Sistemas de acionamento — o sucesso devido a abordagens interdisciplinares

A tecnologia de acionamento é um elemento básico para o desempenho de máquinas, robôs e dispositivos portáteis. No entanto, há muito mais a considerar do que apenas a seleção do design e do motor. O pensamento interdisciplinar, os conhecimentos específicos de engenharia, a profundidade da experiência e uma compreensão clara dos requisitos são fatores essenciais.

Qualquer tipo de progresso tecnológico deve focar-se na aplicação. A certa altura, características de desempenho melhoradas ou novas tecnologias têm de produzir resultados que se traduzam em melhor qualidade e/ou custo reduzido. No que diz respeito à tecnologia de acionamento para máquinas e dispositivos portáteis, isto significa que:

• Uma melhor dinâmica melhora o rendimento de produção.
• Um controlo de acionamento mais rápido melhora a precisão e a qualidade do produto.
• Um sistema de acionamento mais eficiente melhora a eficiência energética do sistema geral.

De modo a alcançar estes objetivos, os sistemas de acionamento têm de ser selecionados no contexto geral da aplicação e dos respetivos requisitos.

O panorama geral

O primeiro passo para a especificação e otimização de um sistema de acionamento é compreender e priorizar corretamente os requisitos técnicos e comerciais do sistema final, que pode ser uma máquina, um robô ou um dispositivo portátil. É fácil perder o panorama geral e focar apenas nas considerações relevantes para o seu próprio campo de especialização. Regra geral, a seleção do acionamento acontece na engenharia. Contudo, o desempenho, o custo e as limitações de uma solução de acionamento são influenciados por uma multitude de fatores, bem como por outros componentes do sistema. Assim, é fundamental aproveitar o know-how de especialistas de vários campos durante a fase da idealização e conceptualização.

Conjunto de conhecimentos

A abordagem de sistemas e a interdisciplinaridade são dois fatores-chave de sucesso que devem ser considerados desde a conceção do conceito até à sua implementação na produção em massa. Muitas vezes não é possível cobrir todas as competências internas ao mesmo nível elevado. Os parceiros externos com uma longa e vasta experiência oferecem uma oportunidade para uma troca de ideias mais ampla e interdisciplinar. Idealmente, o parceiro também é capaz de assumir responsabilidade pelo desenvolvimento e produção de sistemas parciais, de modo a reduzir os riscos de desenvolvimento e acelerar o tempo de chegada ao mercado.

maxon = engenharia e sistemas de acionamento

Com mais de 50 anos de experiência e mais de 2800 funcionários em todo o mundo, o leque de conhecimentos da maxon estende-se muito além do motor de acionamento. Graças ao desenvolvimento e produção internos, o portefólio da maxon inclui motores DC sem escovas e com escovas, redutores, fusos, codificadores, sistemas de controlo do motor, sistemas de controlo mestre e sistemas de gestão de baterias. Os componentes da maxon e os sistemas de acionamento específicos do cliente são utilizados na robótica, na engenharia médica e laboratorial, na automação industrial, na indústria automóvel e em aplicações aeroespaciais da Terra para Marte. Com vários projetos, o fator-chave não é apenas o vasto portefólio de produtos, mas também a interdisciplinaridade e profundidade da experiência das equipas de aplicação da maxon, assim como a possibilidade de desenvolver soluções de acionamento totalmente novas. Os especialistas da maxon em motores, redutores, sistemas eletrónicos e controlo estão disponíveis nas fases iniciais da discussão de uma ideia e estão familiarizados com os requisitos de campos de aplicação específicos. O motivo pelo qual a cobertura de vários campos de especialização pode ser tão decisiva para um sistema de acionamento torna-se claro quando olhamos para os componentes individuais e os seus fatores de influência.

Do topo para a base: foco no mestre

Uma “inteligência” de nível superior, conhecida como o mestre, transmite comandos de movimento ao sistema de controlo do motor e consulta informações de processo (por exemplo, binário, velocidade, posição, estado).

• A forma como as tarefas são partilhadas entre o mestre e o sistema de controlo do motor é fundamental para avaliar o desempenho exigido e a seleção do mestre, o sistema de controlo do motor e da interface de comunicação.
• Se o intercâmbio rápido de dados cíclicos (por exemplo, a cada milissegundo) for necessário nas máquinas, então é necessário um mestre com um sistema operativo em tempo real (por exemplo, PLC) e uma interface rápida (por exemplo, CAN, EtherCAT).
• Se sequências de movimento complexas podem ser pré-configuradas e executadas autonomamente no sistema de controlo do motor, é suficiente utilizar um PC (comum na automação laboratorial) ou um microcontrolador (tal como o utilizado em dispositivos portáteis, como por exemplo chaves de fendas e brocas da automação industrial ou tecnologia médica).

maxon: motores DC/BLDC e sistemas de controlo de posicionamento.

