Reti e Sistemi per l Automazione. Motion Control. Stefano Panzieri. Stefano Panzieri Motion Control - 1

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1 Motion Control Motion Control - 1

2 Sensori per il Motion Control Posizione Potenziometri, Encoder, Resolver, Trasformatore Differenziare Lineare (LVDT) Velocità Encoder, Dinamo Tachimetrica Forza/Coppia celle di carico, torsiometri, sensori di forza/coppia Accelerazione accelerometri Motion Control - 2

3 Potenziometri Misurano la rotazione o lo spostamento lineare grazie ad un cursore su un deposito resistivo Sfruttano il principio del partitore resistivo Rotativi Lineari Motion Control - 3

4 Encoders Misurano rotazioni relative ed assolute Possono essere utilizzati anche per misure di velocità Giunto Motion Control - 4

5 Due onde quadre sfasate di 90 consentono di determinare spostamento angolare e direzione della rotazione Il terzo canale fornisce uno zero di riferimento Encoder Relativi Motion Control - 5

6 Encoder Assoluti Ogni posizione viene codificata con n bit (fino a 12/14) Codifica Gray (varia solo un bit tra due configurazioni adiacenti) Richiede un numero di sensori maggiore del precedente ma è in grado di determinare una posizione assoluta Motion Control - 6

7 Encoder Incrementali Lineari Lo stesso principio dell encoder incrementale può essere impiegato con un elemento lineare La lunghezza può anche essere maggiore di un metro La precisione fino al mm Motion Control - 7

8 Resolver I due avvolgimenti mobili, in quadratura tra di loro, presentano una tensione alternata dipendente dal seno e dal coseno dell angolo Motion Control - 8

9 Trasformatore differenziale lineare (LVDT) Misurano lo spostamento lineare sfruttando la variazione dell accoppiamento magnetico La risoluzione può essere dell ordine dei micron, il campo di misura massimo di pochi centimetri Motion Control - 9

10 Dinamo Tachimetrica Dalla rotazione di un avvolgimento in un campo magnetico si crea una corrente che viene tradotta in una differenza di potenziale Albero sporgente Asse cavo Motion Control - 10

11 Forza/Coppia Estensimetri montati su una struttura metallica che si deforma per l applicazione di forze o momenti Cella di carico a tre componenti Torsiometro Motion Control - 11

12 Accelerazione L accelerometro piezoelettrico determina la forza con la quale una massa nota comprime il materiale piezoelettrico stesso Motion Control - 12

13 Motori Elettrici I motori elettrici impiegati devono rispondere ad alcuni fondamentali requisiti per un buon controllo: complicazione dei circuiti di controllo e di misura, accuratezza nel posizionamento, semplicità, valore della coppia in funzione della velocità. I tipi di motori più usati sono: I motori in continua (DC) formati da una gabbia di tanti fili che vengono attraversati dalla corrente alternativamente, a seconda del contatto con delle spazzole I motori passo-passo (stepper) convertono ingressi costituiti da tanti impulsi in altrettanti piccoli movimenti dell asse, sfruttando fenomeni di attrazione e repulsione Motion Control - 13

14 Motori Elettrici motore stepper motore brushed motore brushless Motion Control - 14

15 Convertono impulsi in ingresso in movimenti angolari in uscita, basandosi su principi di attrazione e repulsione. Applicando una tensione, generano coppia ma non generano movimento: per avere movimento ci deve essere un commutatore che inverte la polarità (un motore in continua commuta automaticamente) Un motore stepper a ciclo aperto, se non pilota carichi eccessivamente grandi a notevoli accelerazioni e non fa estensivo uso di microsteps, può essere una valida alternativa a basso costo per un motore in continua controllato a ciclo chiuso, in quanto il numero di impulsi è un buon indicatore della rotazione Motion Control - 15 Motori stepper

16 Motori stepper Facilità di implementazione di controllori digitali Elettronica di commutazione piuttosto complessa ma nessun contatto, quindi più resistente Riscaldamento notevole del motore per le correnti sempre presenti Ad asse fermo la coppia è massima, diminuisce con la velocità Possibilità di risonanze, da evitare con tecnologia microstepping (commutando su più avvolgimenti insieme) Nessun controllore d asservimento Buone prestazioni sull errore di posizione Viene spesso usata una tecnologia chopper per ridurre il tempo di salita Motion Control - 16

17 Pro: Elevata robustezza meccanica ed elettronica Elevata precisione Motori Stepper Possibilità di raggiungere basse velocità, mantenendo anche coppie elevate Non hanno bisogno di feedback Sono in grado di mantenere il carico, sviluppando da fermi una coppia di tenuta anche in assenza di alimentazione Assenza di spazzole e sovraelongazioni Contro: Necessità di elettronica di controllo Accelerazioni e velocità minori Problematiche legate alle vibrazioni Motion Control - 17

