APPLICAZIONE DI MOTORI LINEARI A MACCHINE TRANSFER A TAVOLA GIREVOLE

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1 APPLICAZIONE DI MOTORI LINEARI A MACCHINE TRANSFER A TAVOLA GIREVOLE A. Zapponi Alpha Progetti S.r.l. Ingegneria per l automazione via Golgi, 5/ Gussago BS - (Italy) tel ; fax Sommario E qui presentato il progetto di un Transfer a tavola girevole dotato di centri di lavoro con motori lineari, scaturito da una ricerca volta al miglioramento di tale tipologia di macchina, in termini di prestazioni e flessibilità effettuata da Alpha Progetti, società di ingegneria per l automazione industriale. Fatto il punto della situazione, si analizzano le problematiche che la tecnologia dei motori diretti consente di superare e si descrive la metodologia progettuale utilizzata per l applicazione. INTRODUZIONE La competizione molto forte a livello internazionale e la grande mobilità delle merci, costringe le aziende a rinnovare continuamente e frequentemente i propri prodotti. La compressione della vita degli stessi richiede la rivisitazione dei processi produttivi, con un incremento della rapidità nel cambio dei lotti di produzione e l'aumento delle tipologie di pezzi da lavorare. Il mercato della subfornitura, abituale settore di utilizzazione di macchine transfer, è dunque cambiato in maniera sostanziale. La difficoltà di previsione del lavoro a lungo termine e la frequenza del cambio di produzione ha indotto molti imprenditori di questo settore a orientare gli investimenti verso

2 i centri di lavoro, considerati più flessibili e più economici, anche se meno produttivi. D'altra parte si è anche assistito a un graduale incremento della flessibilità delle macchine transfer a tavola girevole e oggi tutti i produttori si sono orientati verso l offerta di particolari macchine, che si collocano tra i transfer e i centri di lavoro, come buon compromesso tra produttività e versatilità. Figura 1: Immagine della macchina "ALPHA Liner" L analisi effettuata dalla società Alpha Progetti ha messo in evidenza che lo sviluppo delle future generazioni di macchine ad alte prestazioni (in termini di precisione e produttività) passa necessariamente dall impiego di motorizzazioni dirette, che devono essere in grado di garantire elevate potenze specifiche e una notevole elasticità per quanto riguarda l erogazione delle stesse: gli attuatori sincroni a magneti permanenti gestiti con le moderne tecniche di controllo vettoriale, soddisfano appieno a queste richieste. L implementazione di altri accorgimenti che saranno trascurati in questa memoria- permette un icremento sostanziale anche della flessibilità di tali macchine.

3 STATO DELL ARTE I sistemi di movimentazione degli assi di lavoro tradizionalmente usati nelle macchine transfer, sono basati su motori rotativi brushless e da una catena cinematica di trasformazione del moto da rotatorio in lineare. Essa è genericamente costituita da un rapporto di riduzione realizzato con trasmissione a cinghia e pulegge e da una vite a ricircolo di sfere, mentre attualmente la tecnologia dei motori in diretta è utilizzata solo nella movimentazione della tavola girevole. La vite a ricircolo di sfere è caratterizzata da un'elevata rigidezza -su corse brevi- e da un accettabile livello di usura, ma presenta comunque limiti di velocità legati all'attrito delle sfere. La trasmissione a cinghia riduce la rigidità della catena cinematica ed è un altro elemento soggetto a manutenzione e sostituzione, tanto più frequente quanto più è duro il ciclo di lavoro. Lavorazione corpo idroguida su cella flessibile (n 3 stazioni - Tempo ciclo totale: 28 secondi) rotazione tavola 7% cambio utensile 5% lavorazione 62% movimento degli assi in rapido 26% Figura 2: Tempo ciclo in lavorazione su cella flessibile a tre stazioni con cambio utensile Le macchine di questo tipo hanno cicli di lavorazione brevi e assi di movimentazione con corse ridotte. Dall'analisi è emerso che una percentuale tra il 15 e il 25 % (fig.1) del tempo ciclo è utilizzata per posizionamento e cambio utensile [1], quindi per aumentare la produttività è necessario incrementare la velocità media degli assi. In presenza di corse

