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5 considerazioni meccaniche per gli ingegneri elettrici

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Cercare di dimensionare e spaziare i componenti elettrici prima di definire la meccanica può portare a perdite di tempo e rilavorazioni.

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I sistemi meccatronici ad alte prestazioni richiedono una complessa interazione di sistemi elettrici e meccanici per svolgere compiti sempre più impegnativi. Il problema? Gli ingegneri meccanici ed elettrici sono spesso formati all'interno della loro singola area di competenza e semplicemente non comunicano come dovrebbero quando progettano sistemi elettromeccanici, una supervisione che può portare a costi più elevati e prestazioni meno affidabili.

La maggior parte degli ingegneri coinvolti nel dimensionamento, selezione e avviamento di sistemi meccatronici incontrerà queste problematiche sia in fase di progettazione che sul campo. Per aiutare a colmare il divario tra ingegneri elettrici e meccanici, ecco cinque cose importanti da considerare per gli ingegneri elettrici nella progettazione di sistemi meccatronici.

Considerazione #1: Il costo totale di proprietà è tutto

Va da sé che i sistemi meccatronici dovrebbero essere progettati per ottenere le migliori prestazioni possibili al minor costo possibile nel lungo periodo. Tuttavia, la necessità di documentare i risparmi sui costi su base annuale (piuttosto che durante il ciclo di vita del sistema) può essere una forte motivazione per gli ingegneri a cercare componenti meno costosi per mantenere basso il costo iniziale del sistema meccatronico.

In effetti, componenti apparentemente semplici che possono sembrare delle decisioni inaspettate al momento possono causare dolorosi mal di testa in un secondo momento. Ad esempio, l'uso di giunti a soffietto meno costosi tra il motore o riduttore e l'albero di entrata dell'attuatore sono una scelta perfettamente appropriata in molte applicazioni azionate da motori passo-passo. Infatti, un accoppiamento leggermente spugnoso può fornire una certa quantità di smorzamento nelle applicazioni pick-and-place che spostano carichi più pesanti. Il sacrificio, naturalmente, è la precisione, e in molti sistemi meccatronici, che sono tipicamente azionati da servomotore, è meglio utilizzare giunti più rigidi di tipo elastomero.

L'utilizzo di giunti meno costosi può far risparmiare denaro a breve termine, ma se la rigidità richiesta non viene raggiunta, la riprogettazione e il retrofitting del sistema di montaggio del motore può facilmente costare tre o più volte il denaro inizialmente risparmiato con l'accoppiamento economico. Inoltre, avrete il costo aggiuntivo di tempi di inattività e perdita di produzione, che non è un buon compromesso. Il Total Cost of Ownership (TCO) è in realtà l'unica considerazione più importante in qualsiasi progetto di sistema meccatronico, e i quattro punti rimanenti contribuiranno, in ultima analisi, a ridurre il TCO.

Considerazione #2: Guardate sempre prima i meccanici

È molto importante per gli ingegneri elettrici essere coinvolti, o almeno comprendere, la progettazione meccanica di un sistema meccatronico prima di procedere con la progettazione elettrica e i controlli. Il tentativo di dimensionare e specificare i componenti elettrici prima della definizione della meccanica può portare a perdite di tempo e rilavorazioni, poiché parametri come l'inerzia e la coppia sono fortemente influenzati dalla scelta dei componenti meccanici.

Gli ingegneri Bosch Rexroth utilizzano un sistema chiamato LOSTPED per aiutarli a dimensionare e selezionare i componenti meccanici che meglio si adattano ai requisiti prestazionali dell'applicazione. LOSTPED è semplicemente un acronimo che sta per Load, Orientation, Speed, Travel, Precision, Environment e Duty Cycle. In breve, si tratta di una revisione sistematica di tutte le prestazioni e gli attributi di progettazione che devono essere presi in considerazione, con l'obiettivo finale di progettare il sistema ottimale per ogni applicazione.

Il mancato rispetto di questo processo può portare a sistemi meccanici più grandi o più costosi del necessario. Ad esempio, se l'OEM o l'utente finale costringe il progetto ad accogliere un motore specifico senza considerare i criteri LOSTPED, possono essere necessari componenti meccanici più grandi per gestire la coppia o l'inerzia del motore rispetto a quelli effettivamente necessari per l'applicazione. Lo stesso vale per i sistemi di controllo. Se un attuatore con vite a sfera può raggiungere una ripetibilità di 0,01 mm, è necessario assicurarsi che l'encoder possa soddisfare o superare questa specifica, altrimenti non sarà possibile sfruttare la precisione della vite a sfera.

