Sistemi di azionamento, il successo di un approccio interdisciplinare

La tecnologia di azionamento è un componente che incide sulle prestazioni di macchine, robot e dispositivi portatili. Tuttavia, gli aspetti da considerare vanno ben oltre il design e la scelta del motore. Un approccio interdisciplinare, competenze di progettazione specifiche, una profonda esperienza e una chiara comprensione dei requisiti sono fattori cruciali.

Qualsiasi tipo di progresso tecnologico deve focalizzarsi sull'applicazione. Arriva il momento in cui le caratteristiche prestazionali ottimizzate o le nuove tecnologiche devono dare i frutti sperati sotto forma di migliore qualità o minori costi. Nel caso della tecnologia di azionamento per macchine e dispositivi portatili ciò significa:

•    Migliore capacità produttiva grazie a una dinamica ottimizzata.
•    Migliore precisione e qualità del prodotto grazie a una maggiore rapidità di comando degli azionamenti.
•    Migliore efficienza energetica dell'intero sistema grazie alla maggiore efficienza dell'intero sistema.

Per raggiungere questi obiettivi è necessario scegliere i sistemi di azionamento considerando il contesto generale dell'applicazione e dei requisiti correlati.

Il quadro generale

Il primo passo per la definizione e l'ottimizzazione di un sistema di azionamento consiste nel comprendere e priorizzare correttamente i requisiti tecnici e professionali del sistema finale, sia esso una macchina, un robot o un dispositivo portatile. È facile perdere la visione d'insieme e concentrarsi unicamente su considerazioni basate esclusivamente sul proprio ambito di esperienza. Solitamente la scelta dell'azionamento avviene durante la progettazione. Tuttavia, sono molti i fattori che - in combinazione con gli altri componenti del sistema - incidono su prestazioni, costi e limiti di una soluzione di azionamento. Pertanto è fondamentale ricorrere al know-how di esperti dei vari settori nella fase di ideazione e concettualizzazione.

Pool di esperti

Un approccio sistematico e l'interdisciplinarità sono due fattori di successo chiave da considerare dal concept design fino all'implementazione nella produzione di massa. Spesso non è possibile disporre dello stesso livello di competenza all'interno dell'azienda. Partner esterni con una vasta esperienza offrono un più ampio scambio di opinioni interdisciplinare. Idealmente, il partner è anche in grado di assumersi la responsabilità dello sviluppo e della produzione di sistemi parziali, di ridurre i rischi correlati allo sviluppo stesso e velocizzare i tempi di commercializzazione.

maxon = sistemi di azionamento e progettazione

Con oltre 50 anni di esperienza e oltre 2800 collaboratori in tutto il mondo, le competenze di maxon vanno ben oltre il “semplice” motore per azionamenti. Con un reparto di sviluppo e produzione interno, il portfolio maxon spazia da motori DC con e senza spazzole, riduttori, mandrini, encoder, unità di comando per motori, controller master e sistemi di gestione delle batteria. I componenti maxon e i sistemi di azionamento customizzati vengono utilizzati nella robotica, nell'ingegneria medica e di laboratorio, nell'automazione industriale, nel settore automotive e nelle applicazioni aerospaziali dalla Terra a Marte. Con un numero così elevato di progetti, il fattore chiave non è solo l'ampio portfolio di prodotti ma anche l'interdisciplinarità e la vasta esperienza dei team maxon e anche la possibilità di sviluppare soluzioni di azionamento completamente nuove. Gli esperti maxon in motori, riduttori, elettronica e sistemi di comando partecipato sin dalle prime fasi di discussione dell'idea e conoscono bene le esigenze degli ambiti specifici dell'applicazione. Avere la padronanza dei diversi ambiti di esperienza può essere determinante per un sistema di azionamento: ciò risulta evidente quando esaminiamo i singoli componenti e i relativi fattori di influenza.

Dall'alto in basso: l'importanza del master

Un “intelligenza” di livello superiore denominata master trasmette i comandi di movimento all'unità di comando del motore e verifica le informazioni di processo (ad esempio coppia, velocità, posizione, stato).

• Le modalità di condivisione delle operazioni tra l'unità master e l'unità di comando del motore sono decisive per valutare le prestazioni richieste e scegliere l'unità master, l'unità di comando del motore e l'interfaccia di comunicazione.
• Se le macchine necessitano di un rapido scambio di dati ciclico (ad esempio ogni millisecondo), è indispensabile un'unità master con un sistema operativo in tempo reale (ad esempio PLC) e un'interfaccia veloce (ad esempio CAN, EtherCAT).
• Se nell'unità di comando del motore è possibile preconfigurare le sequenze di movimento complesse e l'esecuzione automatica, è sufficiente utilizzare un PC (solitamente presente nell'automazione dei laboratori), o un microcontrollore (come quelli usati nei dispositivi portatili, ad esempio cacciaviti e trapani dell'automazione industriale o della tecnologia medica).

maxon: motori DC/BLDC e comandi di posizionamento.

