattore di sicurezza appropriato per soddisfare la durata desiderata del sistema (numero di cicli). La durata del sistema non è solo una funzione delle dimensioni del motore, ma anche degli altri elementi meccanici del sistema, come il riduttore e il gruppo vite di comando. Altri fattori come precisione di posizionamento, risoluzione, ripetibilità, rollio massimo, beccheggio e imbardata, ecc. sono tutte considerazioni importanti per garantire che il sistema di movimento lineare soddisfi o superi gli obiettivi dell'applicazione.