Scelta del tipo di motore

Per quanto riguarda il tipo di motore, si decide di utilizzare un servo motore brushless in quanto questo tipo di motore offre i seguenti vantaggi:

 Fornisce coppia massima costante anche a basse velocità  La velocità operativa rimane costante anche se il carico cambia  È in grado di fornire coppie elevate

 Consentono di controllare velocità,posizione e coppia  Closed Loop control

8.2.1 Scelta del tipo di riduttore

Si sceglie un riduttore planetario in quanto questo tipo di riduttori in combinazione con un servo motore è particolarmente adatto nelle applicazioni dove si necessita di un’alta coppia.

Inoltre non si avranno problemi di precisione dovuti al backlash ne del motore ne del riduttore, dato che all’inizio delle prove si applica sempre un leggero precarico prima di cominciare a rilevare le grandezze misurate e non si cambia mai senso di rotazione durante l’esecuzione della prova.

8.2.2 Calcolo del momento

Il momento necessario al funzionamento della macchina, può essere calcolato tramite la seguente formula: 𝑀𝑡𝑜𝑡 = 𝑀𝑑+ 𝑀𝑠 Dove:  Momento dinamico: 𝑀𝑑= 𝐼 ∙ 𝛼̈ [𝑁𝑚]  Momento di inerzia: 𝐼 [𝑘𝑔𝑚2_]  Accellerazione angolare: 𝛼̈ = 2.51 [𝑟𝑎𝑑 𝑠2]  Momento statico 𝑀𝑠 [𝑁𝑚]

Il momento totale richiesto dalle viti è già stato calcolato nel predimensionamento delle viti a ricircolo di sfere. Per ottenere il momento totale in uscita dal riduttore, andrebbe solamente

ipotizzato il momento dinamico necessario a vincere l’inerzia del motore e del moto riduttore. Visto che il motore e il riduttore utilizzati saranno di piccola taglia e viste le basse accelerazioni richieste i momenti di inerzia di riduttore e motore vengono trascurati

Stima inerzia motore:

𝐼𝑚= 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑐𝑢𝑟𝑎𝑏𝑖𝑙𝑒

Stima inerzia riduttore

𝐼𝑟 = 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑐𝑢𝑟𝑎𝑏𝑖𝑙𝑒

𝑀𝑑= (𝐼𝑚+ 𝐼𝑟) ∙ 𝛼̈ = 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑐𝑢𝑟𝑎𝑏𝑖𝑙𝑒

Prima di selezionare un motore solitamente si moltiplica il momento totale necessario per un coefficiente di sicurezza pari a 2, a causa di attriti ed altre incertezze. Siccome per determinare il momento torcente si sono già utilizzati dei piccoli accorgimenti (come ipotizzare delle viti più lunghe rispetto a quelle utilizzate, una massa della traversa di 40 kg ecc..), e si è calcolato il momento dovuto all’attrito delle viti, si utilizza un coefficiente di sicurezza K pari a 1.2.

𝑀𝑡𝑜𝑡= 5.∙ 1.2 ≅ 6.46 [𝑁𝑚]

Dal momento che si vuole utilizzare un rapporto di riduzione minimo di 10:1, per questione di costi e di risoluzione, da catalogo Kollmorgen si sceglie il motore AKM22E-NA (120 Vac), dato che rientra nella categoria dei motori più piccoli ed economici disponibili ed è l’unico motore che riesce a fornire una coppia ed un numero di giri sufficiente a parità di alimentazione.

La curva caratteristica del motore viene riportata qui di seguito: Tabella 21: Curva caratteristica del motore

Dal catalogo Thomson invece si sceglie il moto riduttore modello VT006-010-0 con adattatore Redimount RM060-11. La scelta ricade su questo tipo di riduttore, seppur leggermente più costoso rispetto ad altri modelli disponibili, in quanto è in grado di sopportare modesti carichi radiali, il che è un fattore da tenere in considerazione, dato che la trasmissione della macchina verrà realizzata tramite un sistema di cinghie e pulegge.

Sia il motore che il moto riduttore sono affetti da backlash, ma come spiegato in precedenza, questo non comporterà problemi di precisione della misura durante le prove.

8.2.3 Verifica componenti selezionate

Verifica inerzie

𝐼𝑟𝑖𝑑 = 0.441 [𝑘𝑔 ∙ 𝑐𝑚2]

𝐼𝑚𝑜𝑡 = 0.096 [𝑘𝑔 ∙ 𝑐𝑚2]

Vista la bassa accelerazione le inerzie sono irrilevanti.

Verifica numero di giri massimo:

𝑛𝑚𝑜𝑡

𝑖 = 350 𝑟𝑝𝑚 > 𝑁𝑚𝑎𝑥 = 120 𝑟𝑝𝑚 Con:

 Numero di giri del motore: 𝑛_𝑚𝑜𝑡= 3′500[𝑟𝑝𝑚](𝑑𝑎 𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑜𝑔𝑜)  Rapporto di riduzione: 𝑖 = 10

Verifica della coppia nominale

𝑀𝑚𝑜𝑡∙ 𝑖 ∙ 𝜂 = 7.6 [𝑁𝑚] > 𝑀𝑡𝑜𝑡= 6.46 [𝑁𝑚]

Con:

 Momento motore continuo a 1200 [rpm]:𝑀_𝑚𝑜𝑡≅ 0.8 [𝑁𝑚] (dalla curva della coppia continua del motore)

 Efficienza del riduttore: 𝜂 = 0.95 (da catalogo)  Rapporto di riduzione: 𝑖 = 10

 Coppia di picco del motore a 1200 [rpm]: 𝑀_{𝑝𝑖𝑐𝑚𝑜𝑡} ≅ 2.75 [𝑁𝑚].

