PHASE Innovazioni-tecniche

Innovazioni tecniche e trend nel controllo del
movimento
Dott. 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 motori brushless dell’ultima generazione e i relativi
azionamenti generalmente limitano le prestazioni
dinamiche del sistema
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 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...
•
La gestione del sistema e’ generalmente affidata ad
una scheda real time in ambiente pc industriale
•
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
•
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 richiede
un’interfaccia di programmazione che
affronti il problema delle coordinazioni e dei
transitori 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 è
sempre 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 motoreriduttore
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, settling
time 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 dal
servocontrollo
– il sensore deve essere sul pezzo e non può più essere nascosto nel
motore
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
posizionatore
Asse 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
Motori lineari semplici per posizionamento
•
Carico utile da 2 a 200 kg, 6 m/sec, 6g
•
Non raffreddati (convezione/conduzione)
•
Compatibili con tutti gli azionamenti (AXV, AXM)
•
Carico/scarico, cucitura, taglio tessuti, lavorazione legno,
plotter laser, cesoie volanti ecc...
•
Traferro 0.9 mm, tolleranze di montaggio 0.3 mm
•
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
–
–
–
–
•
Tubo stellato (cava aperta all’esterno) fatto di lamierini tranciati e incollati
–
–
–
•
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
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
8 .10
4
trace
6 current
5
No load
1 .10
Maximum current
S1 power
S6 torque, 60%
S1 torque
6 .10
4
Mtor ( w )
w
Lossfe( w )
MtorS6 ( w )
Losscu( w )
Mpower ( w )
10
100
Efficiency( w ) ⋅ 10000
4 .10
4
Currentlim( w ) ⋅ 100
4
1 .101
0.1
Loss0load( w )
Inl( w ) ⋅ 100
.
2 .101 10
3
Lossfe( w ) + Losscu( w )
4
Tl( w , 400⋅ volt)
Tl( w , 400⋅ volt)
4
2 .10
Inl( w ) ⋅ 100
Currentlim( w ) ⋅ 100
Mpower ( w )
MtorS6 ( w )
0.1
1
S1 torque
S6 torque, 60%
S1 power
Maximum current
No load current
trace 6
10
w
5
Mtor ( w )
0.1
4 .10
4
100
Iron loss
Copper loss
overall efficiency
no load loss
6 .10
4
full load loss
1
10
100
w
Tipiche curve operative di motore per tornio 37,000 Nm, ginocchio 15 rpm, vmax 250 rpm
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 network
R&D, Company headquarters
Manufacturing and support
Authorized distributor
Leading the innovation in electric force,
motion and position control for automation