Speciale. Soluzioni e applicazioni di robotica. Inserto Soluzioni Software per l industria. Rassegna I/O distribuito. Panorama Industria meccanica

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1 AO Speciale 357 Settembre 2012 Anno Soluzioni e applicazioni di robotica In caso di mancato recapito inviare al CMP/CPO di Roserio- Milano per la restituzione al mittente previo pagamento resi - ISSN:0392/8829 Rassegna I/O distribuito Panorama Industria meccanica Inserto Soluzioni Software per l industria

2 AO COPERTINA BECKHOFF AUTOMATION COPERTINA BECKHOFF AUTOM Meccatronica: nuovo orizzonte di Beckhoff Beckhoff presenta XTS extended Transport System, un sistema di trasporto a carrelli indipendenti in grado di cambiare il modo di concepire il motion control Il nuovo sistema di movimentazione XTS (extended Transport System) di Beckhoff offre libertà senza precedenti nella costruzione di nuove macchine, combina i vantaggi degli usuali sistemi rotativi con quelli degli azionamenti lineari e rappresenta un sistema di azionamento che estende il principio del motore lineare attuale: XTS è il motore lineare che corre su un anello chiuso su se stesso. Il motore, insieme all elettronica di potenza e al sensore di movimento, è completamente integrato in un modulo. Questa è la vera rivoluzione combinata con l intelligenza del software di gestione del movimento. Uno o più carrelli privi di collegamenti si muovono su una configurazione di percorso pressoché libera e flessibile in modo altamente dinamico, fino a una velocità di 4 m/s. Con una forma costruttiva compatta, XTS rivoluziona il motion control e apre la strada a concetti di macchina completamente innovativi e in grado di ridurre gli ingombri della soluzione. XTS è un sistema meccatronico composto da alcuni componenti estremamente compatti che contengono tutte le funzioni necessarie per il funzionamento: un motore lineare modulare completamente integrato con la propria elettronica di potenza e il sensore di movimento in un unico componente; uno o più carrelli come elementi mobili; un sistema di guide meccanico; un PC industriale con il software di controllo TwinCAT. Le geometrie, le lunghezze e i raggi desiderati del sistema di trasporto variano in funzione del numero e della selezione dei componenti. È possibile fare a meno di complessi e costosi cablaggi e di catene portacavi. Inoltre il sistema di misurazione della posizione è già integrato. XTS consente di sfruttare al massimo le volumetrie delle macchine, poiché in tutta la sua corsa (curve comprese), utilizzabile in entrambi i sensi di marcia, può essere sfruttato per il trasporto attivo di materiale. In questo modo si può risparmiare non solo sull hardware di fornitura, ma anche sulle costose infrastrutture delle macchine destinate alla produzione. Anche nel caso di sfruttamento della velocità fino a 4 m/s viene mantenuta la massima precisione di posizionamento. Tutti i componenti XTS vengono sviluppati e prodotti da Beckhoff in Germania. Insieme al software di automazione TwinCAT e al motion control basato su PC Beckhoff, XTS offre una soluzione di azionamento completa e integrata. Il nuovo principio di motore lineare Le possibilità d impiego per XTS non conoscono limiti: i carrelli possono accelerare, frenare, posizionarsi e sincronizzarsi, assumere posizioni assolute e relative l uno rispetto all altro, raggrupparsi e accumularsi, creare forze di bloccaggio contemporaneamente al loro movimento, percorrere curve con la stessa velocità nei tratti rettilinei, possono recuperare energia grazie alla frenatura con recupero e sfruttare sia le tratte di andata sia quelle di ritorno per trasportare pezzi. E tutto ciò con una regolazione precisa della posizione, senza oscillazioni, senza gioco, senza affaticamento e stress dei materiali, pressoché senza usura e senza costosi interventi di manutenzione. Con questo nuovo concetto di motore lineare si aprono orizzonti totalmente nuovi nel motion control: caratteristiche del motore lineare su un percorso senza fine; numero infinito di carrelli su un tratto comune; struttura modulare, semplice adattamento all applicazione; ingombri ridotti e basso consumo energetico; semplice attuazione di compiti di trasporto complessi; sorprendente semplicità di progettazione e montaggio. Componenti del sistema XTS Il sistema XTS può essere configurato in modo semplice e Iniziativa realizzata in collaborazione con la direzione marketing 2 SETTEMBRE 2012 Automazione Oggi 357

