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Una conoscenza di base di posizionamento lineare

L'automazione è essenziale se la produzione britannica deve competere con le economie a basso salario dei paesi in via di sviluppo e il posizionamento lineare è spesso una parte fondamentale dell'automazione. Qui, Gerard Bush del servo-specialista INMOCO spiega le basi del design per i sistemi di movimento lineare.

La forma più semplice di movimento lineare è singolo asse, e anche il più complicato sistema multiasse può essere pensato come una serie di singoli assi sincronizzati. Le principali considerazioni per movimento lineare sono carico, la velocità e la precisione di posizionamento. Questi sono dettate dall'applicazione e in un sistema multiasse possono richiedere diverse fasi di calcolo.

Un sistema di movimento lineare è costituito da uno o più attuatori, che di solito fungono anche da elementi strutturali. Per questo motivo, gli attuatori devono essere sufficientemente rigido per sostenere i carichi dinamici sperimentati durante accelerazioni e decelerazioni. Di solito sono fatti di estrusi in alluminio a sezione quadrata che sono abbastanza forte e abbastanza rigido per la maggior parte delle applicazioni.

Per applicazioni particolarmente esigenti, ci sono gli attuatori in acciaio e ferro e anche quelle di granito per i requisiti di precisione nanometrica. In alternativa, gli attuatori alluminio standard possono essere montate in cornici portanti rigide.

Ciascun attuatore contiene al suo interno un meccanismo di azionamento che genera movimento lineare, e ci sono un certo numero di diversi formati. Il più comune è la trasmissione a cinghia dentata o tempi, che è a basso costo e abbastanza preciso per molte applicazioni. Trasmissioni a cinghia possono ottenere il movimento ad alta velocità, mentre la loro robusta semplicità offre una vita lunga e bassa manutenzione.

I prossimi due meccanismi di azionamento più comuni sono probabilmente il pignone a cremagliera e la vite di comando, entrambi leggermente più costosi delle trasmissioni a cinghia, ma in grado di lavorare con carichi più pesanti. Per le applicazioni più esigenti, ci sono le opzioni di vite a ricircolo di sfere rettificate di precisione e motore lineare, che offrono entrambe un posizionamento estremamente preciso.

Le varie forme di azionamento a vite sono limitate dalla velocità di rotazione critica della vite e possono anche presentare errori di gioco, di avvolgimento e di beccheggio ciclici. Inoltre, le alte velocità lineari richiedono bassi passi delle viti, ma ciò limita il vantaggio meccanico (che può essere superato utilizzando un motore di potenza più elevato, ma ciò aumenta i costi).

Calcoli meccanici

Pertanto, quando si progettano sistemi di posizionamento lineare, è necessario eseguire una serie di calcoli meccanici relativi al tipo di meccanismo di azionamento in uso. È molto importante ricordare che l'azionamento dell'attuatore è solitamente collegato al motore tramite un accoppiamento, che avrà caratteristiche meccaniche che devono anche essere modellate durante la fase di calcolo.

Ulteriori calcoli meccanici sono necessari perché i sistemi lineari di solito includono cuscinetti. Vi è un'ampia scelta di cuscinetti, ma possono essere ampiamente classificati come sfere o rulli. I cuscinetti a sfera sono la scelta più a basso costo, ma, in quanto forniscono solo punto di contatto, si concentrano il carico. Cuscinetti a rulli distribuire il carico su una superficie più ampia, così sono preferiti in applicazioni ad alto carico. Le piste dei cuscinetti garantiscono il monitoraggio lineari accurate e possono avere bisogno di essere protetti dai danni.

Trasmissione diretta

Vi è una variazione importante attuatori lineari meccanici: motori lineari sono disponibili da molti anni e sono rallentando diventando sempre più popolare. Essi forniscono un'opzione a trasmissione diretta, che può portare a eleganti e semplici sistemi di posizionamento che costano paragonabile alle soluzioni tradizionali.