18 Motori in continua Sostanzialmente sono costituiti da un rotore messo in un campo magnetico, con una corrente applicata alle armature. Una serie di spazzole interne variano automaticamente il campo magnetico generato dagli avvolgimenti, generando rotazione. La velocità di rotazione è proporzionale alla tensione applicata, la coppia fornita è proporzionale alla corrente assorbita. Sono caratterizzati da alte velocità massime, profili dolci di coppia, intervallo di velocità raggiungibili molto ampio (2-3 ordini di grandezza). Motion Control - 18

19 Motori in continua Necessità di un tachimetro per chiudere la controreazione, con annessi convertitori A/D e D/A Facilità di commutazione dovuta all uso dei contatti (spazzole) Le spazzole sono soggette a usura Pochi rischi di surriscaldamento La coppia aumenta con la velocità (ad asse fermo la coppia è poca) Poco rischio di risonanza Necessità di un controllore dedicato, come un PID La precisione nell asservimento dipende dalle caratteristiche del PID Motion Control - 19

20 Motori in continua brushed Pro: Facilità di regolazione Modello matematico molto semplice Alte velocità Contro: Perdite elettriche e meccaniche dovute alle spazzole Produce scintille ed eccessivo rumore Soggetti a deterioramento Necessità di feedback nel controllo Motion Control - 20

21 Motori Brushless Un caso particolare di motori controllati in corrente continua, sono i motori brushless: senza spazzole, il meccanismo della commutazione è gestito elettronicamente. Permettono velocità maggiori, elevate coppie di spunto, rendimento e affidabilità maggiori L assenza di contatti fisici semplifica la manutenzione e prolunga la vita operativa del motore. La potenza fornita genera solo coppia e non campo. Funzionamento in ambiente ostile ma non in presenza di polveri ferromagnetiche. Motion Control - 21

22 Motori Brushless Pro: Assenza di spazzole Dissipazione termica più facile Riduzione del momento di inerzia del rotore Riduzione delle dimensioni Coppie e velocità maggiori (banda passante maggiore) Modello matematico molto semplice (come i motori c.c.) Modulo di alimentazione o in c.c. o in c.a. Contro: Necessitano di controllo in controreazione È più difficile avere coppie costanti Motion Control - 22

23 Motori lineari Idealmente i motori lineari si possono considerare ottenuti srotolando su un piano i motori rotativi. Pertanto i principi fisici alla base del loro funzionamento sono identici a quelli dei convenzionali motori elettrici Motion Control - 23

24 Azionamenti Industriali Controllo di posizione Profili di velocità (trapezoidale, ) Gearing (movimento a rapporto fisso) Controllo di velocità Jog (procedere lentamente ma costantemente) Controllo di forza/coppia Per avvolgimento controllato o inserimento di parti meccaniche Motion Control - 24

25 Funzionalità Disponibili negli Azionamenti Programmabili Configurazione sensori e attuatori Tuning dei Loop Input/Output digitali Input/Output analogici Modalità di Moto Jog Move Gear Programmazione Motion Control - 25

26 Loop di velocità Parametri Guadagno proporzionale (P) Guadagno integrale (I) Guadagno di accelerazione in feedforward (FF) Banda passante Massima corrente (positiva e negativa) sopportabile dal motore FF - P + I/s Ampl Motore velocità Motion Control - 26

27 Loop di posizione Parametri Guadagno proporzionale (Kp) Guadagno integrale (Ki) Guadagno del feedforward di velocità (Kff) Kff - Kp+Ki/s Motore + loop di velocità 1/s posizione Motion Control - 27

28 Modalità Move Nella modalità move l asse viene portato in una posizione predeterminata Parametri Distanza, Velocità, Accelerazione, Decelerazione Stato Idle (in attesa), Seeking (si sta muovendo) Locked (bloccato, frenato) profilo trapezoidale di velocità Motion Control - 28

29 Indexing Possibilità di definire dei profili richiamabili successivamente Movimenti misti: composti da più index Motion Control - 29

30 Spostamenti Incrementale Movimenti riferiti alla posizione corrente Assoluto Movimenti riferiti alla posizione di home Registration Movimenti riferiti alle posizioni di un marker/tag inserito direttamente nel motore o riconosciuto tramite un sensore digitale Motion Control - 30

31 Modalità di Jog La modalità di Jog serve a portare l asse controllato a una velocità prefissata Comandi Start/stop, forward/reverse, soft stop Stati Stopped (fermato), Forward, Reverse Parametri Velocità, Accelerazione, Decelerazione Motion Control - 31

