I clienti richiedono una manutenzione ridotta e dimensioni delle apparecchiature ridotte, nonché una produttività e una configurazione della macchina più rapide. Per soddisfare questi requisiti, i produttori di apparecchiature scelgono il movimento servocontrollato rispetto ai componenti meccanici.

Il controllo del movimento definisce le capacità e i limiti di una macchina. Pertanto, per massimizzare la produttività e la flessibilità e ridurre la manutenzione, spesso è necessario aggiornare il modo in cui viene controllato il movimento all'interno della macchina. La maggior parte dei motivi per passare dai progetti e dai dispositivi di controllo tradizionali al servocontrollo sono l'ottenimento di uno o più di questi vantaggi:

• Aumentare la produttività. I servomotori producono velocità e accelerazioni elevate.
• Aumentare la precisione. I servo possono offrire l'elevata precisione necessaria per elaborare un pezzo in rapido movimento.
• Aumentare la flessibilità. I servi 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 alle diverse dimensioni e configurazioni del prodotto. I rapporti di “cambio” elettronici possono cambiare per adattarsi alle diverse velocità della macchina. Inoltre, con i riduttori elettronici, i motori possono essere posizionati ovunque sia conveniente per l'applicazione, poiché eliminano la necessità di alberi lunghi, ingranaggi e cinghie.

Inoltre, un “albero di linea” elettrico può essere collegato a un numero quasi illimitato di assi. Per le macchine con configurazioni multiple, ciò significa che gli assi di movimento aggiuntivi non richiedono collegamenti meccanici aggiuntivi.

I servi aggiungono anche flessibilità grazie alla maggiore informazione disponibile. Ad esempio, molti servocontrollori memorizzano una cronologia dei guasti e delle condizioni di errore che facilitano la risoluzione dei problemi. La maggior parte dei servosistemi può anche visualizzare diagrammi in stile oscilloscopio per l'analisi delle prestazioni. • Ridurre la manutenzione. I servi aiutano a ridurre il numero di parti meccaniche su una macchina. Gli ingranaggi elettronici sostituiscono le cinghie. Le camme elettroniche non risentono dell'usura. I finecorsa elettronici non necessitano di regolazioni o sostituzioni occasionali.

I servi richiedono una certa quantità di studio ed esperienza. Se sei nuovo al servocontrollo, aspettati di dedicare un po' di tempo alla selezione e all'applicazione del tuo primo sistema. (Una nota sulla terminologia servo: la parola controller trova diversi usi. Il sistema omovimentoil controller normalmente esegue il programma che controlla il movimento; ILmotoreil controller ne controlla unomotore. Per ridurre la confusione, ci riferiremo ai controller del motore come azionamenti).

Dimensionamento e selezione dell'applicazione

La selezione e il dimensionamento dei servocomponenti possono apparire complessi a causa del numero di componenti: motori, azionamenti, controller e della possibilità di un PC industriale o un PLC. Se il tuo background è meccanico, questo può intimidire. Fortunatamente, le aziende, fornitori di componenti e integratori di sistemi di controllo, confezionano insieme questi componenti e offrono assistenza applicativa. Che si tratti del fai da te o dell'acquisto di un pacchetto, il processo di base è:

Innanzitutto, seleziona il motore. Iniziare la selezione del motore scegliendo la forma del motore. I motori con rapporti di aspetto grandi (lunghi e di piccolo diametro) sono i più comuni. Possono essere quadrati o rotondi e offrono un eccellente rapporto qualità-prezzo e prestazioni. I motori a disco (corti e di grande diametro) si adattano a spazi ristretti e forniscono un'elevata accelerazione grazie ai rotori a bassa inerzia. Entrambi questi motori sono disponibili nelle versioni sigillate e non sigillate.

Motori senza telaio o integrali, separano il rotore e lo statore per l'integrazione nella macchina. Questi motori consentono un design compatto e migliorano il funzionamento con azionamento diretto aumentando la precisione e riducendo le vibrazioni.

