CRIT S.R.L VIGNOLA (MO)

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1 Innovazioni tecniche e trend nel controllo del movimento Dott. Ing. Marco Venturini, Dir. Tecnico Phase Motion Control Phase Motion Control S.r.l. via Adamoli, Genova, Italy http: Vignola, Seminario organizzato da CRIT S.R.L. Centro di Ricerca Innovazione Tecnologica Via Caselline, VIGNOLA (MO) Tel. +39/059/ Fax. +39/059/776881

2 Limiti delle attuali tecnologie I motori brushless dell ultima generazione e i relativi azionamenti generalmente limitano le prestazioni dinamiche del sistema I guadagni d anello ottenibili e le relative precisioni e rigidezze sono limitate dalla catena cinematica Nessun algoritmo puo controllare un sistema marcatamente non lineare (gioco!) (o attrito di primo distacco!!!!) (che sono la stessa cosa) Ogni elasticita si combina con le inerzie del carico per dare origine ad una risonanza I sistemi di controllo non possono superare le frequenze di risonanza del sistema

3 I sistemi multiassi: verso i 100 assi/macchina Ogni motore ha un collegamento di potenza ed un sensore, normalmente analogico Tutti i cavi fanno capo ad un azionamento nel quadro, generalmente monoasse Nelle M.U. la coordinazione viene effettuata a livello CN, le altre macchine operatrici... La gestione del sistema e generalmente affidata ad una scheda real time in ambiente pc industriale Non e ancora definito uno standard per controlli di sistemi veramente multiassi e per le relative comunicazioni Se si ipotizza di centralizzare gli anelli su PC e usare azionamenti stupidi, la banda delle comunicazioni sensori - PC - azionamenti diventa altissima

4 Cosa occorrera per macchina a 100 assi? Troppi cavi analogici: encoder digitali con targhetta elettronica e auto programmazione Comando assi su field bus, multi drop: ma quale? Profibus no, perche tanto vale accettare un monopolio (costoso) Canopen 422? Perche no? Forse troppo lento? Dipende.. Ridurre le esigenze di velocita di trasferimento dati: chiudendo l anello di spazio il piu vicino al motore e al sensore possibile, le traiettorie possono essere trasmesse su un bus lento Se poi si riesce ad integrare l elettronica di azionamento con chiusura di anello di spazio nel motore, un singolo filo puo comandare molti assi ed il quadro si svuota

5 Cablaggio e compatibilita EMC Ogni azionamento genera disturbo EMC che viaggia sui cavi motore e alimentazione I sistemi multiassi devono scambiare energia tra di loro e quindi le alimentazioni devono essere accomunate Piu e elevato il numero degli assi piu la emissivita e suscettivita del sistema diverra imprevedibile E indispensabile prevedere una riduzione del disturbo a livello asse individuale

6 Il controllo del sistema multiassi richiede un interfaccia di programmazione che affronti il problema delle coordinazioni e dei transitori in modo nativo Avviamento sincronizzato Controllo di registro per singoli assi o gruppi Fermate locali per sottogruppi su attesa od emergenza Gestione degli allarmi minimizzando l impatto sul processo La prossima generazione di assi non avrà più un pannello di controllo sull asse ma un pannello su bus pensato per n unità

7 Ma un albero di trasmissione è sempre più sicuro... Non necessariamente: se i sistemi pluriassi sono studiati prevedendo la caduta rete gli azionamenti devono e possono scambiarsi le energie cinetiche La logica di controllo deve estrarre l energia dagli assi più inerziali per sostenere quelli senza inerzia Esattamente come un albero meccanico! La diffusione degli encoder assoluti multigiri elimina i cicli di zero

8 Azionamento diretto: si può già fare? Se il servomotore usa encoder sincos e azionamento adeguato, non esiste un problema di bassa velocità Il riduttore offre coppia e rigidezza e costa denaro, affidabilità e prestazioni (gioco ed elasticità) I motori sono dimensionati dalla coppia, e spesso un motore più grosso con avvolgimento bassi giri costa meno dell assieme motoreriduttore La taglia dell azionamento non cambia a seconda dell esistenza o meno del riduttore La rigidezza si ottiene dall elettronica assieme a MOLTA più precisione, se la meccanica è a posto, altrimenti, non funziona E quindi, in generale, ogni riduttore epicicloidale con rapporto < = 1:5 è sempre sbagliato. Oltre, dipende

9 Motori lineari: quali applicazioni? Il motore lineare elimina la trasmissione meccanica possibilità di banda passante piu alta, guadagni piu elevati, settling time più breve nessun limite di velocità eliminazione di cicli limite e giochi meccanici nessuna manutenzione Ma se non c e più una trasmissione... Forza limitata nessuna inerzia: la precisione e la rigidezza devono nascere dal servocontrollo il sensore deve essere sul pezzo e non può più essere nascosto nel motore