Foco no sistema de controlo do motor

O sistema de controlo do motor é a ligação entre o mestre de nível superior e os motores, assim como os dispositivos de feedback (por exemplo, codificadores). Os sistemas de controlo e o estágio de potência são utilizados para converter comandos de corrente, velocidade e posição em tensões e correntes nas fases do motor.

• Os ciclos rápidos do sistema de controlo e os algoritmos complexos permitem movimentos do acionamento precisos e dinâmicos.
• Os estágios de potência de última geração proporcionam as correntes de pico exigidas para uma rápida aceleração. Estes possuem uma elevada eficiência energética. O motor integrado e os filtros de sinal melhoram a compatibilidade eletromagnética (CEM) e a imunidade ao ruído

Foco no codificador

O controlo da velocidade e do posicionamento requer dispositivos de feedback (os chamados codificadores ou escalas lineares) para devolver informações sobre a posição atual do motor e/ou do veio de saída.

• A resolução e a localização destes codificadores determinam os limites de precisão teóricos do posicionamento.

Foco no motor

O motor converte energia elétrica em energia mecânica, por exemplo, em movimento e binário.

• Os motores DC ou BLDC com uma capacidade de sobrecarga elevada podem ter um design compacto, pois estão disponíveis elevados binários para as fases de aceleração dinâmica a curto prazo.
• Os motores com uma inércia do rotor baixa reduzem o binário exigido para acelerar o rotor, aumentando assim a eficiência energética e a dinâmica.
• Portanto, uma elevada eficiência do motor melhora a eficiência energética geral e reduz a produção de calor, que é um fator importante, especialmente para dispositivos portáteis.

Foco no redutor

A precisão, a folga, a elasticidade e a eficiência do redutor e dos conjuntos mecânicos…

• … determinam a precisão do posicionamento de saída.
• … têm impacto na dinâmica, por exemplo, o tempo após o qual a posição-alvo foi alcançada e estabilizada.
• … desempenham um papel importante na eficiência energética.

Desafio: integração

De modo a integrar todos os componentes numa unidade que é o mais compacta possível, é necessário considerar os aspetos térmicos do aquecimento mútuo sob carga. Para evitar novas conceções dispendiosas, os cálculos do ponto de operação e as avaliações térmicas para o motor elétrico e para o sistema eletrónico devem ser realizados logo na fase da validação do conceito.

Desafio: operação a bateria

As aplicações movidas a bateria requerem competência na otimização da eficiência energética e na gestão das baterias.

Acionamento de porta maxon: motor BLDC, redutor, codificador, sistema de controlo de posicionamento integrado numa unidade compacta.

Exemplo: sistema de acionamento de porta integrado

Todos os dias, milhões de pessoas andam de elevadores. Além do acionamento principal, os elevadores requerem acionamentos de porta compactos que são instalados no espaço apertado acima da porta. Os acionamentos “inteligentes” recebem comandos para abrir e fechar através de um sistema de bus. Os acionamentos têm de executar estes comandos de forma fiável e cumprir requisitos de segurança rigorosos.

Juntamente com um fabricante de elevadores líder no mercado, a maxon desenvolveu o Acionamento de Porta, que é capaz de mover portas com um peso de até 400 kg. Este sistema de acionamento de baixo ruído e energeticamente eficiente integra, numa unidade compacta, um motor EC 90-Flat maxon de elevado binário com um codificador, uma transmissão por correia opcional, assim como um sistema de controlo de posicionamento EPOS. O intercâmbio de dados é implementado via CAN. Algoritmos específicos de controlo e monitorização da força asseguram um movimento da porta suave, mas dinâmico, um posicionamento preciso e uma proteção contra o entalamento.

A maxon concebeu e desenvolveu o sistema em colaboração com um cliente, reunindo o know-how interdisciplinar de especialistas em tecnologia de aplicação e segurança, construção, sistemas de controlo, desenvolvimento de sistemas eletrónicos, termodinâmica e software. Este tipo de solução não pode ser conseguida com a simples combinação de componentes individuais: requer a capacidade de conceber uma nova solução de acionamento para um caso de aplicação específico. A maxon é o parceiro ideal para sistemas de acionamento, sistemas de controlo e gestão de baterias.

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