3 ATION COPERTINA BECKHOFF AUTOMATION COPERTINA BECKHOFF AUTOMATION COPERT modulare: i moduli dei motori costituiscono un unità singola con i carrelli e le guide, contengono le bobine elettromagnetiche e tutti gli altri componenti attivi e necessari per il funzionamento del sistema. Modulo motore XTS Il motore lineare, pienamente integrato con elettronica di potenza e sensore di movimento, rappresenta un unità meccatronica, contenendo le bobine elettromagnetiche con tutti i componenti attivi necessari al proprio funzionamento e al sistema, rende necessari in aggiunta solo l alimentazione di tensione e un collegamento Ethercat. È possibile fare a meno di un quadro elettrico. Il modulo motore infatti non contiene parti mobili e pertanto non è soggetto a usura. La disposizione delle bobine e la struttura meccanica sono predisposte per la messa in funzione immediata, in quanto l elettronica di potenza è ottimizzata secondo esigenza, e la parametrizzazione del sistema non è necessaria. Grazie all integrazione del sensore di posizione-movimento risulta superfluo un ulteriore montaggio, nonché la taratura di un carrelli consentendo che le elevate forze di attrazione dei magneti si annullino a vicenda. Pertanto sul supporto meccanico si scaricano solo ridotte forze risultanti. Guida XTS Il sistema di guide è ampliabile a piacere con tratti rettilinei e curve. Le geometrie, le lunghezze e i raggi desiderati vengono determinati dal numero e dalla tipologia dei componenti scelti. In combinazione con la superficie di scorrimento dei rulli del carrello, risultano buone le caratteristiche di scorrimento e la conseguente riduzione di usura fa sì che la lubrificazione del sistema in applicazioni standard non sia necessaria. Il sistema di guide è ottimizzato per il montaggio diretto sul modulo motore con tolleranze di fabbricazione e rulli pretensionati che assicurano un assoluta assenza di gioco. Le guide, prive di bordi e di lunghezze fino a 6 metri, sono disponibili con accoppiamenti che assicurano un montaggio estremamente preciso. Il sistema di trasporto lineare XTS consente il trasporto individuale del prodotto con un flusso continuo di materiali. Grazie al ridotto volume costruttivo è possibile aumentare l efficienza e ridurre notevolmente le dimensioni di una macchina. eventuale encoder, mentre le tolleranze vengono compensate automaticamente. L XTS utilizza un motore lineare a doppio traferro. La disposizione dei magneti avviene in maniera contrapposta su entrambi i lati tramite un apposito montaggio sui Carrello XTS Il carrello contiene piastre magnetiche che, insieme alle bobine del modulo motore, creano forza elettromotrice regolata. Il carrello assorbe le forze di attrazione dei magneti di entrambi i lati e li compensa quasi completamente rispetto alla meccanica di guida. In questo modo i rulli del carrello possono scorrere, con poco attrito e relativa usura, a una SETTEMBRE 2012 Automazione Oggi 357 3

4 AO COPERTINA BECKHOFF AUTOMATION COPERTINA BECKHOFF AUTOM Libera mobilità di uno o più carrelli velocità elevata nella guida. I rulli sono dotati di una superficie di scorrimento in materiale plastico particolarmente resistente, per cui le perdite per attrito sono ridotte. Il precarico dei rulli annulla il gioco e, nel contempo, è concepito anch esso per non causare usura eccessiva. La durata dei rulli dipende dal carico utile. Una pinna del trasduttore, meccanicamente rigida e robusta, trasmette il segnale di posizione al modulo motore. Il carrello è un elemento puramente passivo; non sono presenti contatti striscianti o cavi in movimento. Con un peso inferiore ai 350 g, il carrello è particolarmente leggero e la sua lunghezza ridotta consente una distanza fra i prodotti trasportati fino a 50 mm. La geometria delle guide permette anche movimenti in curva con dinamica e velocità massima. Per come è accoppiato, non si verifica alcuno sviluppo di calore né sulla superficie del carrello né al suo interno. Benefici: vantaggi plurimi grazie a XTS Configurazione su misura - XTS si adatta in modo preciso alle esigenze richieste: il numero non predefinito di carrelli, il percorso modulare, la controllabilità individuale di ogni singolo carrello e la facile integrazione in macchine e impianti esistenti garantiscono una soluzione facile da implementare, tramite la quale si ottimizza l efficienza di produzione. Maggiore velocità