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Motori lineari: Alla guida di una nuova rivoluzione industriale

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I motori lineari danno alle macchine la più alta precisione e performance dinamica in assoluto.

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I motori lineari sono molto veloci e precisi per il posizionamento, ma sono anche capaci di una velocità di traslazione lenta e costante per le teste e le slitte delle macchine, così come per i sistemi di movimentazione di utensili e pezzi. Una varietà di applicazioni - chirurgia laser, ispezione visiva e movimentazione di bottiglie e bagagli - utilizzano i motori lineari perché sono estremamente affidabili, richiedono poca manutenzione e migliorano i cicli di produzione.

Maggiore velocità e forza

I motori lineari sono direttamente accoppiati al loro carico, il che elimina una serie di componenti di accoppiamento - accoppiamenti meccanici, pulegge, cinghie dentate, viti a sfera, trasmissioni a catena e cremagliere, per citarne alcuni. Questo a sua volta riduce i costi e anche il gioco. I motori lineari permettono anche un movimento coerente, un posizionamento di precisione per centinaia di milioni di cicli e velocità più elevate.

Le velocità tipiche raggiungibili con i motori lineari variano: Le macchine "pick and place" (che fanno molti movimenti brevi) e le attrezzature di ispezione usano stepper lineari con velocità fino a 60 in./sec; le applicazioni di taglio al volo e le macchine "pick and place" che fanno movimenti più lunghi usano motori lineari brushless senza ingranaggi per velocità fino a 200 in./sec; le montagne russe, i lanciatori di veicoli e le macchine per il trasporto di persone usano motori lineari a induzione AC per raggiungere velocità fino a 2.000 in./sec.

Un altro fattore che determina quale tecnologia di motore lineare è migliore: La forza richiesta per spostare il carico dell'applicazione. Il carico o la massa insieme al profilo di accelerazione dell'applicazione determinano in definitiva questa forza.

Ogni applicazione presenta sfide diverse; tuttavia, in generale, i sistemi di trasferimento delle parti utilizzano stepper lineari con forze fino a 220 N o 50 lb; i semiconduttori, il taglio laser, il taglio a getto d'acqua e la robotica utilizzano motori brushless senza ingranaggi fino a 2.500 N; i sistemi di trasporto utilizzano motori lineari a induzione AC fino a 2.200 N; e le linee di trasferimento e le macchine utensili utilizzano motori brushless con nucleo in ferro fino a 14.000 N. Tenete presente che ogni applicazione è diversa e gli ingegneri applicativi dei produttori generalmente forniscono assistenza in questa fase delle specifiche.

Esistono altri fattori oltre alla velocità e alla forza. Per esempio, i sistemi di trasporto utilizzano motori lineari a induzione ac a causa della loro lunga lunghezza di corsa, e i vantaggi di avere un secondario passivo senza magneti permanenti. Applicazioni come la chirurgia laser dell'occhio e la fabbricazione di semiconduttori usano brushless cog-free per la precisione e la fluidità della corsa.

Funzionamento di base

I motori lineari funzionano attraverso l'interazione di due forze elettromagnetiche - la stessa interazione di base che produce la coppia in un motore rotativo.

Immaginate di tagliare un motore rotativo e poi di appiattirlo: Questo dà un'idea approssimativa della geometria di un motore lineare. Invece di accoppiare il carico a un albero rotante per la coppia, il carico è collegato a una macchina piatta in movimento per il movimento lineare e la forza. In breve, la coppia è l'espressione del lavoro che un motore rotativo fornisce, mentre la forza è l'espressione del lavoro del motore lineare.

Precisione

Consideriamo prima un sistema tradizionale rotativo passo-passo: Collegato a una vite a sfera con un passo di 5 giri per pollice, la precisione è approssimativamente da 0,004 a 0,008 pollici, o da 0,1 a 0,2 mm. Un sistema rotativo alimentato da un servomotore è accurato da 0,001 a 0,0001 pollici.

Al contrario, un motore lineare accoppiato direttamente al suo carico dà una precisione che va da 0,0007 a 0,000008 pollici. Si noti che l'accoppiamento e il gioco della vite a sfera non sono inclusi in queste cifre, e questi degradano ulteriormente la precisione dei sistemi rotanti.

La precisione relativa varia: Il tipico stepper rotativo che descriviamo qui può ancora posizionare accuratamente entro il diametro di un capello umano. Detto questo, i servi migliorano questo di un fattore fino a 80 volte, mentre un motore lineare può migliorare ulteriormente - fino a 500 volte più piccolo del diametro del capello umano.

