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Selezione di un motore per amodulo linearenon è semplicemente una questione di scegliere un wattaggio più alto. Il motore, l'azionamento, il sistema di feedback e la trasmissione meccanica devono funzionare insieme come un unico sistema di movimento.
Un motore troppo piccolo potrebbe non riuscire a raggiungere l'accelerazione richiesta o surriscaldarsi durante i cicli ripetuti. Un motore inutilmente grande può aumentare l'inerzia del rotore, i costi e le difficoltà di messa a punto senza migliorare la macchina. Il correttoselezione del motore del modulo linearequindi inizia con il requisito di movimento, non con la dimensione del motore preferita.
Questa guida spiega come scegliere tra servomotori e motori passo-passo, come abbinare la coppia e la velocità del motore al modulo, quando è importante il feedback dell'encoder e quali dettagli di controllo dovrebbero essere controllati prima di finalizzare il sistema di azionamento.
Inizia con i requisiti di movimento, non con il catalogo dei motori
Prima di confrontare i tipi di motore, definire cosa deve effettivamente fare l'asse.
Le informazioni minime dovrebbero includere:
- Tipo di azionamento del modulo lineare
- Colpo
- Massa in movimento
- Orientamento di montaggio orizzontale, verticale o altro
- Velocità massima
- Accelerazione e decelerazione
- Spostare il tempo e completare il tempo del ciclo
- Precisione e ripetibilità di posizionamento richieste
- Forza del processo esterno
- Comportamento di tenuta richiesto
- Controller e interfaccia di comunicazione disponibili
Regola di selezione:il motore deve essere selezionato dal profilo di movimento completo. Il solo carico utile non determina la dimensione del motore.
Servo o passo-passo: la prima decisione
Sia i servomotori che i motori passo-passo possono azionare moduli lineari industriali, ma le loro caratteristiche operative sono diverse.
| Fattore di selezione | Servomotore | Motore passo-passo |
|---|---|---|
| Feedback | Normalmente ad anello chiuso con feedback dell'encoder | Può essere ad anello aperto o ad anello chiuso a seconda del sistema |
| Prestazioni ad alta velocità | Generalmente forte in un ampio intervallo di velocità | La coppia disponibile solitamente diminuisce più rapidamente all'aumentare della velocità |
| Accelerazione | Adatto per un'elevata risposta dinamica | Adatto per dinamiche moderate se adeguatamente dimensionato |
| Conferma della posizione | L'encoder segnala continuamente la posizione del motore | I sistemi a circuito aperto deducono la posizione dai passaggi comandati; le versioni a circuito chiuso aggiungono feedback |
| Controllare la complessità | Richiede servoazionamento e messa a punto | Spesso più semplice, soprattutto nei sistemi a circuito aperto |
| Costo | Di solito più alto | Solitamente inferiore per applicazioni di base comparabili |
| Vestibilità tipica | Alta velocità, alta accelerazione, posizionamento dinamico, assi coordinati | Posizionamento a velocità moderata, indicizzazione, automazione sensibile ai costi |
Quando un servomotore è solitamente la scelta migliore
UNservomotore del modulo lineareè spesso preferito quando l'applicazione richiede:
- Elevata accelerazione e decelerazione
- Ampio range di velocità operativa
- Frequenti inversioni di direzione
- Monitoraggio della posizione a circuito chiuso
- Tasso di ciclo elevato
- Movimento multiasse coordinato
- Monitoraggio della coppia o della forza
- Profili di movimento più avanzati
I servosistemi sono particolarmente utili quando l'asse deve operare vicino ai suoi limiti dinamici pur mantenendo un controllo stabile.
Perché i servosistemi gestiscono bene il movimento dinamico
L'encoder segnala continuamente la posizione e la velocità del motore all'azionamento. Il servocontrollore confronta il movimento effettivo con il comando e regola di conseguenza la corrente del motore.
Questo comportamento ad anello chiuso consente all'azionamento di correggere l'errore di inseguimento e adattare la coppia del motore durante l'accelerazione, il movimento a velocità costante e la decelerazione.
Quando un motore passo-passo può essere la scelta migliore
UNmotore passo-passo a modulo linearepuò essere una soluzione pratica quando l'applicazione presenta carichi prevedibili, velocità moderata e requisiti di posizionamento relativamente semplici.