di produzione - Senza vibrazioni e con un inalterata precisione di posizionamento, con XTS si raggiungono fino a 4 m/s. Sincronizzazione, arresto e ripartenze possono essere effettuate su qualsiasi posizione lungo l intero percorso di movimento. Inoltre, la reattività è sensibile: profili di accelerazione senza vibrazioni e pendolamenti consentono addirittura il trasporto di liquidi in contenitori aperti. Anche quando sulle stazioni di lavorazione è necessario un arresto e una ripartenza, il flusso di prodotti rimane inalterato. Compatto - Con XTS è possibile sfruttare in modo ottimale il volume delle macchine, poiché il percorso di andata e di ritorno, nonché le curve, possono essere utilizzate per il trasporto attivo di materiale. In questo modo si risparmia non solo sull hardware, ma anche sulle costose infrastrutture delle macchine destinate alla produzione. L elettronica di potenza, il sensore di movimento, l elemento primario del motore e le superfici di fissaggio sono integrate in un unico componente. Pertanto sono soddisfatti tutti i presupposti per la realizzazione di una costruzione di macchine compatte ed economiche. Meno usura, meno manutenzione - L impiego di XTS assicura una minore usura meccanica, poiché meccanicamente deve essere supportato solo il carrello. Riduttore, cinghie, nastri, pulegge di rinvio e bloccaggi non sono più necessari. Grazie all elevata qualità di posizionamento, non è indispensabile compensare le imprecisioni delle soluzioni di trasporto usuali: l allungamento della catena in caso di carico e usura, il tensionamento successivo della cinghia dentata o il gioco meccanico in caso di cambi di carico si possono dimenticare. Oltre al carico utile trasportato viene movimentata solo la massa ridotta del carrello (< 350 g). Adattamento al formato rapido e flessibile - Soprattutto nell industria dell imballaggio un adattamento flessibile rispetto al formato del materiale movimentato rappresenta un grande vantaggio: nel caso di un cambio di prodotto oppure, ad esempio, di una modifica della quantità di riempimento è eseguibile un cambiamento del formato senza arrestare la produzione. Le modifiche vengono realizzate cambiando i parametri previsti nel software; allo stesso tempo i valori empirici possono essere salvati come set di parametri ed essere richiamati in qualsiasi momento. I parametri sono sostituibili tra applicazioni equivalenti. In molti casi infatti non sono più necessarie lunghe regolazioni meccaniche in occasione della messa in funzione. 4 SETTEMBRE 2012 Automazione Oggi 357

5 ATION COPERTINA BECKHOFF AUTOMATION COPERTINA BECKHOFF AUTOMATION COPERT Coppie di spunto ed elevata accelerazione - La rapida elaborazione dei segnali e la grande larghezza di banda possibile con Ethercat, veloce bus Ethernet in tempo reale, consentono le migliori caratteristiche dinamiche. Insieme alle elevate forze di picco possibili l applicazione può contare su un elevata accelerazione. Un monitoraggio della differenza di posizionamento evita danneggiamenti al prodotto nel caso di guasti meccanici; inoltre la limitazione della forza e la riduzione delle vibrazioni consentono di gestire il prodotto sempre in modo ottimale nelle varie fasi di produzione. I parametri possono ad esempio essere adattati durante la corsa, in funzione del livello di riempimento. Massa minore, maggiore sicurezza - Masse minori producono un minore potenziale di problematiche. Contrariamente a quanto avviene nel sistema XTS, nei sistemi convenzionali è necessario mantenere in movimento un manipolazione di prodotti come sollevamento, chiusura, rotazione, avvitamento della chiusura. Un flusso irregolare e casuale di pezzi viene singolarizzato per essere convogliato alla stazione di lavorazione successiva mantenendo una distanza e una velocità controllate. I prodotti vengono prelevati e trasportati da una stazione di lavorazione alla successiva e se i percorsi tra le stazioni sono liberi verranno attraversati ad alta velocità, altrimenti i prodotti si muoveranno verso la stazione intermedia. Su stazioni di lavorazione lente i prodotti possono essere lavorati parallelamente e in gruppi, mentre le stazioni rapide lavorano ogni volta un solo prodotto. Il percorso di ritorno può sempre essere sfruttato in modo attivo e ad alta velocità. Traslazione sincrona di un gruppo trasportatore a catena tramite un azionamento centrale. Di conseguenza, la forza complessiva è tanto grande