Esistono molti tipi diversi di motori lineari, ma una descrizione dettagliata va oltre lo scopo di questo articolo. Basti dire che il principio di funzionamento di un motore lineare è essenzialmente lo stesso di un motore convenzionale "srotolato" e nei sistemi di posizionamento è più probabile che si tratti di servi o stepper srotolati.

Tuttavia, motori lineari hanno una caratteristica che può essere uno svantaggio in alcune applicazioni, cioè vi è un traferro anziché una connessione diretta tra il binario e cursore (equivalente allo statore e del rotore in un motore convenzionale). Questo è gestito da forze elettromagnetiche, così collasserà in caso di mancanza di corrente. Mentre questo è probabilmente un problema minore su assi orizzontali, potrebbe essere un grave problema su assi inclinati e verticali.

Primo motore

Mentre un sistema motore lineare è a sé stante, attuatori meccanici necessitano di un motore per guidare loro. In generale, i sistemi lineari utilizzano servomotori, anche se in alcuni casi sono preferiti stepper. In passato, i servi erano significativamente più costoso di stepper, ma oggi ci sono molte gamme di servi a basso costo che concorrono praticamente testa a testa con stepper.

Un motore passo-passo si basa sul principio di avere molti, molti poli (100 o più non è insolito) o coppie di elettromagneti nello statore e nel rotore. Quando i magneti sono energizzati, si respingono l'un l'altro, facendo ruotare l'albero di uscita centrale. Significativamente quando la potenza viene rimossa, l'albero smette di ruotare e i poli si allineano, quindi, la caratteristica di 'stepping' che può essere utilizzata per il posizionamento.

Ogni stepper ha un controller elettronico che può essere programmato per indicare al motore a girare attraverso un dato numero di poli o passi, poi fermarsi. Questo definirà la posizione in cui l'attuatore si arresta il carico. Tecnicamente non c'è bisogno di avere un sistema di feedback che conferma la posizione di arresto (anche se questo significa anche non vi è alcun modo per confermare che la posizione di destinazione è stato raggiunto).

Un servomotore ha molti meno pali, ma è molto adatto per l'uso con un sistema di feedback ad alta risoluzione che conferma costantemente la posizione dell'attuatore. Un altro importante vantaggio di servomotori è che essi sono basati su magneti molto potenti, quindi forniscono un sacco di potenza da un formato compatto. Servi anche bisogno di un controller per eseguire i movimenti richiesti.

Motori, sia stepper o servo, tendono ad essere finale o side-montati sui loro attuatori. Il primo richiede un accoppiamento, quest'ultimo spesso utilizza una piccola trasmissione a cinghia o riduttore, che dà la possibilità di una preparazione per la notte o di rapporto di step-up auto.

Rilevamento di posizione

Mentre stepper hanno il vantaggio apparente negli servi di realtà non necessitano retroazione di posizionamento, in pratica, la maggior parte dei sistemi lineari utilizzarli. Ci sono diverse opzioni per il tipo di sensore da utilizzare, tra cui magnetotermico e sensori di prossimità. Tuttavia, il tipo più associati con sistemi lineari accurate e multiasse è l'encoder.

Codificatori costituiti da un disco di vetro (rotante) o slitta (lineare), sul quale sono incisi segni a intervalli regolari. Il passaggio dei marchi passati un punto di riferimento impostato è controllata da un sistema elettro-ottico per fornire un segnale di posizione estremamente preciso. Un encoder rotativo verrebbe utilizzato per monitorare con precisione la rotazione di un albero motore, da cui posizione può essere calcolata, mentre una posizione di misura lineare direttamente.

In breve

L'ingegneria dei sistemi lineari di precisione può sembrare complicata e richiedere componenti ingegneristici avanzati. Ma in realtà sono relativamente facili da costruire e commissionare, aiutati in gran parte dalla standardizzazione dei componenti chiave: attuatore, motore e feedback. Un ingegnere di sistemi lineari può spesso sviluppare soluzioni molto rapidamente e produrre movimenti di precisione in pochi minuti.

Process Industry Informer

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