È natura umana voler utilizzare componenti che sono disponibili in magazzino o che l'utente conosce bene, come motori, azionamenti e controlli che sono stati utilizzati su altre macchine, ma ogni sistema merita una propria revisione per garantire che i componenti e l'intero sistema siano ottimizzati in termini di costi e prestazioni. In caso contrario, si possono lasciare dei soldi sul tavolo o non ottenere le prestazioni di sistema di cui si ha bisogno.

Considerazione #3: Non cercare di inserire un piolo quadrato in un foro rotondo

L'ultimo esempio è abbastanza comune che vale la pena sottolineare come una considerazione importante della propria: Non cercare di inserire un piolo quadrato in un foro rotondo. Molti ingegneri elettrici hanno familiarità con particolari motori e azionamenti, oppure sono costretti a risparmiare utilizzando componenti che già possiedono. L'uso di un motore fisicamente troppo grande, tuttavia, può causare problemi di montaggio. Potrebbe fornire troppa coppia per la gestione del modulo lineare (causando guasti meccanici o rotture), oppure potrebbe causare inerzia e risolvere problemi.

L'assestamento imprevedibile può essere un problema particolare in applicazioni di precisione, come l'erogazione, l'inserimento di perni o l'assemblaggio di precisione in applicazioni medicali e semiconduttori. Se il motore è sovradimensionato e ha un'inerzia eccessiva, l'attuatore può avere difficoltà a raggiungere la posizione desiderata, con tempi di ciclo complessivi più lunghi del necessario.

In particolare nelle applicazioni di precisione, si dovrebbe cercare di dimensionare i componenti meccanici ed elettrici per ottenere una corrispondenza di inerzia 1 a 1 il più vicino possibile. Mantenere il consumo energetico al minimo richiesto per l'applicazione è importante anche per i clienti che cercano di ridurre l'impatto ambientale e rendere le loro attività produttive più ecologiche.

Considerazione 4: non dimenticare "stronzo"

Il "Jerk" è il tasso di variazione dell'accelerazione, o l'accumulo dell'accelerazione dell'asse. Pensate alla sensazione che provate quando decollate sulla collina successiva su un ottovolante. E' la limitazione del parametro jerk (quanto velocemente si sta accelerando) che permette di sperimentare l'accelerazione delle montagne russe senza sviluppare il colpo di frusta.

L'accelerazione è importante nelle applicazioni meccatroniche per ottenere il movimento desiderato nel tempo richiesto, ma se il jerk (la velocità di accelerazione del sistema) è troppo elevata, le vibrazioni possono provocare una perdita di posizionamento o un'usura prematura dei componenti. D'altra parte, se i progettisti di impianti elettrici non considerano l'entità del jerk richiesto per l'applicazione, il motore può essere sottodimensionato e non consentire il raggiungimento delle prestazioni richieste.

Considerazione #5: I cavi devono essere gestiti

La gestione dei cavi è uno degli attributi più frequentemente trascurati nei sistemi meccatronici. Non fare questo errore, può essere costoso. I cavi e le canaline per cavi richiedono spazio fisico e il movimento multiasse e veloce richiede spesso cavi in grado di gestire curve strette e cicli ad alta resistenza.

In particolare nella progettazione del sistema di gestione dei cavi, le esigenze teoriche di funzionamento e di spazio possono essere molto diverse da quanto richiesto nel mondo reale. Una volta installato nella macchina o in fabbrica, l'ambiente attivo del sistema può includere macchinari adiacenti, pareti di fabbrica, montanti o travi e altre parti o attrezzature che causano interferenze con il sistema di gestione dei cavi. Il corretto scarico della trazione per i cavi è fondamentale anche perché i cavi che sono piegati e attorcigliati oltre le loro specifiche rappresentano un pericolo per la sicurezza sotto forma di incendio o cortocircuiti.

Tutto questo si traduce in TCO

L'obiettivo finale nella progettazione di qualsiasi sistema elettromeccanico dovrebbe essere quello di ottenere le prestazioni ottimali, sia meccanicamente che elettricamente, per svolgere il lavoro con il minor costo totale. Nel mondo reale, molti di questi sistemi sono progettati da team di ingegneri di entrambe le discipline, che lavorano in tandem.

Questo è il modello ideale, ma con la disciplina della meccatronica relativamente giovane, i problemi qui descritti accadono troppo spesso, perché pochi ingegneri meccanici o elettrici hanno l'esperienza o la comprensione della loro controparte nell'altra disciplina. I cinque suggerimenti di cui sopra mirano a colmare questa lacuna e ad evitare sorprese costose, sgradite e dispendiose in termini di tempo. E migliaia di dollari di risparmio a lungo termine riducendo il costo totale di proprietà? Chi può opporvisi?