I clienti richiedono una riduzione dei costi di manutenzione e delle dimensioni delle apparecchiature, nonché una maggiore velocità di produzione e di configurazione delle macchine. Per soddisfare queste esigenze, i produttori di apparecchiature stanno optando per il movimento servoassistito al posto dei componenti meccanici.

Il controllo del movimento definisce le capacità e i limiti di una macchina. Pertanto, per massimizzare la produttività e la flessibilità, e per ridurre la manutenzione, è spesso necessario aggiornare il sistema di controllo del movimento all'interno della macchina stessa. La maggior parte delle ragioni per passare da sistemi e dispositivi di controllo tradizionali al controllo servoassistito risiede nell'ottenere uno o più dei seguenti vantaggi:

• Aumento della produttività. I ​​servomotori producono elevati tassi di accelerazione e velocità.
• Aumenta la precisione. I servomotori possono offrire l'elevata precisione necessaria per lavorare un pezzo in rapido movimento.
• Maggiore flessibilità. I ​​servomotori offrono versioni elettroniche di componenti tradizionalmente meccanici. Ad esempio, i profili delle camme elettroniche possono essere modificati quasi istantaneamente. I profili di movimento programmabili possono adattarsi a diverse dimensioni e configurazioni del prodotto. I rapporti di trasmissione elettronici possono variare per adattarsi alle diverse velocità della macchina. Inoltre, grazie alla trasmissione elettronica, i motori possono essere posizionati ovunque sia conveniente per l'applicazione, poiché eliminano la necessità di alberi, ingranaggi e cinghie di grandi dimensioni.

Inoltre, un singolo albero di trasmissione elettrico può essere collegato a un numero pressoché illimitato di assi. Per le macchine con configurazioni multiple, ciò significa che gli assi di movimento aggiuntivi non richiedono ulteriori collegamenti meccanici.

I servomotori offrono anche maggiore flessibilità grazie alla maggiore quantità di informazioni disponibili. Ad esempio, molti controllori per servomotori memorizzano una cronologia di guasti e condizioni di errore che facilitano la risoluzione dei problemi. La maggior parte dei sistemi servo può anche visualizzare diagrammi in stile oscilloscopio per l'analisi delle prestazioni. • Riduzione della manutenzione. I servomotori contribuiscono a ridurre il numero di parti meccaniche su una macchina. Gli ingranaggi elettronici sostituiscono le cinghie. Le camme elettroniche non sono soggette a usura. Gli interruttori di fine corsa elettronici non necessitano di regolazioni o sostituzioni occasionali.

I servomotori richiedono un certo grado di studio ed esperienza. Se sei nuovo al controllo servo, aspettati di dedicare del tempo alla selezione e all'applicazione del tuo primo sistema. (Una nota sulla terminologia dei servomotori: la parola controller trova diversi usi. Il sistema omovimentoIl controller normalmente esegue il programma che controlla il movimento;motoreil controller controlla unomotorePer evitare confusione, ci riferiremo ai controllori dei motori come azionamenti.

Dimensionamento e selezione dell'applicazione

La selezione e il dimensionamento dei componenti di un servomotore possono sembrare complessi a causa del loro numero: motori, azionamenti, controllori e la possibilità di un PC industriale o di un PLC. Se avete una formazione in ambito meccanico, questo può risultare scoraggiante. Fortunatamente, esistono aziende – fornitori di componenti e integratori di sistemi di controllo – che offrono pacchetti completi di questi componenti e forniscono assistenza per l'applicazione. Che si opti per il fai-da-te o per l'acquisto di un pacchetto, il processo di base è il seguente:

Innanzitutto, selezionare il motoreIniziate la selezione del motore scegliendo la sua forma. I motori con elevato rapporto d'aspetto (lunghi e di piccolo diametro) sono i più comuni. Possono essere quadrati o rotondi e offrono un ottimo rapporto qualità-prezzo e prestazioni elevate. I motori a disco (corti e di grande diametro) si adattano a spazi ristretti e garantiscono un'accelerazione elevata grazie ai rotori a bassa inerzia. Entrambi i tipi di motore sono disponibili in versione sigillata e non sigillata.

I motori senza telaio, o integrati, separano rotore e statore per consentirne l'integrazione nella macchina. Questi motori permettono una progettazione compatta e migliorano il funzionamento ad azionamento diretto, aumentando la precisione e riducendo le vibrazioni.

I motori lineari, che sostituiscono un motore rotativo standard e i relativi meccanismi di azionamento, creano direttamente un movimento lineare. Possono aumentare contemporaneamente la produttività e la precisione di diverse volte.