quanto la somma delle forze singole necessarie sull intera lunghezza. Ne consegue che la forza complessiva può agire su un punto quando si verifica un errore o un guasto meccanico oppure si deve poi intervenire manualmente nel processo. Con XTS questo rischio viene notevolmente minimizzato e aumenta l affidabilità perché, nella maggior parte dei casi, agisce solo la forza parametrizzata di un carrello. Così, in caso di collisione con un ostacolo, agisce solo la massa di un carrello con il suo carico utile. Campi di applicazione XTS - XTS è utilizzabile in modo versatile nei più svariati settori. È studiato appositamente per il trasporto di materiale ad alta velocità: spostamento di prodotti, adeguamento della distanza tra prodotti, riduzione o aumento della velocità dei prodotti; bloccaggio e movimento di prodotti; trasporto ed estrazione di prodotti; Funzioni base di XTS Il sistema XTS comprende una nuova classe di funzioni che consentono di risolvere compiti di trasporto e di posizionamento particolarmente flessibili con un investimento ridotto. Libera mobilità di un carrello - Il carrello può essere mosso liberamente lungo l intero percorso, vale a dire che può frenare, accelerare, posizionare, nonché esercitare una forza costante sia a riposo sia durante il movimento. Come ogni motore lineare, il carrello può sincronizzarsi con altri movimenti, ma senza cavi sulla slitta in movimento, consentendo così la massima flessibilità possibile. In caso di disposizione in un percorso ad anello, i carrelli possono spostarsi all infinito e seguire il flusso di prodotti, senza utilizzare, in questo caso, movimenti di ritorno. Libera mobilità di più carrelli - Tutti i carrelli possono essere mossi indipendentemente l uno dall altro ed essere collocati su posizioni assolute lungo l intero tragitto. Inoltre, possono essere spostati relativamente ad altri car- SETTEMBRE 2012 Automazione Oggi 357 5

6 AO COPERTINA BECKHOFF AUTOMATION COPERTINA BECKHOFF AUTOM relli, evitando così qualsiasi collisione con il loro carrello adiacente. I carrelli possono raggrupparsi automaticamente ed essere utilizzati con una funzione di buffer intermedio, flessibile e in movimento con una dinamica molto elevata, verso una destinazione anch essa in movimento. Traslazione sincrona con movimento a gruppo - Durante il movimento è possibile formare gruppi che si arrestano contemporaneamente o che passano lungo le stazioni di lavorazione con un profilo di velocità predefinito. Questa formazione viene supportata a piacere sull intero percorso e la grandezza del rispettivo gruppo (quantità e distanza) adattata in modo dinamico. Forza costante - Un carrello segue gli altri compagni di viaggio con una forza definita: può creare una forza di bloccaggio fra due carrelli e, contemporaneamente, seguire un movimento, ad esempio per tenere bloccato un prodotto. Per altri casi applicativi è possibile limitare la forza, al fine di non sollecitare eccessivamente un prodotto in tutte le condizioni. Anche le forze di accelerazione e le forze centrifughe possono essere limitate, ad esempio per consentire il trasporto di liquidi in contenitori aperti. Funzione curva illimitata - L intero percorso di traslazione diventa un percorso utile al trasporto. Il percorso di andata e di ritorno come anche le curve sono disponibili per il trasporto di materiale e per la lavorazione. In questo modo sono possibili soluzioni applicative molto compatte e integrate che consentono concetti macchina completamente nuovi. Il nuovo concetto di motore lineare Intervista con Uwe Prüßmeier l sistema XTS è stato sviluppato in tempi brevissimi: dall idea alla presentazione alla fiera di Hannover 2012 è passato meno di un anno. Nella breve intervista Uwe Prüßmeier, product manager per la tecnologia bus di campo e motion control, coinvolto in modo determinante nello sviluppo di XTS, spiega i retroscena e i dettagli costruttivi del nuovo concetto di motore lineare. A.O.: L XTS segue in modo coerente le tecnologie di base Beckhoff PC-based Control ed Ethercat. Quali erano le idee di base nello sviluppo dell XTS? Uwe Prüßmeier: La potenza di calcolo dei nostri PC è cresciuta di un fattore superiore a negli ultimi 10 anni. Pertanto, si pone la questione su cosa si potrà realizzare con tali PC in futuro. Tramite Ethercat si possono trasferire grandi quantità di dati da e verso il PC per sfruttarlo in modo corretto. Ci siamo liberati da vecchie