I motori detti “Torque” sono destinati agli assi rotativi così come i Motori Lineari sono destinati ai movimenti rettilinei; entrambi sono l’espressione della tecnologia denominata Direct Drive.
Il principio di Trasmissione Diretta o Direct Drive è semplice: Il servomotore elettrico genera l’energia meccanica utile ad azionare il carico finale. La differenza sostanziale rispetto ai sistemi tradizionali è l’assenza di ogni intermezzo meccanico di trasformazione del moto; niente più riduttori, ne ingranaggi o cinghie.
Velocità, Coppia e Potenza dei sistemi Direct Drive, sono caratteristiche intrinseche al progetto elettromagnetico del motore e ne determinano la sua grandezza fisica, così come la qualità e la dinamica del moto dipendono dal sistema di regolazione elettronica e dalla qualità della retroazione del sistema di misura.
Ogni soluzione di sistema Direct Drive per assi rotativi realizza una nuova forma di Servomotore in cui il componente elettromagnetico si ‘fonde’ con il progetto meccanico del sotto-insieme di macchina che costituisce l’asse rotativo.
VANTAGGI DELLA TECNOLOGIA DIRECT DRIVE RISPETTO ALLE SOLUZIONI CONVENZIONALI
Eliminazione dei riduttori meccanici:
Il sistema è notevolmente semplificato nella sua struttura meccanica; ne deriva un’alta affidabilità e riproducibilità sia delle prestazioni che della precisione.
• L’assenza del riduttore permette di superare tutte le problematiche collegate quali: attriti, usura, difetti ciclici del moto.
• Ne beneficia il rendimento di trasmissione e l’efficienza energetica.
• I sistemi Direct Drive abbattono la complessità meccanica riducendo il numero di componenti ed i costi di montaggio.
• La struttura semplificata e simmetrica dei sistemi Direct Drive agevola e semplifica la costruzione delle strutture degli impianti adiacenti.
• Riduzione dei costi e contemporaneo incremento delle prestazioni diventano obiettivi facilmente raggiungibili.
La regolazione elettronica prevale e determina la qualità del sistema
I sistemi Direct Drive realizzano con la regolazione elettronica alcune funzioni prima collegate dalla qualità meccanica; qui di seguito indichiamo alcune caratteristiche fondamentali dei servo-sistemi a trasmissione diretta comparate con sistemi tradizionali con riduttore. L’ambito di giudizio di tali considerazioni è focalizzato in modo particolare nelle applicazioni per assi di macchine utensili, settore che richiede un target di prestazioni/precisioni particolarmente elevato, quindi costituisce un ottimo riferimento per valutazioni relative anche ad altri settori, generalmente meno sofisticati
| Sistemi direct drive |
Sistemi con riduttore |
| Applicazione con prevalente ciclo dinamico |
| Rigidezza statica e dinamica sono funzioni esclusivamente delegate alla regolazione elettronica |
Le qualità meccaniche del riduttore sono prevalenti nel definire il comportamento dinamico del servosistema |
| Il sistema di misura (encoder di retroazione) stabilisce un limite invalicabile di risoluzione e precisione di posizionamento. La regolazione elettronica “vede” le risonanze meccanico-strutturali come limiti di frontiera a cui adeguarsi, tuttavia, è agevole ottenere livelli di qualità finale decisamente superiori. Gli algoritmi di regolazione dell’elettronica di comando più sofisticati sono decisivi nel determinare gli obiettivi finali di alto livello superiore per risoluzione / precisione. (tipici target: [gradi] risoluzione 10-6 e finestra di posizionamento:10-5). |
Qualità e regolarità di moto sono vincolati dalla qualità del riduttore, giochi, attriti variabili e qualità geometrica di esecuzione, sono prevalenti rispetto alla risoluzione di misura. La regolazione elettronica si ferma e si uniforma a ciò che la meccanica di trasmissione gli permette di esprimere. Tipicamente, è il sistema meccanico a stabilire il risultato finale; poco vale disporre di elettronica più sofisticata. Gli obiettivi raggiungibili nelle migliori ipotesi permettono [gradi]: risoluzione 10-5 e finestra di posizionamento 10-4. |
| Le prestazioni del ciclo dinamico sono determinate da due grandezze fondamentali: Coppia motrice; Momento di Inerzia delle masse rotanti Unica precauzione è la non sottovalutazione degli attriti residui del sistema quali: attrito del cuscinetti volventi eventuali attriti di distributori idraulici rotanti Il “modello di calcolo” è semplice, lineare e senza sorprese. Si applicano con ottima affidabilità le formule della dinamica del moto circolare. Nell’ambito delle applicazioni con cicli dinamici prevalenti i sistemi Direct Drive esprimono il massimo gap di qualità rispetto ai sistemi tradizionali |
Le prestazioni del ciclo dinamico sono pesantemente influenzate da variabili fisiche non lineari:
attriti e rendimenti funzione della velocità, tipo di lubrificazione ecc.
