TECHNICAL ARTICLE Veloci, Economiche, Scalabili: Tecnologie Magnetiche per l Automazione La famiglia degli attuatori magnetici diretti include motori lineari e voice coil e offre dei vantaggi rispetto alle classiche tecnologie a vite dal punto di vista dell usura e della dinamica. Un numero più ristretto di componenti, si traduce in minore attrito e giochi e, perciò, maggiore precisione; aumentando inoltre l efficienza energetica e diminuendo i costi. Controllo di posizione e forza sono facilmente ottenibili con queste tecnologie, le quali, in combinazione con un controllore digitale, consentono un posizionamento micrometrico rapido e a spinta controllata nell automazione. Con le nuove serie PIMag, PI adatta individualmente all applicazione i singoli componenti del sistema, quali lo statore, l attuatore o l elettronica. Soluzioni dedicate possono essere utili in molti settori quali le manipolazioni speciali, la deflessione di specchi, il dosaggio, le applicazioni di messa a fuoco e ispezione fino alle endoscopie e ai telescopi spaziali. PRESS CONTACT Ing. Gianluca Poli Tel. +39 (02) 66501101 Fax +39 (02) 61039656 g.poli@pi.ws Physik Instrumente (PI) S.r.l. Via G. Marconi, 28 20091 Bresso (MI) Italy www.pionline.it In un motore magnetico o in un voice-coil la forza che agisce su un conduttore immerso in un campo magnetico e attraversato da corrente è proporzionale alla forza del campo e alla corrente stessa (Figura 1). L energia elettrica è convertita in energia meccanica e genera una forza bidirezionale in base al verso della corrente. Questo offre dei chiari vantaggi in termini di usura e dinamica rispetto ai sistemi basati su vite. Sinergia Tecnologica È quanto consente a Physik Instrumente (PI) di creare delle soluzioni magnetiche per l automazione, studiate direttamente sulle specifiche applicazioni. L Azienda di Karlsruhe ha trasferito nella serie PIMag alcuni dei fattori di successo dei propri sistemi piezoelettrici già celebri nel campo del nano-posizionamento. L esperienza maturata ha guidato in maniera decisiva le scelte progettuali sulla tecnologia di controllo digitale, dei sensori più appropriati, dei migliori sistemi di guida meccanici e delle interfacce di comunicazione più veloci. Degli esempi pratici possono aiutare a capire meglio come sia la specificità dell applicazione a determinare la scelta della tecnologia. Requisiti e Fondamenti della Scelta Compensare la forza del vento sui telescopi spaziali, ad esempio, richiede un sistema soft in grado di oscillare a una certa frequenza di risonanza. I Piezo non
sono adatti a tale uso per via dell alta rigidezza, a differenza invece dei voice-coil. (Figura 3). Questa soluzione, progettata sulle caratteristiche del telescopio, lavora su una corsa di ± 12 µm con una risoluzione di 0.5 nm e un assorbimento di soli 100 ma a 5 N. In questo caso, il parametro decisivo nel criterio di selezione è stata la particolare rigidezza del sistema. In un ambito completamente differente invece, quale quello di un dispositivo medico di messa a fuoco per l analisi ottica di campioni, all attuatore era richiesta una corsa di 0.6 mm. Un importante criterio era inoltre l assenza di attriti e usura. Un voice-coil, con un particolare sistema di guida a flessione basato sulla deformazione elastica di giunti metallici (maggiore accuratezza del posizionamento e lunga durata) è risultato essere la scelta giusta per l applicazione (Figura 4). Per i motori piezo-stepper, in grado di garantire delle corse praticamente illimitate, gli 0.6 mm di corsa non sarebbero stati un problema; le dimensioni però sarebbero state eccessive per l applicazione e il funzionamento per attrito inevitabilmente inaccettabile. Un altro esempio mostra come anche l alimentazione giochi un ruolo decisivo. Le norme di sicurezza in ambito medicale nel campo delle endoscopie determinano delle forti limitazioni sull alimentazione utilizzabile, escludendo di fatto i livelli di tensione richiesti dai piezo. In aggiunta, il limitato spazio disponibile ha fatto sì che un attuatore magnetico con elemento mobile forato risultasse la migliore soluzione, (Figura 5) grazie alla possibilità di alloggiare una piccola telecamera, una pinzetta o altri strumenti operatori. La resistenza all alta temperatura di lavaggio e la corsa di 2 mm hanno rappresentato ulteriori fattori di merito. Controllo di Posizione e di Forza In aggiunta al sensore di posizione, la variante V-273 (Fig. 7), offre una cella che permette di controllare la forza impressa con una risoluzione di 0.025 N (2.5 g). Con un elettronica digitale, possono quindi essere controllate produzioni automatizzate, come il test funzionale dei touch screen, che richiedano sia un accurato posizionamento micrometrico sia un controllo di forza in anello chiuso. Gli attuatori magnetici non hanno in nessuna maniera raggiunto il proprio limite, anzi la strada è aperta a nuove applicazioni per il futuro. Le piattaforme a levitazione magnetica PIMag 6D (Figura 8) ne sono la dimostrazione: l elemento mobile galleggia su un campo magnetico generato da sei avvolgimenti, controllato attivamente da dei sensori 6-D. In questa maniera ci si può muovere lungo le direttrici lineari o rotazionali del piano con un accuratezza di guida non raggiungibile prima. Sarà interessante assistere agli sviluppi di queste tecnologie.
Figure Figura 1 Attuatore voice-coli: la potenza è convertita elettro-meccanicamente in forza. Figura 2 Soluzione complete inclusive del controllore.
Figura 3 Attuatore magnetico per la compensazione del vento su telescopi spaziali. Figura 4 Attuatore magnetico per sistema di focus miniaturizzato: lunga corsa e ridotto spazio di installazione.
Figura 5 Attuatori lineari magnetici miniaturizzati con foro centrale studiati per usi in endoscopia. Figura 6 Scanner veloce per microscopia: alte frequenze di lavoro e ridotti tempi di assestamento. Figura 7 Attuatore lineare magnetico con controllo di forza.
Figura 8 Posizionatore a sei assi basato su levitazione magnetica. PHYSIK INSTRUMENTE (PI) GmbH & Co. KG Per ulteriori informazioni contattare l Ingegnere Gianluca Poli: g.poli@pi.ws