Le applicazioni tipiche includono:
- Indicizzazione
- Regolazione dell'apparecchio
- Leggero movimento pick-and-place
- Attrezzature per la distribuzione
- Posizionamento di ispezione
- Automazione a velocità medio-bassa
I sistemi passo-passo sono interessanti perché la struttura di controllo può essere semplice e il mantenimento della coppia a veicolo fermo può essere utile in alcune applicazioni.
La limitazione principale dei sistemi passo-passo ad anello aperto
Un controller passo-passo ad anello aperto presuppone che il motore segua ogni passo comandato. Se il carico supera la coppia disponibile o l'accelerazione è troppo aggressiva, il motore può perdere la sincronizzazione senza che il controller conosca direttamente la posizione effettiva dell'albero.
Questo è il motivo per cui i motori passo-passo non dovrebbero essere selezionati solo in base alla loro coppia di mantenimento a bassa velocità.
Cos'è un motore passo-passo ad anello chiuso?
Un sistema passo-passo a circuito chiuso aggiunge il feedback dell'encoder al motore passo-passo e all'azionamento. Il controller può confrontare il movimento comandato con la posizione misurata del motore e rilevare o correggere l'errore di posizione a seconda della progettazione del sistema.
Ciò può ridurre parte dell'incertezza associata al funzionamento ad anello aperto e migliorare le prestazioni utilizzabili in caso di carichi variabili.
Tuttavia, uno stepper ad anello chiuso non è automaticamente equivalente a un servomotore. La struttura del motore, il comportamento coppia-velocità, l'algoritmo di controllo e la capacità dinamica rimangono diversi.
Modo utile per decidere:scegliere il motore in base alle prestazioni di movimento richieste, non dall'etichetta "servo", "passo-passo" o "anello chiuso".
La sola potenza del motore non è un metodo di dimensionamento
La potenza del motore è correlata alla coppia e alla velocità:
P = T × ω
Dove:
- P= potenza meccanica in watt
- T= coppia in N·m
- OH= velocità angolare in rad/s
Due motori con potenza nominale simile possono avere curve coppia-velocità, inerzia del rotore e capacità di coppia di picco molto diverse. Per questo motivo, selezionare “un servo da 400 W” senza verificare il punto di funzionamento effettivo è incompleto.
Adattare la velocità del motore alla trasmissione del modulo lineare
La trasmissione meccanica determina il modo in cui la rotazione del motore diventa velocità lineare.
Modulo vite a ricircolo di sfere
Per un piombo a vitePe la velocità lineare desideratav:
n = 60 × v ÷ p
Dovevè in m/s,Pè in m/giro eNè in giri al minuto.
Una vite da 10 mm che si muove a 0,5 m/s richiede 3000 giri al minuto. Il motore e la vite devono essere entrambi adatti a quella velocità.
Modulo cinghia di distribuzione
La velocità del motore dipende dalla circonferenza primitiva della puleggia e dall'eventuale rapporto di riduzione tra motore e puleggia. Le pulegge più grandi muovono una quantità maggiore di nastro per giro ma richiedono una coppia motore maggiore per la stessa forza lineare.
Modulo pignone e cremagliera
Il diametro primitivo del pignone e il rapporto di trasmissione determinano la relazione tra la velocità del motore e la corsa lineare. I sistemi a cremagliera a corsa lunga utilizzano spesso la riduzione dell'ingranaggio per bilanciare la velocità del motore, la coppia di uscita e l'inerzia riflessa.
Abbina la coppia del motore al ciclo di movimento completo
La coppia del motore deve coprire una quantità maggiore del carico statico.
I componenti importanti della coppia includono:
- Coppia necessaria per superare la resistenza lineare
- Coppia richiesta per l'accelerazione
- Inerzia rotazionale della vite, del giunto, della puleggia o del riduttore
- Momento di gravità sugli assi verticali
- Forze del processo esterno
- Resistenza al precarico e alla tenuta
Dopo aver calcolato il profilo di coppia, controllare entrambi:
- Coppia di piccoper l’accelerazione e la domanda di breve durata
- Coppia efficace o continuaper l’idoneità termica durante il ciclo completo
Un motore in grado di completare con successo un movimento potrebbe comunque surriscaldarsi durante la produzione continua se la coppia RMS è troppo elevata.
