Un sistema di motion control efficace non nasce dalla scelta del singolo componente più performante, ma dall’integrazione equilibrata di azionamenti, motori, sensori di feedback e organi meccanici. Con l’aiuto di Homberger, in questo articolo approfondiamo i criteri su cui selezionare i vari componenti.
a cura della redazione
Nel settore dell’automazione industriale, il motion control comprende l’insieme delle tecnologie utilizzate per governare con precisione posizione, velocità, accelerazione e coppia degli assi di movimento. Dalle macchine utensili ai sistemi di assemblaggio automatico, fino alla robotica industriale, le prestazioni complessive dipendono dalla capacità di scegliere, integrare e governare correttamente tutti gli elementi coinvolti nel controllo del moto.
Un sistema efficace non nasce dalla scelta del singolo componente più performante, ma dall’integrazione equilibrata di azionamenti, motori, sensori di feedback e organi meccanici, selezionati in funzione delle caratteristiche del carico da movimentare e degli obiettivi applicativi.
Architettura di un sistema di motion control
Un sistema di motion control è generalmente composto da tre livelli principali:
• livello di controllo, costituito da PLC oppure motion controller;
• livello di potenza, rappresentato dagli azionamenti;
• livello attuativo e di feedback, formato da motori, riduttori e dispositivi di misura.
Gli azionamenti per motori brushless svolgono un ruolo centrale all’interno dell’architettura. Oltre a gestire l’alimentazione del motore, eseguono gli algoritmi di regolazione che consentono di controllare con precisione coppia, velocità e posizione. Le moderne tecniche di controllo vettoriale, come il Field Oriented Control (FOC), permettono di ottenere risposte dinamiche rapide anche in presenza di variazioni del carico.
Oltre alle funzioni di regolazione, i moderni azionamenti integrano interfacce di comunicazione basate su protocolli industriali deterministici, che consentono lo scambio di dati in tempo reale con il controllore e la sincronizzazione di più assi. Questo permette di realizzare sistemi caratterizzati da elevata precisione, rapidità di risposta e comportamento prevedibile anche nelle applicazioni più dinamiche. Le stesse reti di comunicazione consentono inoltre di gestire le funzioni di Safety integrate, conformi alle principali norme di sicurezza funzionale. Tra le più diffuse rientrano Safe Torque Off (STO), Safe Stop 1 (SS1) e Safe Stop 2 (SS2), che permettono di eseguire arresti della macchina in condizioni di sicurezza, semplificando l’architettura dell’impianto e riducendo il cablaggio dedicato.
Motori torque e sistemi direct drive
Quando l’applicazione richiede elevata precisione, alte accelerazioni e assenza di giochi meccanici, i motori torque rappresentano una delle soluzioni più efficaci.
A differenza dei sistemi tradizionali con riduttore, questi motori lavorano in configurazione direct drive, trasmettendo il moto direttamente all’asse.
L’assenza di componenti intermedi consente di eliminare fenomeni come backlash, elasticità torsionale, usura delle trasmissioni e sbilanciamenti inerziali.
I principali vantaggi sono: maggiore rigidità del sistema; migliore risposta dinamica; elevata precisione di posizionamento; semplificazione della cinematica; riduzione delle operazioni di manutenzione, dovuti anche all’assenza di lubrificazione.
Per queste ragioni trovano impiego in tavole rotanti, macchine utensili ad alta precisione, sistemi di ispezione e applicazioni robotiche avanzate.
Il ruolo del feedback nel controllo di posizione
Le prestazioni di un asse dipendono in larga misura dalla qualità delle informazioni di ritorno fornite al controllore. Per questo motivo gli encoder industriali rappresentano un elemento fondamentale nei sistemi in anello chiuso. Encoder incrementali e assoluti consentono di rilevare con elevata precisione posizione, velocità e direzione del movimento, fornendo al drive e al controller i dati necessari per correggere eventuali scostamenti rispetto al riferimento impostato.