10 Le applicazioni corrette e quelle inadatte Applicazioni in cui il carico e inerziale, il tempo di ciclo e importante, la corsa e lunga ottengono il massimo beneficio carico e scarico, trasporto, posizionamento indexing, packaging robot di montaggio taglio tessuti, carta, laser La dove gli sforzi richiesti sono elevati e continuativi, e la banda passante non e limitata dalla meccanica (e quindi non puo essere migliorata), il motore lineare può essere solo una moda..costosa

11 Applicazione: Il motore lineare e un pezzo della macchina operatrice La progettazione deve essere ottimizzata per banda passante La macchina deve essere pensata con il motore non solo grandi masse! Alto rapporto rigidezza/massa ridurre le masse distribuendo il motore nella macchina L attrazione magnetica può essere usata per precaricare i cuscinetti La scelta del corretto sensore lineare e fondamentale la precisione (e il costo) sono determinati dal sensore la rigidezza dalla risoluzione del sensore (che deve essere assai superiore alla precisione richiesta)

12 Quali applicazioni falliscono? Se la macchina trova il suo limite in risonanze meccaniche o insufficiente rigidezza, il motore non fornirà alcun miglioramento Se il controllo non e sufficientemente veloce, esso costituirà il limite del sistema e la macchina non avrà le prestazioni desiderate Se la rigidezza richiesta e elevata e la banda di controllo e limitata, il riduttore e l unica soluzione Se la precisione offerta dal sensore lineare e inutile e costosa... Se i vantaggi (tempi di ciclo!) non si traducono in valore per il Cliente...

13 Il prodotto Phase Motion Control Motori Wave: un nuovo tipo di lineari brushless PM sinusoidali, terre rare, raffreddati a sola conduzione per applicazioni di posizionamento Spinte 400, 800, 1600, 2500, 5000 N pk per modulo Realizzazione automatizzata con avvolgimento innovativo a basse perdite Fornibili anche curvi (Wave-C) per moto angolare o rotatorio su grandi raggi (> 500mm) Potenza dissipata: Wave 40: uguale ad un motore convenzionale 5 Nm (il motore che verrebbe utilizzato in analoga applicazione con trasmissione)

14 La transizione competitiva: un posizionatore Asse X cartesiano l=2000 mm, massa utile 50 kg, cremagliera o lineare? Costo motore 5 Nm = 100 Costo riduttore epi = 150 Costo encoder nel motore =30 Costo pignone e cremagliera=120 Allineamenti, registrazioni, montaggi=100 Risultato: 2 m/sec, 1g, settling time ~ 100 msec, precisione ~0.1 mm Costo totale = 500 Costo motore 400/1000 N = 300 Costo strip encoder magnetico = 50 Allineamenti, registrazioni, montaggi = 50 Risultato: 4 m/sec, 2g, settling time=20 msec, precisione 0.02 mm Costo totale = 400 Ma nel 2002 il costo dei motori lineari scendera ancora del 30%..

15 Forma meccanica - la semplicità Rotaia magnetica: spezzoni 200 e 400 mm da montare in sequenza senza particolari prescrizioni, tolleranza di posizione ~0.2 mm Statori: moduli parallelabili Piu statori indipendenti possono correre sulla stessa rotaia magnetica Traferro 0.9 mm+/-0.15 Azionamento: Ax-V standard, completo di interpolatore interno x 4096 encoder lineari sinusoidali 1 v pk-pk; consente di utilizzare righe ottiche o magnetiche a basso costo con passo *1 mm Ax-V contiene anche posizionatore e PLC

16 Il motore Wave - una innovativa struttura interna

17 Dimensioni meccaniche

18 Wave e Wave-C

19 Il motore lineare può essere flessibile. Wave-C azionamenti diretti 1m-16 m diametro

20 Applicazioni in presa diretta: nessun limite...

21 Sintesi: la gamma Wave Motori lineari semplici per posizionamento Carico utile da 2 a 200 kg, 6 m/sec, 6g Non raffreddati (convezione/conduzione) Compatibili con tutti gli azionamenti (AXV, AXM) Carico/scarico, cucitura, taglio tessuti, lavorazione legno, plotter laser, cesoie volanti ecc... Traferro 0.9 mm, tolleranze di montaggio 0.3 mm Compete con vantaggio con viti e cremagliere a prestazioni moltiplicate

22 I motori ad avvolgimento epiciclico Come superare il limite coppia/dimensioni oggi raggiunto dai brushless terre rare? Motore convenzionale: bobine su più cave, avvolgimento inserito in cava (in disordine) testate che si intrecciano Motore epiciclico: Ogni dente una bobina che lo abbraccia, teste cortissime, avvolgimento potenzialmente stratificato (se si è capaci!)