Non ignorare la curva coppia-velocità
La coppia disponibile del motore cambia con la velocità.
Ciò è particolarmente importante per i motori passo-passo, la cui coppia utile generalmente diminuisce notevolmente all'aumentare della velocità. I servomotori hanno anche definite regioni operative continue e di punta.
Per ogni motore candidato, verificare che:
- La velocità massima richiesta rientra nell'intervallo operativo del motore.
- La coppia di picco richiesta è disponibile a quella velocità.
- La coppia continua o RMS rimane all'interno della regione di funzionamento continuo.
- L'azionamento selezionato può fornire la corrente e la tensione richieste.
Abbinamento dell'inerzia: perché è importante controllare il carico meccanico
Il motore deve accelerare sia il proprio rotore che l'inerzia riflessa dal modulo lineare.
Per una vite a ricircolo di sfere, la massa traslante può essere rappresentata come inerzia rotazionale equivalente sull'albero della vite:
Jtrans= m × (p ÷ 2π)2
Viene quindi aggiunta l'inerzia rotante della vite, del giunto e di altri componenti.
Se si utilizza un riduttore, l'inerzia del carico riflessa sul motore diminuisce con il quadrato del rapporto di riduzione.
Perché un motore sovradimensionato può essere controproducente
Un motore più grande normalmente ha un'inerzia del rotore maggiore. Se il motore viene selezionato molto al di sopra delle dimensioni richieste, questa inerzia aggiuntiva può ridurre l'efficienza dell'accelerazione e rendere più difficile la messa a punto del sistema.
Questo è uno dei motivi per cui il dimensionamento del motore dovrebbe mirare a un margine operativo adeguato piuttosto che scegliere semplicemente il telaio più grande adatto.
Non esiste un rapporto di inerzia universale
Il rapporto di inerzia carico-motore accettabile dipende dal motore, dall'azionamento, dal metodo di controllo e dal profilo di movimento. Seguire i criteri di dimensionamento del produttore del motore anziché applicare una regola fissa a ogni servosistema.
Scelta dell'encoder: cosa deve dirti il feedback?
Un codificatore fa molto più che fornire un numero di “risoluzione”. Determina quali informazioni il controller può osservare sul motore o sull'asse.
Encoder incrementale
Un encoder incrementale segnala i cambiamenti di posizione tramite impulsi o conteggi digitali. Dopo l'accensione, molti sistemi richiedono una routine di homing per stabilire il riferimento della macchina.
Encoder assoluto
Un encoder assoluto conserva o ricostruisce un riferimento di posizione univoco in modo che il sistema di controllo possa conoscere la posizione del motore dopo il ciclo di accensione, a seconda dell'encoder e dell'architettura dell'azionamento.
Ciò può ridurre o eliminare determinati requisiti di homing ed è utile nelle macchine in cui è importante il tempo di riavvio o il mantenimento della posizione dell'asse.
Feedback monogiro e multigiro
Il feedback assoluto a giro singolo identifica la posizione dell'albero entro un giro. I sistemi multigiro tengono traccia anche del numero di giri, il che può essere utile quando è necessario preservare la posizione del motore per molti giri.
La risoluzione dell'encoder non è la stessa cosa della precisione lineare
Un encoder ad alta risoluzione consente al controller di rappresentare incrementi dell'angolo del motore molto piccoli, ma non rimuove automaticamente gli errori meccanici nel modulo.
Tra l'albero motore e la posizione effettiva dell'utensile possono esistere errori di guida della vite a ricircolo di sfere, elasticità della cinghia, gioco, rettilineità della guida, deflessione strutturale ed espansione termica.
Per applicazioni molto impegnative, è possibile utilizzare il feedback lineare diretto per misurare la posizione del carrello in modo più diretto.
Distinzione importante:la risoluzione dell'encoder descrive la granularità del feedback. La precisione del posizionamento del sistema descrive il risultato meccanico e di controllo completo.
Encoder motore o scala lineare?
Con il feedback lato motore, il controller calcola la posizione lineare dalla rotazione del motore e dalla geometria della trasmissione. Questo è comune ed efficace per molte applicazioni di automazione.
Una scala lineare montata lungo l'asse può misurare direttamente la posizione del carrello. Può quindi rilevare errori di posizione che si verificano dopo il motore, inclusi alcuni effetti di viti, cinghie o trasmissioni.