Dimensionamento del motoreIl dimensionamento di un motore si basa principalmente sulla coppia: di picco e continua. Il dimensionamento dei motori può essere complesso e gli errori potrebbero non essere individuati fino alle fasi avanzate del ciclo di sviluppo. Poiché a quel punto può essere difficile aumentare la potenza del motore, è consigliabile includere un margine di sicurezza nei calcoli. Se non si ha familiarità con questo processo, è opportuno affidarsi agli ingegneri applicativi delle aziende produttrici di motori.

Seleziona il feedbackI dispositivi di feedback più comuni sono gli encoder e i resolver. Gli encoder sono dispositivi ottici che generano un treno di impulsi. Il numero di impulsi è proporzionale allo spostamento angolare. Offrono un'elevata precisione, soprattutto ad alte risoluzioni. I resolver sono dispositivi elettromeccanici che rilevano la posizione assoluta entro un giro completo del motore e sono noti per la loro robustezza. Scegliete quello più adatto alla vostra applicazione.

Dopo aver selezionato il tipo di sensore di feedback, è necessario selezionarne la risoluzione. Generalmente, un encoder a 1.000 linee o, in alternativa, un resolver a 12 bit, offrono una risoluzione sufficiente. Entrambi producono circa 4.000 posizioni diverse per giro, equivalenti a una risoluzione di circa 0,1 gradi. Tuttavia, se l'applicazione richiede una risoluzione maggiore, è necessario selezionare il sensore appropriato. Un avvertimento: distinguere tra risoluzione e precisione. Molti servomotori offrono la possibilità di selezionare la risoluzione per il feedback del resolver; tuttavia, la precisione (solitamente compresa tra 10 e 40 minuti d'arco) potrebbe non essere influenzata.

Seleziona l'unitàValuta se preferisci un alimentatore modulare (separato) o integrato in un'unità. Con tre o più unità della stessa famiglia vicine, gli alimentatori modulari sono la soluzione ideale. Con un solo asse, gli alimentatori integrati sono generalmente più adatti. Con due assi, entrambe le soluzioni sono pressoché equivalenti.

Se si prevede di racchiudere l'unità in un contenitore, è importante tenere presente che le dimensioni delle unità variano considerevolmente e possono influire sulle dimensioni complessive dell'apparecchiatura. A seconda delle dimensioni del contenitore, potrebbe essere necessario valutare anche diverse opzioni di raffreddamento.

Commutazione sinusoidale vs. sei passi

Nei servomotori brushless, la forma d'onda della corrente erogata dal driver al motore si presenta generalmente in due modi: a sei stadi e sinusoidale. Nel caso dell'onda sinusoidale, la corrente prodotta dal driver genera una forma d'onda che approssima una sinusoide. Ciò si traduce in una coppia più uniforme e in un minore riscaldamento. Il metodo a sei stadi, invece, produce un'onda quadra a sei segmenti utilizzando una semplice elettronica. Sebbene più economico, il metodo a sei stadi presenta un funzionamento irregolare a basse velocità.

Flessibilità di regolazioneLa taratura, ovvero il processo di selezione dei guadagni nei circuiti di retroazione, è necessaria per ottenere prestazioni elevate e mantenere un funzionamento stabile. In passato, la taratura era più un'arte che una scienza. Oggi, i moderni servoazionamenti offrono una serie di strumenti per supportare i progettisti di macchine. L'autotaratura, ovvero il processo in cui l'azionamento eccita il sistema meccanico e genera una serie di guadagni di anello, è ormai quasi uno standard. La maggior parte degli azionamenti viene impostata con guadagni digitali, quindi non sarà necessario un saldatore o un trimmer (un piccolo cacciavite). Potrebbe essere necessario ricorrere a metodi più complessi solo occasionalmente, ma averli a disposizione offre maggiori opzioni.

I sistemi di azionamento analogici possono essere meno costosi, ma potrebbe essere necessario regolare i loop intervenendo sui potenziometri o sostituendo i componenti passivi. Qualunque sia la scelta, la messa a punto fa parte del processo di apprendimento e richiede studio e sperimentazione.

Comunicazione di guidaMolti azionamenti utilizzano un segnale analogico per trasmettere i comandi di velocità e coppia. Tuttavia, la comunicazione digitale sta guadagnando popolarità, poiché riduce il cablaggio e aumenta la flessibilità del sistema. Molti azionamenti sono compatibili con reti come DeviceNet, Profibus e una nuova rete specifica per il controllo del movimento chiamata Sercos.

