Azionamento diretto e servomotore rotativo a ingranaggi: una quantificazione del vantaggio progettuale: parte 1

Obiettivi di apprendimento

• I servosistemi rotativi del mondo reale non raggiungono le prestazioni ideali a causa di limitazioni tecniche.
• Diversi tipi di servomotori rotativi possono offrire vantaggi agli utenti, ma ciascuno presenta sfide o limitazioni specifiche.
• I servomotori rotativi ad azionamento diretto offrono le migliori prestazioni, ma sono più costosi dei motoriduttori.

Per decenni, i servomotori a ingranaggi sono stati uno degli strumenti più comuni nel toolbox dell’automazione industriale. I servomotori a ingranaggi offrono applicazioni di posizionamento, adattamento della velocità, camma elettronica, avvolgimento, tensionamento e serraggio e adattano in modo efficiente la potenza di un servomotore al carico. Ciò solleva la domanda: un servomotore a ingranaggi è l’opzione migliore per la tecnologia del movimento rotatorio o esiste una soluzione migliore?

In un mondo perfetto, un servosistema rotativo avrebbe valori di coppia e velocità adeguati all'applicazione, in modo che il motore non sia né sovradimensionato né sottodimensionato. La combinazione di motore, elementi di trasmissione e carico dovrebbe avere una rigidità torsionale infinita e un gioco pari a zero. Sfortunatamente, i servosistemi rotanti del mondo reale non raggiungono questo ideale a vari livelli.

In un tipico servosistema, il gioco è definito come la perdita di movimento tra il motore e il carico causata dalle tolleranze meccaniche degli elementi di trasmissione; ciò include qualsiasi perdita di movimento nei riduttori, nelle cinghie, nelle catene e nei giunti. Quando una macchina viene inizialmente accesa, il carico fluttua da qualche parte nel mezzo delle tolleranze meccaniche (Figura 1A).

Prima che il carico stesso possa essere spostato dal motore, il motore deve ruotare per recuperare tutto il gioco esistente negli elementi di trasmissione (Figura 1B). Quando il motore inizia a decelerare alla fine di un movimento, la posizione del carico potrebbe effettivamente superare la posizione del motore poiché la quantità di moto trasporta il carico oltre la posizione del motore.

Il motore deve recuperare nuovamente il gioco nella direzione opposta prima di applicare la coppia al carico per decelerarlo (Figura 1C). Questa perdita di movimento è chiamata gioco ed è tipicamente misurata in minuti d'arco, pari a 1/60 di grado. I riduttori progettati per l'uso con servomotori in applicazioni industriali spesso hanno specifiche di gioco che vanno da 3 a 9 minuti d'arco.

La rigidità torsionale è la resistenza alla torsione dell'albero motore, degli elementi di trasmissione e del carico in risposta all'applicazione della coppia. Un sistema infinitamente rigido trasmetterebbe la coppia al carico senza deflessione angolare attorno all'asse di rotazione; tuttavia, anche un albero in acciaio massiccio si torcerà leggermente sotto carico pesante. L'entità della deflessione varia in base alla coppia applicata, al materiale degli elementi di trasmissione e alla loro forma; intuitivamente, le parti lunghe e sottili si torceranno più di quelle corte e grasse. Questa resistenza alla torsione è ciò che fa funzionare le molle elicoidali, poiché comprimendo la molla si attorciglia leggermente ogni giro del filo; un filo più grosso rende una molla più rigida. Qualsiasi valore inferiore alla rigidità torsionale infinita fa sì che il sistema agisca come una molla, il che significa che l'energia potenziale verrà immagazzinata nel sistema mentre il carico resiste alla rotazione.

Se combinati insieme, la rigidità torsionale e il gioco finiti possono ridurre significativamente le prestazioni di un servosistema. Il gioco può introdurre incertezza, poiché l'encoder del motore indica la posizione dell'albero del motore, non il punto in cui il gioco ha consentito al carico di stabilizzarsi. Il gioco introduce inoltre problemi di regolazione poiché il carico si accoppia e si disaccoppia brevemente dal motore quando il carico e il motore invertono la direzione relativa. Oltre al gioco, la rigidezza torsionale finita immagazzina energia convertendo parte dell'energia cinetica del motore e del carico in energia potenziale, rilasciandola successivamente. Questo rilascio ritardato di energia provoca l'oscillazione del carico, induce risonanza, riduce i guadagni di regolazione massimi utilizzabili e influisce negativamente sulla reattività e sul tempo di assestamento del servosistema. In tutti i casi, la riduzione del gioco e l'aumento della rigidità di un sistema aumenteranno le prestazioni del servo e semplificheranno la messa a punto.

Configurazioni del servomotore dell'asse rotante

La configurazione più comune dell'asse rotante è un servomotore rotativo con un encoder integrato per il feedback della posizione e un riduttore per abbinare la coppia e la velocità disponibili del motore alla coppia e alla velocità richieste del carico. Il riduttore è un dispositivo a potenza costante che è l'analogo meccanico di un trasformatore per l'adattamento del carico.

Una configurazione hardware migliorata utilizza un servomotore rotativo ad azionamento diretto, che elimina gli elementi di trasmissione accoppiando direttamente il carico al motore. Mentre la configurazione del motoriduttore utilizza un accoppiamento ad un albero di diametro relativamente piccolo, il sistema di azionamento diretto fissa il carico direttamente ad una flangia del rotore molto più grande. Questa configurazione elimina il gioco e aumenta notevolmente la rigidità torsionale. Il maggior numero di poli e gli avvolgimenti a coppia elevata dei motori ad azionamento diretto corrispondono alle caratteristiche di coppia e velocità di un motoriduttore con un rapporto di 10:1 o superiore.