Il feedback lineare diretto è prezioso nei sistemi ad alta precisione, ma aggiunge costi, requisiti di installazione e complessità di controllo. Non è necessario per ogni modulo lineare.
I moduli lineari verticali necessitano di un controllo del motore diverso
Sull'asse verticale la gravità influisce continuamente sulla trasmissione.
Il motore deve essere controllato per:
- Coppia di accelerazione verso l'alto
- Carico gravitazionale continuo
- Comportamento rigenerativo verso il basso
- Obblighi di mantenimento in stato di fermo
- Capacità di frenata
- Comportamento sicuro in caso di perdita di potenza
Quando è necessario un freno motore?
Un freno viene comunemente preso in considerazione quando un carico verticale deve rimanere in posizione dopo aver rimosso l'alimentazione al motore. Tuttavia, i freni di stazionamento del motore hanno valori nominali e funzioni specifiche.
Se la discesa involontaria potrebbe creare un pericolo per la sicurezza, la macchina potrebbe richiedere ulteriori misure meccaniche di sicurezza anziché fare affidamento solo su un freno motore standard.
In che modo i riduttori influiscono sulla scelta del motore
Un riduttore può aumentare la coppia in uscita e ridurre l'inerzia del carico riflessa sul motore, ma cambia anche la velocità e aggiunge caratteristiche meccaniche proprie.
I potenziali motivi per utilizzare un cambio includono:
- Aumento della coppia in uscita
- Miglioramento del rapporto di inerzia carico-motore
- Consentendo a un motore più piccolo di funzionare a una velocità più adatta
- Adattamento della geometria di installazione
I compromessi includono:
- Perdita di efficienza
- Gioco
- Inerzia aggiuntiva
- Rumore
- Costo
- Manutenzione
L'interfaccia di controllo è importante prima che la macchina venga costruita
Un motore meccanicamente adatto può comunque rivelarsi una scelta sbagliata se non si integra con il controllore della macchina.
Confermare come l'asse riceverà i comandi:
- Impulso e direzione
- Comando analogico di velocità o coppia
- Ethernet industriale o bus di campo
- Comandi di indicizzazione integrati
- Controllore di movimentorete
Verificare inoltre se il sistema necessita di movimento sincronizzato, ingranaggi elettronici, camme, registrazione, controllo di coppia o interpolazione coordinata.
Hai bisogno del controllo della posizione, del controllo della velocità o del controllo della coppia?
Controllo della posizione
La maggior parte delle applicazioni di posizionamento lineare utilizzano il controllo della posizione. Il controller comanda una posizione target e un profilo di movimento.
Controllo della velocità
Il controllo della velocità può essere utile quando l'asse deve mantenere una velocità definita mentre un altro meccanismo controlla la posizione o la tempistica del processo.
Controllo della coppia
Il controllo della coppia può essere utilizzato per processi di pressatura, tensionamento, bloccaggio o contatto. Tuttavia, la coppia del motore non è sempre identica alla forza effettiva del processo lineare perché l’efficienza della trasmissione, l’attrito e la conformità meccanica influenzano la relazione.
Per la misurazione della forza critica, potrebbe essere comunque necessaria una cella di carico o un sensore di forza dedicato.
La regolazione del servo fa parte della selezione del motore
Un motore tecnicamente sufficientemente grande può comunque funzionare male se il sistema è difficile da mettere a punto.
La regolazione del servo è influenzata da:
- Inerzia del carico
- Rigidità strutturale
- Rigidità dell'accoppiamento
- Elasticità della cintura
- Gioco
- Risonanza
- Profilo di accelerazione
Un sistema meccanico flessibile non può essere trasformato in un asse rigido di precisione solo aumentando il servoguadagno. La progettazione meccanica e quella di controllo devono supportarsi a vicenda.
Selezione del motore per tipo di modulo lineare
Modulo lineare con vite a ricircolo di sfere
Controllare la velocità del motore rispetto al passo della vite e alla velocità lineare richiesta. Quindi verificare la coppia di accelerazione, l'inerzia della vite, la velocità critica della vite e qualsiasi requisito di tenuta verticale.
I servomotori sono comuni per il posizionamento di precisione ad alta velocità, mentre i motori passo-passo possono essere adatti per applicazioni a velocità moderata con carichi prevedibili.