4 brevi questo si ottiene esclusivamente aumentando l'accelerazione. In assenza di carichi, un motore lineare di commercio può accelerare fino a circa 320m/s 2 e raggiungere una velocità di 830 m/min (ca. 14m/s) [2]. Per avere un immediato confronto con i sistemi tradizionali è utile ricordare che con le viti a ricircolo di sfere si ha un limite di velocità pari a circa 60m/min (1 m/s), mentre è già un azzardo progettuale considerare un'accelerazione superiore ai 10m/s 2 per un motore brushless rotativo. Figura 3: Motore lineare di tipo sincrono a magneti permanenti Per aumentare l'accelerazione con questi sistemi è necessario l'utilizzo di motori sovradimensionati, la riduzione dei rapporti di trasmissione, del passo delle viti a ricircolo di sfere e delle masse in movimento, contestualmente all'aumento della rigidità del sistema: esigenze che è difficile conciliare. Ad alte accelerazioni gran parte della potenza di un motore rotativo è spesa per accelerare se stesso e la catena cinematica, mentre il motore lineare può spenderla interamente per se stesso e il carico, migliorando nettamente l'efficienza di movimentazione. L'elevata rigidità dell'accoppiamento permette anche di evitare i problemi di risonanza meccanica dovuti all'elasticità delle catene cinematiche tradizionali: il sistema risponde più velocemente e con tempi di assestamento inferiori permettendo l'utilizzo di guadagni maggiori nell'anello di controllo e dunque un miglioramento di circa un ordine di grandezza nella precisione di posizionamento.

5 I VANTAGGI DELL APPLICAZIONE DI MOTORI LINEARI Il progetto è nato dalla consapevolezza dei numerosi aspetti che consigliano l'utilizzo di motori lineari sulle macchine transfer: a tutti i vantaggi in termini di efficienza dinamica sopra descritti, si aggiunge la manutenzione ridotta cui sono soggetti questi azionamenti e la conformazione stessa della macchina che consente di collocare i motori in posizione riparata rispetto alla zona di lavoro. Lo studio ha previsto la collocazione di un numero variabile di piccoli centri di lavoro, dotati di un particolare sistema di cambio utensili, intorno a una tavola girevole anche se è bene sottolineare che la configurazione della macchina, e dunque il numero ottimale di centri, è stato oggetto di analisi. I centri di lavoro sono dotati di due mandrini, indipendenti sull asse z, che possono lavorare due pezzi contemporaneamente e sono movimentati da motori lineari di Figura 4: spaccato della macchina "ALPHA Liner" in cui è visibile l'interno. tipo sincrono a magneti permanenti, che sono quelli normalmente applicati nel settore delle macchine utensili. Mantengono dunque gli stessi vantaggi dell'azionamento tradizionale: rapporto peso/potenza vantaggioso, bassa potenza dissipata, semplicità dell'elettronica di controllo. Per poter sfruttare in modo adeguato le prestazioni di questi azionamenti, è però necessario garantire condizioni

6 tecnologiche al contorno adeguate, che coinvolgano sia la meccanica di supporto, sia i sistemi di misura e controllo. L applicazione di azionamenti a trazione diretta di tipo sincrono è stata estesa anche alla movimentazione dei piattelli portapezzo che si trovano sulla tavola girevole: questa applicazione, permessa dall elasticità di motori a coppia elevata di un noto costruttore, consente l utilizzo del piattello sia per la fresatura di contornatura, sia come mandrino di tornitura. IL PROCESSO DI PROGETTAZIONE È stata necessaria un'attenta progettazione, con analisi fem, delle strutture meccaniche, finalizzata a: garantire la necessaria rigidità per assorbire le sollecitazioni; avere masse mobili il più possibile ridotte, per aumentare le accelerazioni. Si è eseguito lo studio del comportamento dinamico della macchina, volto ad assicurare che le strutture avessero frequenze proprie elevate e un alto grado di smorzamento; a questi si aggiunge un ottimo sistema di fissaggio alle fondamenta. Un elemento non trascurabile è la forza di attrazione, molto elevata, che si crea tra indotto e induttore, sollecitando a fatica le parti meccaniche. Figura 5: Analisi F.e.m. del telaio di un carro della macchina