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

Dimensionamento del motore. La dimensione del motore si basa principalmente sulla coppia: di picco e continua. Il dimensionamento dei motori può essere impegnativo ed è possibile che gli errori non vengano rilevati fino alla fase avanzata del ciclo di sviluppo. Poiché a quel punto può essere difficile aumentare la dimensione del motore, è consigliabile includere un margine nei calcoli. Se sei nuovo nel processo, probabilmente dovresti affidarti agli ingegneri applicativi delle aziende automobilistiche.

Seleziona il feedback. I dispositivi di feedback più comuni sono gli encoder e i risolutori. Gli encoder sono dispositivi ottici che producono un treno di impulsi. Il conteggio degli impulsi è proporzionale alla corsa angolare. Offrono un'elevata precisione, soprattutto ad alte risoluzioni. I risolutori sono dispositivi elettromeccanici che rilevano la posizione assoluta entro un giro del motore e sono noti per la loro robustezza. Scegli quello che meglio si adatta alla tua applicazione.

Dopo aver selezionato i tipi di sensore di feedback, è necessario selezionarne la risoluzione. Generalmente un codificatore da 1.000 linee o, equivalentemente, un risolutore da 12 bit, fornirà una risoluzione sufficiente. Entrambi producono circa 4.000 posizioni diverse per giro, che equivalgono a una risoluzione di circa 0,1 gradi. Tuttavia, se la tua applicazione necessita di una risoluzione più elevata, dovresti selezionare il sensore in modo appropriato. Un avvertimento: distinguere tra risoluzione e accuratezza. Molti servi offrono una risoluzione selezionabile per il feedback del risolutore; tuttavia, la precisione (solitamente compresa tra 10 e 40 arcominuti) potrebbe non essere influenzata.

Seleziona l'unità. Considera se desideri l'alimentatore modulare (separato) o integrato in un azionamento. Con tre o più azionamenti della stessa famiglia vicini, gli alimentatori modulari funzionano bene. Con un asse, gli alimentatori integrati di solito si adattano meglio. Con due assi, entrambe le soluzioni sono più o meno le stesse.

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

Commutazione sinusoidale rispetto a sei passi

La forma dell'onda di potenza dall'azionamento al motore tende a presentarsi in due modi per i servomotori brushless: onda a sei fasi e onda sinusoidale. Nell'onda sinusoidale, la forma d'onda di corrente prodotta dal convertitore produce una corrente che si avvicina a un'onda sinusoidale. Ciò produce una coppia più fluida e un minore riscaldamento. Il metodo in sei fasi produce un'onda quadra a sei segmenti utilizzando semplici componenti elettronici. Sebbene abbia un costo inferiore, il sei fasi ha un funzionamento approssimativo a basse velocità.

Flessibilità di sintonizzazione. La sintonizzazione, il processo di selezione dei guadagni nei circuiti di feedback, è necessaria per ottenere prestazioni elevate e mantenere un funzionamento stabile. In passato, l'accordatura era più un'arte che una scienza. Ora, i moderni servoazionamenti forniscono una serie di strumenti per aiutare i progettisti di macchine. L'autotuning (o self-tuning), il processo in cui l'azionamento eccita il sistema meccanico e genera una serie di guadagni di anello, è quasi uno standard. La maggior parte delle unità sono impostate con guadagni digitali, quindi non avrai bisogno di un saldatore o di un trimmer (piccolo cacciavite). Potresti aver bisogno dei metodi più complessi solo occasionalmente, ma averli a disposizione offre più opzioni.

Le unità analogiche possono essere meno costose, ma potrebbe essere necessario regolare i circuiti regolando i potenziometri o modificando i componenti passivi. Qualunque sia la tua scelta, la messa a punto fa parte della curva di apprendimento e richiede studio e sperimentazione.

Guidare la comunicazione. Molti azionamenti utilizzano un segnale analogico per fornire i comandi di velocità e coppia. Tuttavia, la comunicazione digitale sta guadagnando popolarità perché riduce i cavi di comunicazione 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.

