Confronto tra motore lineare, viti a ricircolo di sfera e dual drive
Punti chiave:
- I sistemi dual drive possono raggiungere accelerazioni e velocità quasi altrettanto elevate quanto quelle dei motori lineari.
- Le trasmissioni a cremagliera e pignone possono raggiungere efficienze fino al 97%.
- L’efficienza dei motori lineari si attesta intorno all’85% mentre per le viti a sfere fino al 90%
I motori lineari, le viti a ricirolo di sfere e le trasmissioni a ingranaggi di precisione a cremagliera e pignone sono tutte opzioni valide per gli ingegneri che progettano sistemi lineari elettromeccanici. Le trasmissioni a cremagliera e pignone hanno la storia più lunga – utilizzate negli ascensori nel 1800, nelle ferrovie nel 1700 e nelle balestre del XVI secolo. Quindi, si potrebbe essere tentati di considerare le trasmissioni a cremagliera e pignone una tecnologia superata.
Questo sarebbe un errore. Grazie ai progressi nella produzione di precisione e alla recente introduzione del precarico elettronico, l’accuratezza e le prestazioni delle trasmissioni a cremagliera e pignone eguagliano o superano quelle offerte da altri hardware. E spesso le unità a cremagliera e pignone superano le altre in termini di durabilità, efficienza ed economia. Ecco un confronto tra queste trasmissioni.
Viti a ricircolo di sfere
Le viti a ricircolo di sfere esistono da anni e sono utilizzate in tutti i tipi di applicazioni industriali. Rispetto ad altre trasmissioni lineari, le viti a ricircolo di sfere sono economiche per lunghezze brevi, quindi sono spesso preferite per applicazioni come le trasmissioni dell’asse Z. Inoltre, le viti a ricircolo di sfere e le viti di guida possono essere non retroazionabili, il che significa che, in caso di interruzione dell’alimentazione, un carico sull’asse verticale si bloccherà in posizione e non cadrà.
Alcuni svantaggi riguardano il fatto che le viti a sfere possono essere trattate come grandi molle sensibili a scatti (cambiamenti nell’accelerazione) e a carichi d’impatto che possono causare danni e pregiudicare le prestazioni. Il design limita anche le capacità di accelerazione e decelerazione e la forza massima di uscita.
La lunghezza massima è un altro limite. Le viti a sfere vanno montate su entrambe le estremità di una struttura, poiché non esiste davvero un buon meccanismo di supporto altrove. Quindi, man mano che la lunghezza della corsa aumenta, aumenta anche la lunghezza non supportata, la vite si incurva e le prestazioni ne risentono. La lunghezza massima dell’asse è tipicamente intorno ai 6 m.
La rigidità lineare di una vite non è costante ma dipende dalla posizione del dado, il che può creare problemi in applicazioni dinamiche. Eliminare il gioco o il contraccolpo nelle viti a sfere di solito richiede un precarico, comportando più attrito, perdita di potenza e potenziale per abrasione.
Per progettazione, una vite a sfere ha una serie di cuscinetti a sfera che viaggiano e ricircolano attraverso il dado e la vite, lubrificando le sfere e distribuendo uniformemente carico, attrito e usura. Tuttavia, ciò può rendere queste viti rumorose. Inoltre le applicazioni a corsa corta impediscono la ricircolazione completa delle sfere. In tali casi, i carichi dinamici devono essere ridotti.
Motori lineari
I motori lineari sono diventati popolari negli anni ’80 grazie a rapidi progressi tecnici e l’introduzione di molti prodotti innovativi, anche se il ritmo dello sviluppo si è ridotto di recente. Il vantaggio principale è che i carrelli mobili dei motori lineari hanno tipicamente una massa ridotta, consentendo tassi di accelerazione elevati e velocità di punta, risparmiando tempo quando il movimento cambia direzione frequentemente. I motori lineari senza spazzole funzionano silenziosamente e i trasduttori hanno tipicamente una lunga durata.
Alcuni svantaggi includono il fatto che, nonostante i miglioramenti, i motori lineari sono ancora piuttosto inefficienti: il consumo energetico è fino a cinque volte quello di attuatori a cremagliera e pignone di potenza simile. Le maggiori esigenze energetiche possono significare maggiori investimenti iniziali in infrastrutture per linee ad alta potenza, trasformatori e trasduttori elettrici. I motori lineari generano molto calore e spesso necessitano di un sistema di raffreddamento secondario, il che aggiunge costi e complessità e ulteriormente danneggia l’efficienza complessiva. La generazione di calore può essere estrema in operazioni a bassa velocità e a forza elevata, come il trapano.