Modulo lineare cinghia dentata
Moduli cinghia di distribuzionespesso funzionano a velocità lineare e accelerazione elevate. La scelta del motore dovrebbe considerare il diametro della puleggia, la tensione della cinghia, la massa in movimento e le frequenti inversioni di direzione.
I servomotori sono spesso vantaggiosi nei sistemi a portale a ciclo elevato o pick-and-place, mentre i motori passo-passo possono funzionare bene negli assi di trasferimento a dinamica inferiore.
Modulo pignone e cremagliera
Viaggi lunghi e carichi più elevati spesso rendono importante la scelta del cambio. La coppia del motore, il rapporto di trasmissione, il diametro del pignone e la velocità desiderata devono essere valutati insieme.
Modulo motore lineare
Un motore lineare produce forza direttamente e non richiede una trasmissione motore rotativo-lineare. In questo caso, il dimensionamento si concentra sulla forza continua, sulla forza di picco, sulla velocità, sull'accelerazione, sul carico termico e sul feedback piuttosto che sulla coppia del motore rotativo.
Una sequenza pratica di selezione del motore
- Definire il profilo di movimento completo.Include corsa, velocità, accelerazione, decelerazione e sosta.
- Calcolare la massa reale in movimento.Includere attrezzature, assi superiori e portacavi, ove pertinente.
- Determinare la forza lineare richiesta.Includere gravità, attrito e forza di processo.
- Convertire il carico in coppia e velocità del motore.
- Calcolare l'inerzia riflessa.
- Controllare la coppia di picco e RMS.
- Confronta le opzioni servo, passo-passo e passo-passo ad anello chiuso.
- Seleziona il tipo di feedback.
- Verificare i requisiti del freno e dell'asse verticale.
- Controllare la curva coppia-velocità del motore.
- Confermare la corrente, la tensione e la capacità rigenerativa del convertitore.
- Confermare la comunicazione del controller e le funzioni di movimento.
- Verificare le interfacce meccaniche ed elettriche prima del rilascio.
Errori comuni nella selezione del motore
Scelta solo in base alla potenza
La potenza del motore non indica se la coppia richiesta è disponibile alla velocità operativa effettiva.
Scegliere uno stepper dalla coppia di mantenimento
La coppia di mantenimento viene misurata a veicolo fermo e non rappresenta la coppia di funzionamento ad alta velocità.
Oversize “per sicurezza”
Un motore molto più grande può aumentare l'inerzia e i costi e può complicare la messa a punto. Il margine ingegneristico è utile; il sovradimensionamento incontrollato non lo è.
Ignorando il carico verticale
Gli assi verticali richiedono la considerazione della gravità, della frenata, della tenuta e della rigenerazione.
Supponendo che la risoluzione dell'encoder equivalga alla precisione di posizionamento
L'asse lineare completo contiene ancora errori di trasmissione, strutturali e termici.
Ignorare la compatibilità di unità e controller
Il motore è solo una parte del sistema. La tensione di azionamento, il protocollo di comunicazione, gli I/O, la resistenza di frenatura e la modalità di controllo possono determinare se la soluzione si integra correttamente.
Quali informazioni dovresti fornire per l'abbinamento del motore?
Affinché QRXQ possa consigliare un motore per un modulo lineare, fornire:
- Tipo di modulo e trasmissione
- Colpo
- Massa totale in movimento
- Orientamento di montaggio
- Velocità massima
- Accelerazione o tempo di movimento
- Tempo del ciclo completo
- Forza esterna
- Requisito di precisione e ripetibilità
- Marca preferita di servo o stepper
- Controller e protocollo di comunicazione
- Requisito del freno
- Tempo di funzionamento giornaliero e ciclo di lavoro
Il motore finale dovrebbe soddisfare quattro cose contemporaneamente:requisiti di coppia, velocità, inerzia e controllo. Se uno di questi viene ignorato, l'asse potrebbe funzionare durante un semplice test ma non riuscire a fornire prestazioni di produzione stabili.
Non è necessario che un motore ben abbinato sia il motore più grande adatto al modulo. Deve fornire il movimento richiesto con un margine sufficiente, un controllo stabile e un comportamento termico accettabile durante il ciclo effettivo della macchina.