23 I motori ad avvolgimento epiciclico Risultato: con lo stesso volume attivo si ha un motore circa 40% più corto (le testate si accorciano) Se è stratificato, si ha il 40% in meno di perdite e quindi il 20% di coppia termica in più (NON DI PICCO!) Ma bisogna saperlo fare...

24 Tecnologie esistenti Denti individuali, microstampati e saldati a laser Avvolgimento stratificato sul dente I denti avvolti vengono riuniti e risaldati Tutti i collegamenti effettuati a valle Alto costo di attrezzaggio, processo complesso. Cogging significativo. Numero di denti ridotto Tubo stellato (cava aperta all esterno) fatto di lamierini tranciati e incollati Avvolgimento tipo motore cc, già collegato ma non stratificato L avvolgimento viene reinserito in un secondo tubo di lamierini Alto costo di attrezzaggio, processo complesso. Cogging minimo. Coppia più bassa dovuta all avvolgimento non compatto e al flusso disperso al traferro Statore convenzionale, a cava aperta, bobine inserite dall apertura cava Complessa operazione manuale Riempimento cava ridotto Usato nei motori coppia di grande diametro. Cogging significativo

25 Vantaggi e svantaggi Vantaggi: Motori molto corti adatti alla presa diretta, ottimi per bassi giri Polarità elevate (da 8 a centinaia di poli) funzionamento limitato alle basse velocità Forma simile al motore idraulico Alto rendimento, ottimo per raffreddamento ad aria Integrabile con il drive restando nella taglia di un motore standard! Svantaggi: Meno lineare di un motore convenzionale Cogging superiore Alta frequenza ed alte perdite nel ferro Forma lunga e sottile (per carichi a bassissima inerzia) poco producibile e poco vantaggiosa Inadatto al raffreddamento ad acqua

26 I motori coppia per applicazioni in presa diretta In tecnologia brushless PM, elevata polarita avvolgimenti bassi giri, consentono le piu alte prestazioni se integrati all interno della macchina operatrice Da 10 a 5000 Nm in forma cilindrica da 85 a 570 mm diametro fino a 16 m, 2 MNm a segmenti

27 Forma costruttiva Statori: Anello sottile, spoletta rettificata per raffreddamento diretto sullo statore Montaggio a caldo (carcassa in Al) o a fissaggio a flangia (preferita per carcassa in acciaio) L incapsulamento, fragile, superato dalla tripla impregnazione Avvolgimento a passo non troppo corto per ottimizzare la linearita e minimizzare il cogging da diametro 85 a 570mm realizzati ad anello, oltre (fino a 16 m) a segmenti Su richiesta forniti in carcassa custom Rotori: Magneti bandati in ottone (bassa velocita e alto smorzamento) o inox (medie velocita ) o fibra di carbonio (>= 100,000 rpm Ampio foro passante (spessore anello mm) Struttura in acciaio customizzata sulle esigenze della macchina per ottenere il massimo di compattezza

28 Macchina utensile: Tavole rotanti e di lavorazione Transfer Azionamento diretto teste biassiali Asse C ad alta dinamica e precisione per rettifica ingranaggi, eccentrici ecc Torni verticali Applicazioni Extra M.U.: Estrusori in presa diretta Attuatori di grande forza con trazione diretta sulla chiocciola Tavole rotanti per asemblaggio e pressatura Trazione diretta del volano su presse a bilancere e molte altre ogni mese...

29 La nuova frontiera: motori PM a potenza costante fino a 1:10 Richiede un attento bilanciamento sull applicazione ed un azionamento adeguato Corrente a vuoto elevata in zona deflussaggio La zona deflussaggio non e molto sovraccaricabile Mtor ( w) MtorS6( w) Mpower ( w) Currentlim( w) 100 Inl( w) 100 Tl( w, 400 volt) Lossfe( w) Losscu( w) Efficiency( w) Loss0load( w) Lossfe( w) + Losscu( w) Tl( w, 400 volt) Inl( w) 100 No trace load 6 current Maximum current S1 power S6 torque, 60% S1 torque w Currentlim( w) Mpower ( w) w Iron loss MtorS6( w) Copper loss overall efficiency w Mtor ( w) no load loss 6 S1 torque. 10 full load loss 4 S6 torque, 60% S1 power Maximum current No load current trace 6 5 Tipiche curve operative di motore per tornio 37,000 Nm, ginocchio 15 rpm, vmax 250 rpm

30 Evoluzioni future Verso motori coppia di dimensioni elevate: torni verticali, grandi tavole, generatori eolici... Motori sempre piu grandi.. Da Nm (1994) a 37,000 Nm (2002)

31 Worldwide support and distribution network R&D, Company headquarters Manufacturing and support Authorized distributor

32 Leading the innovation in electric force, motion and position control for automation