Poiché sono a trasmissione diretta, i motori lineari non possono sfruttare la riduzione del rapporto di trasmissione. I riduttori sono comunemente utilizzati per adattare la velocità e la coppia di un motore rotativo al carico. Con un motore lineare, ciò non è possibile e talvolta porta a un sistema meno efficiente.
Da un punto di vista del controllo in loop chiuso, i carichi esterni che inducono deviazioni di posizione possono causare oscillazioni o risonanze. Senza la riduzione dell’inerzia e l’ammortizzazione intrinseca in un sistema meccanico, possono emergere problemi di controllo al pezzo lavorato.
Tra le altre considerazioni, la contaminazione da trucioli di metallo, particelle e anche piccole parti può essere un problema a causa dell’attrazione magnetica forte se il motore lineare non è protetto. E con cremagliere e pignoni e viti a sfere, i freni possono essere incorporati nella parte posteriore dei servomotori standard. I motori lineari, d’altra parte, richiedono un freno secondario aggiuntivo che è tipicamente più costoso.
Gli ingegneri dovrebbero valutare il potenziale maggiore costo e consumo energetico di un motore lineare rispetto ai vantaggi prestazionali e alla produttività della macchina. In alcuni casi, ad esempio, i motori lineari non possono raggiungere la velocità massima se le distanze di accelerazione e decelerazione superano la distanza di viaggio totale. Ciò può rendere i vantaggi tecnici del motore lineare un punto discutibile.
Cremagliera e pignone
I recenti sviluppi nel precarico elettronico hanno potenziato le prestazioni complessive e l’efficienza energetica delle trasmissioni a cremagliera e pignone.
Alcuni vantaggi includono il funzionamento a lungo termine senza contraccolpo e una lunghezza di corsa illimitata. Infatti, un vantaggio significativo rispetto ad altri design, è il costo inferiore su lunghezze di corsa importanti. L’ingranaggio elicoidale consente un ingaggio dei denti fluido e silenzioso. La fluidità di funzionamento aiuta anche a garantire una buona qualità dei pezzi e una finitura superficiale quando si lavorano, ad esempio, pezzi con tolleranze strette. Per i sistemi ad alta precisione, l’errore di passo singolo tra i denti elicoidali può essere di circa 3 µm e l’errore di passo cumulativo solo di 12 µm/500 mm.
Piuttosto che collegare direttamente le trasmissioni a cremagliera e pignone ai pezzi lavorati, gli elementi di trasmissione meccanica consentono agli ingegneri di variare i rapporti di trasmissione e le dimensioni del pignone e di aggiungere smorzamento che può eliminare instabilità a circuito chiuso. In sostanza, offre ai progettisti un elemento aggiuntivo per sintonizzare il sistema e migliorare prestazioni ed efficienza.
Tra gli svantaggi, la cremagliera deve essere mantenuta pulita e lubrificata, e il lubrificante può schizzare ad alte velocità.
I sistemi di trasmissione a cremagliera e pignone spesso hanno tassi di accelerazione e velocità di punta quasi alti quanto quelli dei motori lineari. In molti casi, la struttura e la costruzione della macchina, e non l’attuatore, limitano le velocità di punta nei sistemi a cremagliera e pignone e a motore lineare. Le viti a sfere tendono ad avere picchi di velocità e accelerazioni leggermente inferiori.
Le trasmissioni a cremagliera e pignone vantano un’efficienza fino al 97%. In confronto, i motori lineari hanno generalmente un’efficienza complessiva dell’85%, anche se alcuni sono considerevolmente inferiori. Le viti a sfere, a seconda del fatto che siano o meno precaricate, possono avere un’efficienza fino al 90%.
Dual Drive e precarico elettronico
Gli attuatori lineari a cremagliera e pignone con precarico elettronico sono destinati ad applicazioni di fascia alta che richiedono precisione e rigidità nonostante il movimento altamente dinamico. Alcuni esempi includono attrezzature per taglio ad alta velocità, piattaforme di movimento per robot, fresatrici a portale o a montante mobile, centri di lavoro a controllo numerico e macchine per taglio laser.
Questi attuatori utilizzano una singola cremagliera con due pignoni e due motori (DUAL DRIVE), lavorando in tandem, insieme a un controller elettronico. Forniscono movimenti senza contraccolpo minimizzando le perdite per attrito, rendendoli più precisi ed efficienti che mai dal punto di vista energetico.
Ecco come funziona nelle quattro diverse fasi di movimento.