VoltaggioTenete presente che l'alimentazione a 110 V CA potrebbe essere difficile da reperire in fabbrica. In Europa, la tensione di 460 V CA è molto diffusa; l'utilizzo di azionamenti a 230 V CA potrebbe richiedere un trasformatore nelle macchine destinate all'estero. Purtroppo, gli azionamenti a 460 V CA possono essere costosi. Un compromesso è rappresentato dagli alimentatori universali che utilizzano semiconduttori di potenza per convertire i livelli di tensione. Nei sistemi con alimentatori modulari, un singolo alimentatore universale può utilizzare qualsiasi tensione da 230 a 480 V CA per alimentare diversi assi a 230 V CA.

Un ultimo punto da considerare: utilizzando solo un numero limitato di famiglie di unità su una macchina, si semplifica l'elenco dei pezzi di ricambio.

Seleziona il controller

Nella scelta del controllore, è opportuno optare per un modello a singolo asse o a più assi. I controllori a singolo asse integrano in un unico dispositivo un controllore di movimento, un azionamento e spesso anche un alimentatore. Nei sistemi a uno o due assi, questi controllori possono ridurre costi, dimensioni, cablaggi e complessità del sistema.

I controllori multiasse sono generalmente più adatti a sistemi più complessi. In primo luogo, di solito riducono i costi, soprattutto all'aumentare del numero di assi. In secondo luogo, riducono la complessità del sistema perché un singolo programma può controllare tutti i movimenti. Questi controllori di movimento offrono anche una maggiore flessibilità nella sincronizzazione, poiché in genere consentono di collegare qualsiasi asse a qualsiasi altro asse e di modificare tale collegamento durante l'esecuzione del programma.

Dopo aver selezionato il controllore, sarà necessario scegliere tra una configurazione "a scatola" o "a scheda". Una configurazione a scatola prevede un controllore racchiuso in un involucro, in grado di funzionare autonomamente. I controllori a scheda si collegano ai computer industriali. Se la macchina è già dotata di un computer industriale, una scheda compatibile può ridurre i costi e migliorare l'integrazione tra il controllo e la macchina. Se non si prevede di utilizzare un computer industriale, il controllore a scatola è generalmente più facile da installare.

Valutare il set di funzionalità

Infine, valutate le funzionalità del controllore. Considerate le funzioni discusse finora: ingranaggi, camme, registrazione ad alta velocità e finecorsa programmabili. La maggior parte dei controllori offre queste funzionalità in qualche forma, ma le specifiche devono essere confrontate con le esigenze della vostra applicazione. Avete bisogno di cambiare i rapporti di trasmissione durante il funzionamento? Avete bisogno di modificare i profili delle camme in tempo reale? Quale precisione di registrazione vi serve? Avete bisogno di cambiare velocità o posizione target durante il funzionamento? Il controllore supporta un numero sufficiente di assi per questa applicazione? Sarà compatibile con le future versioni della vostra macchina?

Gestione dei costi

Il costo dei componenti servoassistiti è spesso superiore a quello dei componenti meccanici che sostituiscono. Tuttavia, alcuni fattori importanti attenuano questo costo maggiore. Ad esempio, l'eliminazione di dispositivi meccanici complessi può ridurre il costo totale e le dimensioni della macchina, aumentando così il valore del sistema. Il controllore servoassistito spesso sostituisce un PLC; in questo caso, l'intero costo della conversione ai servoazionamenti può essere compensato. La maggiore flessibilità può ridurre il numero di modelli di macchine o di processi necessari per produrre una linea di macchine, diminuendo di conseguenza i costi di produzione.

Considerazioni generali

Oltre alle funzioni di movimento, ci sono altre domande da porsi. Il linguaggio è in grado di supportare i vostri processi? È così complesso da richiedere un tempo eccessivo per impararlo? Il prodotto supporta il multitasking? Il multitasking è una tecnica che permette di scrivere programmi diversi per processi diversi e semplifica la programmazione di macchine complesse.

Rispondere a tutte queste domande può essere difficile, soprattutto se non si ha familiarità con il controllo elettronico del movimento. La maggior parte delle aziende che offrono controller fornisce un buon supporto. Durante il processo di selezione, ponete molte domande. Questo non solo vi aiuterà a valutare il prodotto, ma anche l'assistenza. Infine, considerate le future attività di sviluppo della vostra azienda. Scegliete fornitori in grado di fornire prodotti e supporto ora e negli anni a venire.