L'importanza dell'unità di comando del motore

L'unità di comando del motore rappresenta il collegamento tra l'unità master di livello superiore, i motori e i dispositivi di feedback (ad esempio encoder). Le unità di comando e gli stadi di potenza sono utilizzati per convertire corrente, velocità e comandi di posizionamento in tensioni e correnti nelle fasi del motore.

• Cicli rapidi delle unità di comando e complessi algoritmi consentono di realizzare movimenti precisi e dinamici degli azionamenti.
• Stadi di potenza d'avanguardia forniscono le correnti di picco necessarie per una rapida accelerazione in quanto presentano una elevata efficienza energetica. Il motore integrato e i filtri di segnale migliorano la compatibilità elettromagnetica (EMC) e l'immunità dal rumore

L'importanza dell'encoder

Il controllo di velocità e posizionamento necessitano di dispositivi di feedback (i cosiddetti encoder o scale lineari) che forniscono informazioni sulla posizione attuale del motore e/o dell'albero di trasmissione.

• Risoluzione e posizione di tali encoder determinano i limiti di precisione teorici del posizionamento.

L'importanza del motore

Il motore converte l'energia elettrica in energia meccanica, ossia in movimento e coppia.

• I motori DC o BLDC con una elevata capacità di sovraccarico possono presentare un design compatto in quanto sono disponibili coppie elevate per le fasi di accelerazione dinamica a breve termine.
• I motori con una ridotta inerzia del rotore riducono la coppia necessaria all'accelerazione del rotore aumentando così l'efficienza energetica e la dinamica.
• La notevole efficienza del motore migliora così l'efficienza energetica complessiva e riduce il calore prodotto, un fattore rilevante soprattutto nei dispositivi portatili.

L'importanza del riduttore

Precisione, gioco, elasticità ed efficienza del riduttore e dei gruppi meccanici…

• … influiscono sulla precisione di posizionamento in uscita.
• … influiscono sulla dinamica, ossia il tempo successivo al raggiungimento e alla stabilizzazione della posizione di destinazione.
• … sono determinanti per l'efficienza energetica.

La sfida dell'integrazione

Al fine di integrare tutti i componenti in un'unità più compatta possibile, è necessario considerare gli aspetti termici del riscaldamento reciproco sotto carico. Per evitare costose riprogettazioni, i calcoli del punto di funzionamento e le analisi termiche del motore elettrico e dell'elettronica devono essere eseguiti sin dalla fase di prova di fattibilità.

La sfida del funzionamento a batteria

Le applicazioni alimentate a batteria richiedono competenze di ottimizzazione dell'efficienza energetica e di gestione della batteria.

maxon Door Drive: motore BLDC, riduttore, encoder, comando di posizionamento integrati in un'unità compatta.

Esempio: sistema di azionamento per porte integrato

Milioni di persone prendono l'ascensore ogni giorno. Oltre all'azionamento principale, gli ascensori necessitano di azionamenti per porte compatti installati nello spazio ristretto sopra la porta. Gli azionamenti “intelligenti” ricevono i comandi di apertura e chiusura da un sistema bus e devono eseguire tali comandi in modo affidabile rispettando i severi requisiti di sicurezza.

In collaborazione con un leader della produzione di ascensori, maxon ha sviluppato Door Drive, in azionamento in grado di aprire e chiudere porte con un peso fino a 400 kg. Il sistema di azionamento a bassa rumorosità ed efficiente dal punto di vista energetico integra un motore maxon EC 90 flat con coppia elevata, un encoder, una trasmissione a cinghia opzionale nonché un comando di posizionamento EPOS in un'unica unità compatta. Lo scambio dei dati avviene tramite CAN. Gli speciali algoritmi di comando e monitoraggio della forza assicurano un movimento scorrevole ma dinamico delle porte, un posizionamento preciso e la protezione dallo schiacciamento.

maxon ha progettato e sviluppato il sistema in collaborazione con un cliente, riunendo il know how interdisciplinare di esperti in tecnologia delle applicazioni e sicurezza, costruzione, unità di comando, sviluppo dell'elettronica, terrmodinamica e software. Non è possibile ottenere questo tipo di soluzione semplicemente abbinando tra loro i singoli componenti: È indispensabile la capacità di progettare una nuova soluzione di azionamento per un'applicazione specifica. maxon è il partner ideale per sistemi di azionamento, unità di comando e gestione della batteria.

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