- Fermo: Le trasmissioni a cremagliera e pignone con precarico elettronico hanno assi maestro e secondari. In stato di fermo, generano coppia opposta e il vincolo, o precarico elettronico, è al massimo. Il maestro e il secondario ingaggiano le facce dei denti rivolte in direzioni opposte per eliminare il gioco nel sistema.
- Accelerazione: Il controller riduce il precarico elettronico durante l’accelerazione. L’asse maestro inizia il movimento mentre l’asse secondario alleggerisce il precarico della forza opposta. Mentre l’unità accelera, l’asse secondario passa alla faccia opposta del dente e entrambi gli attuatori agiscono in tandem, ma ancora senza gioco. Questo è importante perché il precarico tradizionale non consente ad entrambi gli assi di lavorare insieme. Invece, un asse spinge sempre contro l’altro, creando inefficienze.
- Velocità costante: Durante i movimenti a velocità costante, il precarico elettronico è disabilitato e entrambi gli assi lavorano insieme per portare il carico. L’inerzia e la resistenza del pezzo lavorato mantengono il funzionamento senza gioco.
- Decelerazione: Durante la decelerazione, l’asse secondario passa nuovamente alla faccia opposta del dente, aumentando il vincolo per aiutare a rallentare il carico ed eliminare il gioco. Non c’è gioco durante i cambi di carico perché i denti e le facce non perdono mai contatto.
Considerazione dell’inerzia
I sistemi meccanici di movimento lineare sono tipicamente abbastanza efficienti. Ma gli ingegneri che si limitano a guardare le valutazioni di efficienza dei componenti a catalogo possono essere ingannati se assumono che l’efficienza totale sia la somma delle singole valutazioni. Gli utenti devono anche considerare gli effetti dell’inerzia.
Ad esempio, i sistemi con un servomotore, un accoppiamento e un riduttore tendono ad avere momenti di inerzia elevati e bassa rigidità meccanica. Richiedono un abbinamento di inerzia robusto e basso – un rapporto tra l’inerzia del motore e l’inerzia del carico di circa 1:3 – per funzionare bene.
Gli attuatori che eliminano gli accoppiamenti e montano il pignone direttamente sull’albero del motore, al contrario, aumentano la rigidità torsionale e di inclinazione e limitano il gioco. Ciò riduce l’inerzia complessiva, aumenta la rigidità e tollera rapporti di inerzia di 10:1. Per l’ingegnere progettista, ciò consente di utilizzare motori più piccoli per la stessa applicazione e, a sua volta, cavi e trasduttori più piccoli, minor consumo energetico e maggiore efficienza complessiva.
Ecco uno sguardo alla matematica sottostante:
Considera il semplice sistema mostrato nella grafica “Azione orizzontale”. Per compiti dinamici, i requisiti di coppia dipendono dall’intera massa che reagisce nel gruppo motopropulsore, quindi gli ingegneri devono confrontare l’inerzia del carico con quella del motore. Con JM = inerzia del motore, JL = inerzia del carico e i = rapporto di riduzione del cambio, il momento necessario per una data accelerazione dipende direttamente dalla somma dei momenti di inerzia,
JT = JL + i^2JM.
Il fattore di accoppiamento λ, talvolta descritto come corrispondenza o disallineamento dell’inerzia, è una correlazione dei momenti di inerzia esterni al momento di inerzia del motore.
λ = JL/(i^2JM);
JM = JL/(i^2λ);
JT = JL + JL/λ = JL(1 + 1/λ).
Con coppia M = Jα e α = accelerazione angolare, la potenza totale nel sistema PT e la potenza consegnata al carico PL si relazionano come:
PT = PL(1 + 1/λ);
o l’efficienza è
η = PL/PT = λ/(1 + λ).
Il grafico “efficienza del gruppo motopropulsore” mostra che la coppia di torsione ottenibile rispetto alla potenza ottenibile è proporzionale al momento d’inerzia di massa nel gruppo motopropulsore. Descrive l’inerzia totale nel sistema che deve essere accelerata in termini di potenza ed efficienza.
La maggior parte delle persone penserebbe che un rapporto di inerzia di 1:1 sia un abbinamento ideale. Ma guardando il grafico, solo il 50% della potenza totale viene consegnato al carico. È davvero un sistema inefficiente. Con controlli adeguati, alta rigidità e basso gioco, i sistemi possono tollerare disallineamenti di inerzia più elevati e utilizzare motori più piccoli per un dato carico – trasferendo più energia direttamente al carico. Oltre ad una maggiore efficienza, un motore più piccolo e un costo minore, richiede meno energia per produrre la stessa uscita.
