Innovazioni tecniche e trend nel controllo del

movimentoDott. Ing. Marco Venturini, Dir. Tecnico Phase Motion Control

Phase Motion Control S.r.l. via Adamoli, 461 16141 Genova, Italy http: www.phase.it,

Vignola, 11-10-2002

Seminario organizzato da CRIT S.R.L. Centro di Ricerca Innovazione Tecnologica

Via Caselline, 233 41058 VIGNOLA (MO) Tel. +39/059/776865 Fax. +39/059/776881

Limiti delle attuali tecnologie

• 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

• I motori brushless dell’ultima generazione e i relativi

azionamenti generalmente limitano le prestazioni

dinamiche del sistema

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...

• 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

• La gestione del sistema e’ generalmente affidata ad

una scheda real time in ambiente pc industriale

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

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

Il controllo del sistema multiassi richiedeun’interfaccia di programmazione cheaffronti il problema delle coordinazioni e deitransitori 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

Ma un albero di trasmissione èsempre 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

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 motore-

riduttore

• 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 …

Motori lineari: quali applicazioni?

• Il motore lineare elimina la trasmissione meccanica

– possibilità di banda passante piu’ alta, guadagni piu’ elevati, settlingtime 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 dalservocontrollo

– il sensore deve essere sul pezzo e non può più essere nascosto nelmotore

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

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)

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...

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)

La transizione competitiva: un

posizionatoreAsse 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%……………..

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

Il motore Wave - una innovativa

struttura interna

Dimensioni meccaniche

Wave e Wave-C

Il motore lineare può essere flessibile….

• Wave-C

– azionamenti diretti

1m-16 m diametro

Applicazioni in presa diretta: nessun limite...

Sintesi: la gamma Wave

• Carico utile da 2 a 200 kg, 6 m/sec, 6g

• Non raffreddati (convezione/conduzione)

• Carico/scarico, cucitura, taglio tessuti, lavorazione legno,

plotter laser, cesoie volanti ecc...

• Traferro 0.9 mm, tolleranze di montaggio 0.3 mm

Motori lineari semplici per posizionamento

• Compatibili con tutti gli azionamenti (AXV, AXM)

• Compete con vantaggio con viti e cremagliere a

prestazioni moltiplicate

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!)

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 ...

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

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

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

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 10-50 mm)

• Struttura in acciaio customizzata sulle esigenze della macchina per ottenere il

massimo di compattezza

Applicazioni

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

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...

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

0.1 1 10

2 .104

4 .104

6 .104

8 .104

S1 torque

S6 torque, 60%

S1 power

Maximum current

No load current

trace 6

Mtor w( )

MtorS6 w( )

Mpower w( )

Currentlim w( ) 100⋅

Inl w( ) 100⋅

Tl w 400 volt⋅,( )

w

5

Tipiche curve operative di motore per tornio 37,000 Nm, ginocchio 15 rpm, vmax 250 rpm

0.1 1 10 100

2 .104

4 .104

6 .104

S1 torque

S6 torque, 60%

S1 power

Maximum current

No load currenttrace 6

Mtor w( )

MtorS6 w( )

Mpower w( )

Currentlim w( ) 100⋅

Inl w( ) 100⋅

Tl w 400 volt⋅,( )

w

0.1 1 10 100100

1 .103

1 .104

1 .105

Iron loss

Copper loss

overall efficiency

no load loss

full load loss

Lossfe w( )

Losscu w( )

Efficiency w( ) 10000⋅

Loss0load w( )

Lossfe w( ) Losscu w( )+

w

Evoluzioni future

• Verso motori coppia di dimensioni elevate: torni verticali, grandi tavole,

generatori eolici...

Motori sempre piu’ grandi.. Da 15000 Nm (1994) a 37,000 Nm (2002)

Worldwide support and

distribution networkR&D, Company headquarters

Manufacturing and support

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Leading the innovation in electric force,

motion and position control for automation