32 Modalità Gear Nella modalità di gearing l asse controllato slave segue, con un rapporto prefissato, il movimento dell asse master (spesso misurato con un encoder) Parametri Rapporto di Gearing Motion Control - 32

33 Funzionalità Avanzate Rampe dinamiche (trapezoidali, a S, paraboliche) Autotaratura dei loop Cambio al volo della modalità di controllo (coppia/velocità/posizione) Albero elettrico a rapporto variabile Camme in posizione e tempo Registrazione data degli allarmi S.O. real time multitask con priorità programmabili Sincronizzazioni tra i vari task di movimento Acquisizione quote al volo (su trigger esterni) Posizionamenti complessi (traiettorie composte con più assi) Motion Control - 33

34 Graphic Motion Language (GML) Linguaggio grafico per algoritmi di movimentazione I blocchi rappresentano Comandi di moto Comandi di input/ouput digitale o analogico Diramazioni condizionate I link impongono relazioni di precedenza Motion Control - 34

35 Linguaggi di Programmazione Grafici GML, Labview, I linguaggi grafici permettono una programmazione veloce ed intuitiva Gli schemi prodotti sono spesso autodocumentanti Le schermate sono context-sensitive e complete di help Motion Control - 35

36 Inline Bottle Filler La linea per il riempimento di bottiglie è una tipica applicazione di un sistema di motion control generalmente riferito a una Flying Shear. Questa applicazione è comune a diverse lavorazioni come il riempimento, il taglio, la punzonatura, lo stampaggio, l etichettatura e la stampa. Le applicazioni del Flying Shear richiedono che la lavorazione sia eseguita su di un oggetto mentre questo è in movimento. Un controllo di Flying Shear deve accelerare da una posizione di stasi per raggiungere la velocità dell oggetto in movimento in un punto specifico, e quindi mantenere una sincronizzazione di posizione e velocità mentre la lavorazione è in atto. Una volta che la lavorazione è completa l utensile deve decelerare fino a fermarsi e ritornare alla posizione iniziale (o a quella di home). Quando un nuovo pezzo si avvicina il processo si ripete. Il movimento del Flying Shear avviene entro una distanza fissa che non può essere superata, così il controllore deve accelerare, inseguire il pezzo mentre la lavorazione è in atto, e decelerare entro questa distanza garantendo la massima produttività della macchina. Motion Control - 36

37 Vantaggi di un servo-system Il movimento segue automaticamente la velocità della macchina così non è necessario riprogrammare se tale velocità o se il sistema cambia La capacità di interfaccia operatore dell Ultra 5000 permette veloci set-up e conversioni tra differenti dimensioni e spaziature Accurato e ripetibile, il controllo digitale permette grandi produzioni con il minimo spreco Motion Control - 37

38 Press Feed In un tipico sistema di Press Feed in cui non siano presenti camme elettroniche, il servo motore guida una serie di rulli che conducono i pezzi verso la pressa. Un encoder di posizione sul volano della pressa deve monitorare la locazione del meccanismo della pressa (l angolazione della pressa) e determinare quando il pezzo può essere inserito nella pressa. Il sistema deve poter permettere all operatore il controllo dell entità del movimento. Per minimizzare il logoramento della macchina e massimizzare la produzione, è desiderabile che il materiale sia immesso nella pressa oltre una fissata percentuale del ciclo di macchina usando degli andamenti dell accelerazione non lineari. Quando la pressa si muove lentamente anche l alimentazione dei pezzi deve essere lenta, quando la pressa si muove velocemente altrettanto fa il nastro alimentatore. La capacità di registrazione è anche richiesta per alcune lavorazioni. Comunque, in ogni sistema elettronico per il controllo di posizione, c è un ritardo tra il punto quando il master encoder genera il comando di movimento per l alimentazione, e quando questo effettivamente avviene. L errore che può scaturire da questo ritardo è significativamente influenzato dal tempo di ciclo del sistema e dalla velocità con la quale il motion controller esegue ogni evenienza del programma. Un modo semplice di eliminare questo problema consiste nell utilizzo di camme elettroniche. Motion Control - 38

39 Soluzione L Ultra 5000 con camme permette un interfaccia operatore personalizzata per un sistema di alimentazione di una pressa. Un profilo elettronico di camma è usato per definire la posizione dei rulli come una funzione del main drive della pressa. Il programma utente può suggerire all operatore la necessità di alimentazione. Le variabili di programma permettono l evenienza di cambiamenti facilmente e anche durante l operazione. Variabili non volatili conservano i dati dell operatore anche a macchina spenta. Motion Control - 39