7 I magneti permanenti attirano trucioli e polveri metalliche anche quando il motore non è in funzione. Questo è uno degli svantaggi che più preoccupa i costruttori di macchine utensili. Ma è sufficiente porre la dovuta cautela nella progettazione dei sistemi di protezione, per ovviare a questo inconveniente. I soffietti devono prevedere particolari labirinti di contenimento e un sistema di pressurizzazione. Le alte dinamiche del sistema impongono un attento controllo dei volumi d aria presenti all interno delle soffiettature e al loro spostamento. Nel caso delle macchine transfer, la collocazione dei motori lontano dalla zona di lavoro, favorisce l efficacia di tali protezioni. I controlli numerici e le righe ottiche di tipo assoluto a elevata risoluzione garantiscono oggi elevati standard di precisione, ma è fondamentale che i sistemi di lettura siano collocati in posizione adeguata perché non si inneschino pericolose oscillazioni. Per concludere sono stati posti particolari accorgimenti nella realizzazione di sistemi di bilanciamento sugli assi verticali, nella dotazione di freni ausiliari e nello studio di opportuni smorzatori di finecorsa. I COSTI I motori lineari sono ancora prodotti su scala limitata, non v è alcuna intercambiabilità tra i prodotti dei diversi produttori, necessitano di una riprogettazione completa della macchina. Inoltre è necessario introdurre un buon sistema di raffreddamento dei motori. È evidente che i costi siano maggiori rispetto ai sistemi tradizionali. L esperienza maturata da Alpha Progetti a fianco di realizzatori di macchine dotate di motori lineari ha messo, però, in evidenza che il maggior costo da essi sopportato in fase di progettazione e di acquisto dei motori, è stato in buona parte ricompensato dalla facilità di montaggio e dal minor numero di componenti di precisione che devono necessariamente accompagnare la realizzazione delle trasmissioni tradizionali.

8 Il vantaggio in termini di produttività e la riduzione della manutenzione fanno, altresì, apprezzare molto queste macchine agli utilizzatori finali, che sono disposti ad affrontare un investimento maggiore a fronte di un rientro più rapido. Inoltre nei prossimi anni si prevede una notevole crescita dell impiego di queste motorizzazioni, in vari campi, che apporterà sostanziali vantaggi in termini di costi. CONCLUSIONI L attuale mercato richiede ai produttori di macchine transfer un particolare sforzo di innovazione con la realizzazione di macchine flessibili e prestanti. I vantaggi dei motori lineari, in termini di prestazioni, sono evidenti così come il miglioramento della ripetibilità del processo e la semplificazione della catena cinematica. Si ritiene che con progetti di questa portata si possa dare al mercato un forte segnale di rinnovamento e ci si avvicini quanto più possibile alle sue esigenze. BIBLIOGRAFIA [1] Atti del convegno L utilizzo dei motori lineari - Robosiri - Milano [2] A. Franchini Workshop Motori Lineari Siemens Milano [3] J.F. Gieras, Z.J. Piech Linear Synchronous motor - CRC Press 2000 [4] A.A. V.V. Sviluppare nuovi prodotti Metodi e tecniche di innovazione nella meccanica strumentale - Il Sole 24 Ore 2000 [5] A. Franchini Motori Torque nell automazione delle macchine utensili - Siemens

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