Miglioramento delle prestazioni

In genere, il movimento rettilineo è quasi sempre ottenuto da vari tipi di sistemi lineari convenzionali controllati da servomotori rotanti. Il moto rotatorio viene convertito in movimento rettilineo da ingranaggi, cremagliere o cinghie. Sebbene in passato tali metodi consentissero di realizzare numerose applicazioni senza difficoltà, attualmente tali sistemi risultano spesso inadeguati in termini di dinamica e precisione. I tradizionali moduli ad azionamento lineare con trasmissioni rotanti

anni fa, non offrendo più la precisione e la velocità necessaria per determinati processi di posizionamento. L’esigenza di una migliore precisione e dinamica nella fabbricazione dei prodotti ha spronato i reparti di ricerca e sviluppo verso nuove strade. La generazione diretta di movimento rettilineo resa possibile dai motori lineari implica la possibilità di fare a meno di elementi di trasmissione quali cinghie o azionamenti a vite senza fine, eliminando così frizione, elasticità e gioco, che insieme ostacolano la creazione di moduli di azionamento con un’altissima precisione di posizionamento e una dinamica superiore. La forza viene applicata direttamente e senza dispersione nel punto preciso in cui svolge più efficacemente la propria funzione. Per analizzare la situazione con termini più pratici, si riporta un confronto di prestazione tra un azionamento lineare ed un azionamento rotativo che sfrutta un sistema a vite senza fine. I dati sono forniti da SIEMENS S.p.a.

Figura 70

Le principali limitazioni di un azionamento in modo indiretto sono:

 Notevole inerzia delle parti meccaniche e quindi ridotte prestazioni dinamiche ottenibili.

 Scarsa rigidezza e presenza di giochi.

 Generazione di calore prodotto dagli attriti e dai precarichi, con conseguente caduta del rendimento della catena cinematica e insorgenza di fenomeni di dilatazione termica che si ripercuotono sulla precisione e sulla ripetibilità di lavorazione;

 Velocità massime limitate dalle velocità periferiche limite delle sfere, della chiocciola e degli altri componenti della trasmissione.

Si riporta in figura 71 lo schema della struttura dell’azionamento lineare utilizzato per il confronto.

Figura 71

Si nota immediatamente che adottando il direct drive vengono eliminate l’elasticità dell’alberino dell’encoder, dell’albero del motore, del giunto di accoppiamento e della vite. Dalle prove eseguite sui due differenti tipi di configurazione, vengono riportati i seguenti dati:

Motore lineare Motore rotativo

Accelerazione max < 360 m/s^2 < 10 m/s^2

Velocità max < 800 m/min < 60 m/min

Forza 25000 N 80000 N

Errore di posizione max 0,4 µm 5 µm

Si evince quindi che il motore lineare, in questo tipo di applicazione, è in grado di sviluppare prestazioni dinamiche di gran lunga maggiori rispetto al rotativo e un’accuratezza di posizione circa dieci volte superiore. La serie di elementi compresi nella catena cinematica che compone la vite senza fine incidono sicuramente in modo negativo sulla precisione del profilo da seguire e introducono giochi dinamici sull'inversione di moto. Da notare però che, a parità di potenza sviluppata dalle due configurazioni appena viste, il motore lineare è in grado di garantire elevati valori di velocità e rapidità del sistema a discapito di una minore forza disponibile all’asse del moto. Per il motore rotativo invece accade l’esatto contrario come mostrato in figura 72

Figura 72

Un altro fattore che nel mercato può favorire la scelta di utilizzare un motore lineare è la maggiore robustezza del sistema che esso riesce a fornire. In una applicazione con motore lineare la rigidità dell’asse è dovuta al solo sistema di controllo. Per valutare la rigidità statica del sistema, il movente viene mantenuto fermo in regolazione e gli vengono applicate delle forze esterne le quali simulano eventuali disturbi più o meno intensi che possono verificarsi in un processo produttivo. Vengono poi misurati gli spostamenti che il movente subisce. La rigidità statica (Dstat) viene calcolata come rapporto tra la forza applicata (F) e lo spostamento risultante (Dx):

Per un asse con cinematica convenzionale la rigidità statica può valere 30 N/mm. Lo stesso asse, con motore lineare, può raggiungere una rigidità statica di 350 N/mm. Per aumentare la rigidità statica in un sistema ottenuto con motore rotativo occorre aumentare le masse e di conseguenza l’inerzia andando ad infierire sui valori dinamici del sistema. In un’architettura con motore lineare invece, basta aumentare la risoluzione della misura di posizione. Senza una tecnologia adeguata, un motore lineare rimane isolato e inutile. Grazie all’innalzamento dello standard della moderna tecnologia di controllo di ultima generazione, si è potuto iniziare a sfruttare al meglio le potenzialità introdotte dai motori lineari. Il continuo sviluppo di nuove tecnologie e la rapida evoluzione nella componentistica di dispositivi dedicati hanno inciso pesantemente nella miglioria dell’elettronica di potenza e quindi di tutta la branca che riguarda gli azionamenti elettrici per motori. È immediato considerare che, un miglioramento delle tecnologie e del controllo che riguardano il campo dei motori lineari, abbia favorito la realizzazione dei sistemi altamente performanti offerti oggi dal mercato. La combinazione ottimale del motore dinamico e di un controllo di qualità può accrescere anche del 20% il rendimento di sistemi che eseguono ogni ora parecchie migliaia di processi di posizionamento ad alta precisione. Comportando in alcuni casi un risparmio di tempo di decine ms per ogni processo di posizionamento. Basti pensare che, in un ramo dell’automazione come quella dei pick-and-place, il mercato richiede un

aumento annuale minimo della capacità del sistema pari al 5%. L’utilizzo di questa classe di motori può favorire un notevole balzo in avanti. Un altro elemento che sta incidendo nell’orientare la produzione attraverso l’uso di questa tipologie di macchine elettriche è la quasi totale assenza di manutenzione che essi richiedono. Il funzionamento senza contatto implica la totale assenza di attrito, e quindi di usura. Le costose operazioni di manutenzione per le sostituzioni e rettifiche dei componenti, con i conseguenti tempi di fermo, non sono più un problema all’ordine del giorno.