L’impiego di encoder ad alta risoluzione offre benefici significativi: maggiore accuratezza di posizionamento; riduzione dell’errore di inseguimento; migliore stabilità nei transitori; incremento della qualità del processo produttivo. Nelle applicazioni più esigenti, il sistema di feedback diventa spesso il fattore determinante per raggiungere le prestazioni richieste.
Motori brushless, riduttori di precisione e trasmissione del moto
Non tutte le applicazioni consentono di adottare soluzioni direct drive. Quando è necessario adattare coppia e velocità alle esigenze del processo, si ricorre a sistemi di trasmissione meccanica ad alte prestazioni.
Il motore brushless è l’attuatore che converte l’energia elettrica in movimento. La sua selezione deve essere basata su un’analisi accurata dei carichi, delle accelerazioni e delle condizioni operative. Rispetto ad una soluzione direct drive si possono considerare i seguenti vantaggi: la taglia del motore è sensibilmente ridotta, così come quella dell’azionamento, e la velocità massima è maggiore. I riduttori di precisione o a gioco zero consentono di amplificare la coppia del motore realizzando un profilo di movimento accurato e senza oscillazioni. Sono progettati per garantire elevata rigidità torsionale e ridotti errori di trasmissione, caratteristiche indispensabili nei sistemi servoassistiti.
Tra le caratteristiche più importanti da considerare nella scelta di un riduttore rientrano:
• backlash ridotto o nullo;
• possibilità di scegliere il rapporto di riduzione più idoneo all’applicazione;
• elevate coppie nominali e di accelerazione;
• rigidità torsionale;
• precisione di posizionamento e ripetibilità;
• cuscinetti portanti;
• lunga durata operativa;
• bilanciamento delle inerzie.
Queste caratteristiche risultano particolarmente importanti in ambito robotico, packaging, handling automatico e macchine ad elevata ripetibilità.
L’importanza dell’integrazione di sistema
Le prestazioni di un impianto di motion control non dipendono dal valore nominale dei singoli componenti, ma dalla capacità di ottimizzare l’intera catena cinematica e di controllo. Il corretto dimensionamento dei componenti richiede un approccio ingegneristico integrato che consideri simultaneamente la meccanica, l’elettronica e il controllo. Solo attraverso una valutazione precisa dei parametri di coppia, inerzia e carichi sui cuscinetti è possibile ottenere un sistema affidabile, efficiente e duraturo. Una progettazione accurata consente di massimizzare le prestazioni, ridurre i costi di manutenzione, diminuire i consumi energetici e garantire la stabilità operativa anche in applicazioni ad alta ciclicità e precisione.
Motion control e Industria 4.0
L’evoluzione verso la fabbrica digitale ha trasformato i sistemi di motion control in nodi intelligenti della rete produttiva. Drive, controller e sensori sono oggi in grado di scambiare dati in tempo reale attraverso protocolli industriali ad alte prestazioni, rendendo possibile un monitoraggio continuo dello stato della macchina.
L’analisi delle informazioni raccolte consente di:
• implementare strategie di manutenzione predittiva;
• individuare anomalie prima che generino guasti;
• ottimizzare i parametri di processo;
• ridurre i tempi di fermo impianto;
• migliorare l’efficienza complessiva della produzione.
In questo scenario, il motion control non rappresenta più soltanto una tecnologia per il controllo del movimento, ma un elemento strategico per aumentare produttività, qualità e competitività dei moderni impianti industriali.
Competenze e soluzioni per il motion control
Homberger opera in diversi settori industriali, tra cui quello dell’automazione. Nell’ambito del Motion Control, distribuisce e integra le tecnologie di Metronix, BEI Sensors, Sumitomo Drive Technologies, Technai, Benzlers, IBAG e Jaure, mettendo a disposizione competenze e soluzioni per la gestione e il controllo del movimento. L’obiettivo è supportare i clienti nello sviluppo di applicazioni sempre più sicure, efficienti e affidabili, contribuendo all’ottimizzazione dei processi produttivi e al miglioramento delle prestazioni degli impianti.