Voltaggio. Tenere presente che in fabbrica potrebbe essere difficile ottenere alimentazione a 110 Vca. In Europa è diffusa la corrente a 460 Vca; l'utilizzo di azionamenti da 230 Vca può richiedere un trasformatore nelle macchine destinate all'utilizzo all'estero. Sfortunatamente, le unità a 460 Vca possono essere costose. Un compromesso è l'alimentatore universale che utilizza semiconduttori di potenza per convertire i livelli di tensione. Per i sistemi con alimentatori modulari, un alimentatore universale può utilizzare qualsiasi tensione compresa tra 230 e 480 Vac per alimentare più assi a 230 Vac.

Un ultimo punto da considerare, utilizzando solo un numero limitato di famiglie di azionamenti su una macchina, si semplifica la lista dei ricambi.

Seleziona il controllore

Quando si seleziona il controller, scegliere asse singolo o asse multiplo. I controller ad asse singolo combinano un controller di movimento, un azionamento e spesso un alimentatore integrati in un unico pacchetto. Nei sistemi a uno o due assi, questi controller possono ridurre costi, dimensioni, cablaggio e complessità del sistema.

I controller multiasse sono generalmente più adatti ai sistemi più complicati. Innanzitutto, di solito riducono i costi, soprattutto quando cresce il numero di assi. In secondo luogo, riducono la complessità del sistema perché un programma può controllare tutti i movimenti. Questi controller di movimento forniscono inoltre una maggiore flessibilità nella sincronizzazione poiché solitamente consentono a qualsiasi asse di collegarsi a qualsiasi altro asse e consentono di modificare tale collegamento durante l'esecuzione del programma.

Dopo aver selezionato il controller, dovrai scegliere una configurazione "box" o "board". Una configurazione box è un controller chiuso in grado di funzionare in modo autonomo. I controller di scheda si collegano ai computer industriali. Se si dispone già di un computer industriale sulla macchina, una scheda compatibile può ridurre i costi e migliorare l'integrazione del controllo e della macchina. Se non si prevede di utilizzare un computer industriale, in genere è più semplice aggiungere il controller box-based.

Valutare il set di funzionalità

Infine, valuta le caratteristiche del controller. Consideriamo le funzioni discusse finora: ingranaggi, camme, registrazione ad alta velocità e interruttori di limite programmabili. La maggior parte dei controller offre queste funzionalità in qualche modo, ma le specifiche devono essere confrontate con le esigenze della propria applicazione. Hai bisogno di cambiare i rapporti del cambio durante il funzionamento? Hai bisogno di modificare al volo i profili delle camme? Quale precisione di registrazione richiedi? È necessario modificare la velocità o la posizione target durante il funzionamento? Il controller supporta abbastanza assi per questa applicazione? Si adatterà alle versioni future della tua macchina?

Affrontare i costi

Il costo dei servocomponenti è spesso superiore a quello dei componenti meccanici che sostituiscono. Tuttavia, alcuni fattori importanti mitigano questo costo più elevato. Ad esempio, l'eliminazione di dispositivi meccanici complessi può ridurre il costo totale e le dimensioni della macchina, con conseguente aumento del valore del sistema. Il servocontrollore spesso sostituisce un PLC; in questo caso, l'intero costo della conversione ai servi può essere compensato. La maggiore flessibilità può ridurre il numero di modelli di macchine o processi necessari per produrre una linea di macchine, riducendo così 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 tuoi processi? È così complesso che dovrai dedicare troppo tempo ad apprenderlo? Il prodotto supporta il multitasking? Tecnica che permette di scrivere programmi diversi per processi diversi, il multitasking semplifica la programmazione di macchine complesse.

Può essere difficile rispondere a tutte queste domande, soprattutto se sei nuovo al controllo elettronico del movimento. La maggior parte delle aziende che offrono controller li supportano bene. Durante il processo di selezione, fai molte domande. Non solo ti aiuta a valutare il prodotto, ma ti aiuta anche a valutare il supporto. Infine, considera il futuro dell’attività di sviluppo nella tua azienda. Scegli fornitori in grado di fornire prodotti e supporto ora e nei prossimi anni.