8.2.4 Scelta dell’encoder

Il motore selezionato viene fornito con la possibilità di selezionare un encoder incorporato. Siccome l’encoder determina la risoluzione del motore (17) _{, il quale insieme al lead delle viti a}

ricircolo di sfere determina la risoluzione sullo spostamento della traversa mobile, per valutare tale fattore, si fa riferimento ai dati di alcuni test rilevati tramite la macchina per test statici universali della Zwick.

Per ottenere la curva sforzo/deformazione di un provino in S235 con una lunghezza utile di 50 mm, lo spostamento massimo misurato dalla traversa della macchina è di circa 6.5 mm, ed è stato rilevato tramite circa 6500 punti. La risoluzione minima sullo spostamento per effettuare la prova dev’essere quindi di:

∆𝐿 𝑛𝑝𝑢𝑛𝑡𝑖=

6.5

6500= 0.001 [𝑚𝑚]

Considerando che le macchine di trazione di piccola taglia hanno una risoluzione sullo

spostamento variabile (solitamente da 0.001 mm(15) a 0.02(8) µm a dipendenza del modello e del costruttore) e trattandosi di una macchina per scopo didattico, conviene trovare un compromesso tra costi e risoluzione necessaria.

Kollmorgen offre con il tipo di motore selezionato diversi sistemi di controllo tra cui: resolver, smart feedback device, sine encoder ed incremental encoder da 500 a 5000 LPR. Per contenere i costi

conviene scegliere un encoder incrementale da 1024 LPR, che accoppiato al riduttore permette di ottenere una risoluzione di circa 0.5 µm (il doppio di quella minima richiesta).

La risoluzione sullo spostamento (o lo step minimo del motore) è stato calcolato con la seguente formula:

𝑟𝑖𝑠 𝑠𝑝𝑜𝑠𝑡𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝐿𝑒𝑎𝑑

𝐿𝑃𝑅 ∙ 𝑖= 0.000488 [𝑚𝑚] Dove:

 Lead della vite a ricircolo (spostamento lineare corrispondente ad 1 giro di vite): Lead = 5 [mm]

 Numero di partizioni dell’encoder selezionato: 𝐿𝑃𝑅 = 1024  Rapporto di riduzione: 𝑖 = 10

Se si dovesse necessitare di una risoluzione più alta sono disponibili le seguenti opzioni:

 Utilizzare un segnale complementare in output all’encoder incrementale, cosi da quadruplicare la risoluzione a parita di numero di partizioni dell’encoder

 Utilizzare un encoder con più LPR

 Utilizzare un altro tipo di controllore gli smart feedback device offrono fino a 224 _PPR

 Sostituire il riduttore con il modello 25:1 (compatibile con il motore selezionato) L’encoder incrementale non è un sensore che consente di determinare la posizione assoluta dell’albero del motore ma permette invece di rilevare i cambiamenti incrementali relativi alla posizione corrente (in poche parole all’accensione della macchina occorre rilevare lo zero macchina per ottenere la posizione dell’albero del motore). Questo non dovrebbe costituire un problema in questa particolare applicazione, dato che prima di cominciare una prova di trazione, compressione o flessione, si posiziona la traversa e si setta lo zero macchina. Qualora fosse necessario rilevare la posizione assoluta, bisognerà inviare il segnale dell’encoder ad una incremental encoder interface.

8.2.5 Frequenza minima di acquisizione/trasmissione dati

Per risalire alla frequenza minima necessaria ad effettuare con successo un testi di trazione, si può utilizzare come riferimento per il calcolo della frequenza il test già utilizzato nel capitolo

precedente.

Sapendo che un test di trazione dura mediamente 250 secondi e che è necessario rilevare almeno 6500 punti, è possibile calcolare la frequenza minima di acquisizione dati con la seguente formula:

𝑓𝑚𝑖𝑛=

𝑛𝑝𝑢𝑛𝑡𝑖

𝑡𝑡𝑒𝑠𝑡

=6500

250 = 26 [𝐻𝑧]

Siccome il motore con l’encoder selezionato è in grado di rilevare il doppio dei punti nello stesso intervallo di tempo, se si desidera la possibilità di elaborazione dati in tempo reale, la frequenza minima di trasmissione necessaria dev’essere almeno pari a quella massima raggiungibile dal motore. La frequenza di trasmissione dati massima per il motore dev’essere quindi di almeno 52 [Hz]. Da specifiche sono richiesti almeno 100 Hz per la frequenza di trasmissione dati,

considerando che i motori lavorano solitamente con frequenze nell’ordine del KHz si può affermare che non si avranno problemi legati alla frequenza di acquisizione o di trasferimento dati per quanto riguarda il motore selezionato.