40 Rotatory Knife Sistemi di Rotatory Knife sono ampliamente usati nelle industrie di stampa. Una lama rotante deve andare più o meno veloce a seconda che sia o meno in contatto col pezzo e per far si che il pezzo venga tagliato nella dimensione richiesta. Un meccanismo di Rotatory Knife consiste in un cilindro con una o più lame posizionate lungo l asse longitudinale. Il cilindro ruota e taglia il materiale che gli scorre sotto. Se la velocità tangenziale della lama raggiunge quella del materiale sul nastro, la lunghezza del materiale tagliato diviene uguale alla circonferenza della lama. Se tale velocità è maggiore saranno prodotti pezzi di dimensioni inferiori, se è minore saranno prodotti pezzi di dimensioni maggiori. Per ottenere la più alta qualità di taglio possibile e per evitare di danneggiare il materiale sul nastro, la velocità tangenziale della lama deve eguagliare la velocità lineare del nastro nel tempo in cui la lama è a contatto con il materiale da tagliare. Così, per ottenere tagli più brevi della circonferenza della lama circolare, questa deve girare più velocemente quando non è in contatto col materiale, e poi rallentare per raggiungere la velocità del nastro quando è in contatto. L opposto si verifica quando si vogliono ottenere tagli più lunghi della circonferenza della lama. Per variare la lunghezza dei tagli del materiale, il controllore è costretto a variare la velocità della lama a differenti valori durante la porzione di ciclo quando questa non è in contatto con il materiale. Motion Control - 40

41 Soluzione L Ultra5000 con camma è usato per controllare un sistema a lama circolare. La presenza della camma fornisce cambiamenti di velocità graduali ed un esatta sincronizzazione delle velocità quando la lama è in contatto con il materiale. Motion Control - 41

42 Spool Winder Questa applicazione richiede che il materiale sia asciugato all aria ed eventualmente avvolto su un rocchetto. Sia le dimensioni del materiale, la taglia del rocchetto o il numero di giri richiesti per uno strato determinano la corsa. Questi requisiti fanno sì che il macchinario sia molto specifico. Un Ultra5000 Intelligent ed un servomotore brushless usato come guida traversa su una winding machine fornirà la flessibilità per compiere una vasta gamma di obiettivi. Usando un sistema di ingranaggi elettronico, la guida e il rocchetto manterranno una posizione relativa costante, indipendentemente dalla velocità del rocchetto stesso. I trasformatori, ad esempio, richiedono spesso molti avvolgimenti con un numero di spire variabili, dipendente dal fatto che sia primario o secondario. La misura del conduttore dipende anche dalla capacità di corrente. Ultraware mostrerà all operatore della macchina informazioni sul processo attraverso un apposito terminale. I calcoli saranno svolti dal programma per determinare quanti strati saranno fatti, il tutto dando come ingresso le dimensioni del materiale, la lunghezza del rocchetto ed il numero di giri richiesto per l avvolgimento. Mentre il rocchetto ruota, la sua posizione è trasmessa al modulo di posizionamento tramite un encoder ottico montato sul mandrino del rocchetto. La guida traversa segue semplicemente il rocchetto mentre viene ruotato, e si fermerà alla fine del rocchetto una volta che questo è pieno per effettuare l ultimo giro, se richiesto. Motion Control - 42

43 Fornisce flessibilità, affinché un ampia gamma di applicazioni di avvolgimento possano essere effettuate dalla stessa macchina senza, o con piccole conversioni. Fornisce accuratezza e consistenza in processi manifatturieri Fornisce una semplice interfaccia operatore con il programma di controllo Vantaggi Motion Control - 43

44 Flying Shear Questa è una tipica applicazione di motion control in cui il materiale, o il prodotto devono essere processati o tagliati mentre sono in movimento. Il controllo, in questo caso, deve seguire un punto sul prodotto, accelerare per eguagliare la velocità, e inviare un output per far agire la macchina tagliatrice mentre viene mantenuta la sincronizzazione con la velocità e la posizione tracciata. Il Flying Shear lavora con una distanza fissata. Quando il processo è completo, il Flying Shear deve decelerare fino ad uno stop e ritornare alla posizione di partenza per il ciclo successivo. Altre considerazioni potrebbero essere necessarie per limitare il raggio d azione del Flying Shear e farlo ritornare alla posizione iniziale in un tempo fissato, in modo da massimizzare il throughput. Motion Control - 44

45 VANTAGGI DI UN SERVO-SYSTEM Il movimento segue automaticamente le velocità della macchina, in questo modo non è necessario riprogrammare se cambia la velocità del sistema. L interfaccia operatore dell Ultra5000 permette veloci set-up e cambiamenti di dimensioni e spaziature. Il controllo digitale produce un alto throughput con sprechi minimi Motion Control - 45