I sistemi di movimento lineare sono presenti in innumerevoli macchine, tra cui sistemi di taglio laser di precisione, apparecchiature di automazione di laboratorio, macchine per la fabbricazione di semiconduttori, macchine CNC, automazione industriale e molte altre applicazioni troppo numerose per essere elencate. Si va da sistemi relativamente semplici, come un attuatore economico per il sedile di un veicolo passeggeri, a sistemi di coordinate multiasse complessi, completi di elettronica di controllo e azionamento per il posizionamento in anello 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 tempo specifico.

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 contrastare 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 dal design del motore, insieme all'azionamento e al controllo.

CON QUALE MOTORE DOVREI INIZIARE?

Ci sono molte questioni applicative da considerare quando si progetta un sistema di movimento lineare utilizzando una particolare tecnologia di motore. Una spiegazione esaustiva dell'intero processo esula dallo scopo di questo articolo. L'intento è quello di stimolare la riflessione su come porre le domande giuste quando si parla con un fornitore di motori.

Non esiste il motore migliore per ogni applicazione, ma piuttosto il motore migliore per una particolare applicazione. Nella stragrande maggioranza delle applicazioni di movimento incrementale, la scelta ricade su un motore passo-passo, un motore CC a spazzole o un motore CC brushless. I sistemi di movimento più complessi possono utilizzare motori lineari accoppiati direttamente al carico, evitando la necessità di conversione meccanica della potenza; non è necessaria la traslazione tramite un sistema a vite madre/vite a sfere, riduttore o puleggia. Sebbene la massima precisione, ripetibilità e risoluzione di posizionamento possano essere ottenute con i servosistemi lineari a trasmissione diretta coreless, questi presentano costi e complessità più elevati rispetto ai motori rotativi. Un'architettura che utilizza motori rotativi è molto meno costosa e soddisferà la maggior parte delle applicazioni di movimento lineare; tuttavia, per azionare il carico è necessario un qualche tipo di conversione "da rotativo a lineare" (e di conseguenza, una conversione di potenza).

I motori passo-passo, a spazzole e brushless sono tutti considerati motori a corrente continua (DC); 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 dai requisiti di precisione di posizionamento, ripetibilità e risoluzione. Non esiste un motore perfetto per ogni applicazione e tutte le decisioni richiederanno compromessi progettuali. In sostanza, tutti i motori, siano essi a corrente alternata (CA) o continua (CC), a spazzole, brushless o qualsiasi altro motore elettrico, operano secondo lo stesso principio fisico per generare coppia: l'interazione dei campi magnetici. Esistono tuttavia differenze significative nel modo in cui queste diverse tecnologie di motore rispondono a specifiche 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 intrinseca al progetto fisico 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 in corrente continua (CC), dei servomotori brushless e dei servomotori brushless utilizzano tutte un alimentatore in corrente continua (CC). Per le applicazioni di movimento lineare, ciò non significa che sia possibile applicare una sorgente fissa di corrente continua direttamente agli avvolgimenti del motore; è necessaria un'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 la massa deve spostarsi dal punto A al punto B. Il tipo di motore, le dimensioni e la progettazione meccanica iniziano con la potenza (watt) necessaria per spostare il carico. Partendo dal carico e procedendo a ritroso attraverso tutti i componenti fino all'alimentatore dell'azionamento, l'analisi consiste in una serie di passaggi per comprendere la conversione di potenza da una parte all'altra del sistema, considerando al contempo le diverse efficienze dei componenti intermedi. I watt, sotto forma di tensione e corrente, immessi nell'azionamento si tradurranno infine in watt di potenza meccanica che spostano un dato carico in un determinato intervallo di tempo.

Per ottenere un'indicazione della potenza di uscita necessaria al carico, un semplice calcolo della potenza aiuterà a stimare approssimativamente il valore di un motore. Dopo aver compreso la potenza media di uscita necessaria, si completa l'analisi dei requisiti di potenza risalendo al motore e passando attraverso i vari elementi di conversione di potenza. È opportuno fare riferimento ai dati dei produttori per tenere conto dell'efficienza dei vari componenti, poiché questo determinerà in ultima analisi le dimensioni del motore e dell'alimentatore. Le unità di misura da utilizzare sono una questione di preferenze personali, ma le unità di misura del Sistema Internazionale (SI) sono altamente raccomandate. Lavorare con le unità di misura del Sistema Internazionale evita la necessità di ricordare diverse costanti di conversione e il risultato finale può sempre essere riconvertito in unità di misura inglesi.

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

Una massa di 9 kg sollevata contro la forza di 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 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 = (88N × 0,2m) / 1,0s = 17,64w

Questa è diversa dalla potenza di picco richiesta dal sistema. Considerando accelerazione e 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 watt 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 MOTORIA DOVREI CONSIDERARE?

L'eccellente capacità di posizionamento e i controlli relativamente semplici porterebbero un progettista a valutare la possibilità di utilizzare inizialmente un motore passo-passo. Un motore passo-passo, tuttavia, non soddisferebbe il requisito di un ingombro meccanico ridotto e al contempo di un carico adeguato. Un picco di potenza richiesto 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 superano la capacità di tutti i motori passo-passo, fatta eccezione per quelli di maggiori dimensioni.

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

Il motore DC brushless con sistema di azionamento sinusoidale sarebbe la prima scelta per soddisfare tutti i requisiti applicativi, tra cui il profilo di carico e movimento (elevata densità di potenza); un movimento fluido e senza ingranaggi a basse velocità; e un ingombro meccanico ridotto. In questo caso, sussisterebbe comunque il rischio di interferenze elettromagnetiche (EMI) dovute alla commutazione ad alta frequenza dell'elettronica di azionamento; tuttavia, questo può essere mitigato utilizzando un filtro in linea grazie a una banda di frequenza più stretta. Un motore DC brush presenta un'interferenza elettromagnetica a banda più ampia, rendendolo più difficile da filtrare.

IL DIMENSIONAMENTO DEL MOTORE È SOLO L'INIZIO

Questo articolo è stato una breve discussione per introdurre un progettista alle diverse considerazioni da tenere in considerazione nella scelta della tecnologia di un 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 pick-and-place di precisione multiasse, ogni asse dovrà essere analizzato in modo indipendente per il carico. Un'altra considerazione che esula dallo scopo di questo articolo è come scegliere un fattore di sicurezza appropriato per raggiungere la durata desiderata del sistema (numero di cicli). La durata del sistema non dipende solo dalle dimensioni del motore, ma anche dagli altri elementi meccanici del sistema, come il riduttore e il gruppo vite madre. Altri fattori come la precisione di posizionamento, la risoluzione, la ripetibilità, il rollio, il beccheggio e l'imbardata massimi, ecc. sono tutti fattori importanti da considerare per garantire che il sistema di movimento lineare soddisfi o superi gli obiettivi dell'applicazione.