Attuatori Magnetici PIMag

TECHNICAL ARTICLE
Veloci, Economiche, Scalabili: Tecnologie Magnetiche per
l’Automazione
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Ing. Gianluca Poli
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La famiglia degli attuatori magnetici diretti include motori lineari e voice coil
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e offre dei vantaggi rispetto alle classiche tecnologie a vite dal punto di vista
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dell’usura e della dinamica. Un numero più ristretto di componenti, si traduce
Physik Instrumente (PI)
in minore attrito e giochi e, perciò, maggiore precisione; aumentando inoltre
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l’efficienza energetica e diminuendo i costi. Controllo di posizione e forza
20091 Bresso (MI)
sono facilmente ottenibili con queste tecnologie, le quali, in combinazione
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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.
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
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