Giochi ed elasticità dei riduttori
Stabilità di regolazione compromessa da accoppiamenti elastici tra inerzie differenziate in grado di innescare instabilità dinamica del sistema alle basse frequenze.
Il “modello di calcolo” è problematico e complesso, spesso ci si deve accontentare dei risultati ottenuti dal collaudo operativo del sistema. Le applicazioni con cicli dinamici molto elevati evidenziano tutti i limiti della soluzione con riduttore |
| Sistemi direct drive |
Sistemi con riduttore |
APPLICAZIONI SOGGETTE A RILEVANTE DISTURBO DI COPPIA
Per “disturbo di coppia” si intendono le forze che agiscono contrastando il movimento programmato dell’asse. Un esempio sono le forze di taglio che si generano in una fresatrice. Il “disturbo di coppia” si caratterizza rispetto al valore di forza [N] ed alla sua frequenza [Hz] - (Rigidezza = Forza/cedimento) |
Le prestazioni di rigidezza dinamica, intesa come stabilità al “disturbo di coppia” di un sistema Direct Drive si ottengono sommando due ingredienti fondamentali:
Rigidezza attiva + Rigidezza inerziale.
La rigidezza attiva la si ottiene regolando la risposta dell’anello di velocità con una banda passante superiore alla frequenza del disturbo di fresatura, pertanto: il sistema servo controllato sarà in grado di reagire in tempo reale opponendo la coppia motrice al disturbo di taglio.
Tanto più rapido sarà la reazione dell’anello di velocità, tanto minore il cedimento (quindi più alta la rigidezza attiva).
La rigidezza inerziale è esclusivamente derivata dall’inerzia prioria della massa rotante: tanto maggiore sarà l’inerzia , tanto meno sarà il valore di accelerazione indotto all’asse, quindi il suo movimento sarà minore e tale da agevolare la risposta regolata (attiva) dell’asse controllato. La “rigidezza dinamica globale” del sistema sarà la somma di questi due risultati ovvero: rigidezza attiva (regolata) + Rigidezza inerziale (fisica della massa).
La qualità della rigidezza dinamica è eccellente a condizione che i due “ingredienti” siano ben bilanciati. Le applicazioni che richiedono un alto livello di compromesso tra precisione di traiettoria e basse/medie forze di lavoro ne traggono un sostanziale vantaggio (p.e. fresatura H.S.C) |
La “rigidezza dinamica globale” di un sistema con riduttore si riscontra rispetto agli stessi fattori, tuttavia essi assumono un diverso peso:
La Rigidezza Inerziale ha un rilevo predominante:
all’inerzia propria della massa dell’asse e del carico utile, si somma l’inerzia riflessa da ogni elemento rotante riconvertito dal rapporto di velocità del riduttore che costituisce la catena cinematica. A questo fattore si aggiunge, talvolta, l’irreversibilità del moto, come conseguenza del basso rendimento e/o dell’alto rapporto di riduzione. Il lato positivo di questo aspetto è:
Il contenimento fisico dell’ampiezza del cedimento ai forti carichi impulsivi.
L’alta sovraccaricabilità con reazione meccanica alla forza di disturbo. La Rigidezza attiva dovuta alla regolazione del servomotore ha, generalmente, una valenza secondaria, poiché risulterà “schermata” sia dal basso rendimento che dall’irreversibilità del moto.
Valori molto elevati di “rigidezza dinamica globale” sono facilmente raggiungibili. I sistemi con riduttore restano validi per le più pesanti condizioni di lavoro. tuttavia la qualità sarà molto più “grezza”. |
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