soluzioni e abbiamo riflettuto sul motore lineare ottimale dal punto di vista dell utente. Un numero qualsiasi di carrelli e il movimento senza fine ci sono sembrati i criteri più importanti. Tecnicamente pensavamo fosse già possibile controllare tutte le bobine del motore centralmente e calcolarne e controllarne tutte le posizioni nel PC. Anche la capacità di calcolo necessaria aveva raggiunto un rapporto prezzo/prestazioni eccellente per l utente. Abbiamo quindi iniziato a sviluppare un sistema meccatronico. L XTS però è più di una semplice prestazione su base IT. Qui anche i costruttori dell industria meccanica e gli sviluppatori elettronici hanno collaborato Uwe Prüßmeier, product manager tecnologia Bus di campo e Motion Control, Beckhoff 6 SETTEMBRE 2012 Automazione Oggi 357

7 ATION COPERTINA BECKHOFF AUTOMATION COPERTINA BECKHOFF AUTOMATION COPERT Quantità non predefinita di carrelli - Non ci sono limiti di sistema per il numero dei carrelli; la quantità può infatti essere adattata nel modo più conosono all applicazione. In pratica, il numero è limitato solo dalla potenza di calcolo di cui dispone il PC. Traslazione con forza costante Lunghezza arbitraria del sistema - Per l intero percorso non esistono limitazioni di lunghezza: sono possibili 10 m e anche molto più. Tramite l alimentazione individuale di bobine viene creato un campo magnetico in movimento, il quale trascina i magneti permanenti del carrello. La forza elettrica regolata dalle bobine si adatta al fabbisogno di forza del carrello. in modo intenso. Si tratta di un opera d arte a cui hanno contribuito tre discipline. A.O.: L XTS in che cosa si differenzia da un motore lineare convenzionale? Uwe Prüßmeier: Oltre alle consuete buone caratteristiche di posizionamento del motore lineare, il sistema XTS consente il movimento senza fine dei carrelli. Ciò comporta un grande vantaggio: il carrello non deve mai arretrare andando in senso inverso alla direzione di trasporto. Altresì, un grande numero di carrelli può percorrere lo stesso tratto. Per l XTS abbiamo sviluppato un motore a doppio traferro. Ciò significa che sono presenti due magneti opposti che si muovono sul pacchetto di bobine. Le forze di attrazione tipicamente alte dei magneti vengono assorbite da un supporto statico meccanico praticamente annullandosi. Rispetto al motore lineare convenzionale, l XTS richiede solo ridotti requisiti al sistema di guida meccanico. I carrelli possono essere mossi quasi senza l influsso di forze statiche. Con 350 g, la massa del carrello è molto ridotta, quindi tutta la coppia motore, senza una riduzione degna di nota a causa dell attrito, è a disposizione dell applicazione. Complessivamente l XTS, oltre alle nuove caratteristiche menzionate, presenta ulteriori vantaggi rispetto al motore lineare convenzionale, come la migliore accelerazione, un ottimo bilancio energetico e un usura ridotta. A.O.: Il sistema XTS è strutturato in modo modulare. Gli elementi di base, il modulo motore e le piastre magnetiche devono essere acquistate singolarmente. A cosa deve badare l utente durante la progettazione di guide e carrello propri? Uwe Prüßmeier: L utente può acquistare le guide e il carrello da noi o svilupparli in proprio, in funzione della sua applicazione. Il carrello è costruito in modo tale da poter percorrere tutti i raggi superiori a 150 mm. Per altri raggi non è obbligatoriamente necessario un carrello nuovo, ovvero di tipo diverso. A seconda delle esigenze del mercato, siamo in grado di offrire diversi moduli motore con una guida adatta. Probabilmente, con il carrello proposto da noi non riusciremo a soddisfare tutte le esigenze pratiche, pertanto diamo la possibilità all utente di impiegare una guida e il carrello di propria progettazione. A.O.: Una possibilità d impiego dell XTS è il bloccaggio di un oggetto tra due carrelli. Fino a quali forze è concepita la funzione di bloccaggio? Uwe Prüßmeier: Raggiungiamo forze fino a 100 N. Per la forza continua il limite è rappresentato dall auto riscaldamento delle bobine del motore. Poiché sfruttiamo il principio del motore lineare in modo inverso, la bobina è in posizione ferma e la piastra magnetica in movimento; è possibile così esercitare grande forza per movimenti rapidi del carrello. Solo in posizione da fermo, quando il carrello si trova sempre sopra una bobina, la forza continua si riduce a 30 N. di Lucrezia Campbell SETTEMBRE 2012 Automazione Oggi 357 7