A volte la manutenzione e il costo (durante la vita dell'attrezzatura) sono considerazioni più importanti della precisione. I motori lineari eccellono anche qui: I costi di manutenzione generalmente diminuiscono con l'uso dei motori lineari, poiché le parti senza contatto migliorano il funzionamento della macchina e aumentano il tempo medio tra i guasti. Inoltre, il gioco zero dei motori lineari elimina gli urti, il che allunga ulteriormente la vita della macchina. Altri benefici: Il tempo tra i cicli di manutenzione può essere aumentato, permettendo un maggiore flusso operativo. Meno manutenzione e meno personale coinvolto migliorano la linea di fondo - il profitto - e riducono i costi di proprietà durante la vita dell'attrezzatura.

Benefici comparati

Le applicazioni richiedono un movimento lineare. Se si usa un motore rotativo, è necessario un meccanismo di conversione meccanica per convertire il movimento rotativo in lineare. Qui, i progettisti scelgono il meccanismo di conversione più adatto all'applicazione minimizzando le limitazioni.

Motore lineare contro cinghia e puleggia: Per ottenere il movimento lineare da un motore rotativo, un approccio comune è quello di utilizzare una cinghia e una puleggia. Tipicamente, la forza di spinta è limitata dalla resistenza alla trazione della cinghia; rapidi avvii e arresti possono causare l'allungamento della cinghia e quindi la risonanza, con conseguente aumento del tempo di assestamento. L'avvolgimento meccanico, il gioco e l'allungamento della cinghia abbassano anche la ripetibilità, la precisione e la produttività della macchina. Poiché la velocità e la ripetibilità sono il nome del gioco nel servomotore, questa non è la scelta migliore. Laddove un design con puleggia a cinghia può raggiungere i 3 m/sec, il lineare può raggiungere i 10 m/sec. Senza alcun gioco o accumulo, i motori lineari ad azionamento diretto aumentano ulteriormente la ripetibilità e la precisione.

Motore lineare rispetto a cremagliera e pignone: Le cremagliere e i pignoni forniscono più spinta e rigidità meccanica rispetto ai design a cinghia e puleggia. Tuttavia, l'usura bidirezionale nel tempo porta a ripetibilità e imprecisioni discutibili - i principali svantaggi di questo meccanismo. Il gioco impedisce al feedback del motore di rilevare l'effettiva posizione del carico, portando all'instabilità - e costringendo a guadagni inferiori e a prestazioni complessive più lente.Al contrario, le macchine alimentate da motori lineari sono più veloci e si posizionano più accuratamente.

Motore lineare contro vite a sfere: L'approccio più comune per convertire il movimento da rotativo a lineare è quello di usare un piombo o una vite a sfera. Queste sono poco costose ma meno efficienti: Le viti a piombo in genere il 50% o meno, e le viti a sfera, circa il 90%. L'alto attrito produce calore e l'usura a lungo termine riduce la precisione. La distanza di spostamento è limitata meccanicamente. Inoltre, i limiti della velocità lineare possono essere estesi solo aumentando il passo, ma questo degrada la risoluzione posizionale; una velocità di rotazione troppo alta può anche causare la frusta delle viti, con conseguente vibrazione.I motori lineari danno una corsa lunga e illimitata. Con un encoder sul carico, la precisione a lungo termine è tipicamente ±5 µm/300 mm.

Tipi di motori lineari di base

Così come esistono diverse tecnologie di motori rotativi, esistono anche diversi tipi di motori lineari: passo-passo, senza spazzole e a induzione lineare ac, tra gli altri. Si noti che la tecnologia lineare utilizza azionamenti (amplificatori) più posizionatori (controllori di movimento) e dispositivi di feedback (come sensori Hall ed encoder) comunemente disponibili nell'industria.

Molti progetti beneficiano di motori lineari personalizzati, ma i progetti di serie sono solitamente adatti.

I motori lineari senza spazzole con nucleo in ferro sono caratterizzati da una laminazione in acciaio nella forcella mobile per incanalare il flusso magnetico. Questo tipo di motore ha una maggiore forza nominale ed è più efficiente, ma pesa da tre a cinque volte di più dei motori senza ingranaggi di dimensioni comparabili. La piastra stazionaria consiste di magneti permanenti multipolari a polarità alternata legati su una piastra d'acciaio al nichel laminata a freddo. Le laminazioni d'acciaio sulla forcella in movimento reagiscono però con i magneti sulla piastra stazionaria, che sviluppano una forza "attrattiva" ed esibiscono una piccola quantità di cogging o ondulazione quando il motore passa da un campo magnetico all'altro con conseguenti variazioni di velocità.

Questi motori sviluppano una grande quantità di forza di picco, hanno una massa termica maggiore e una lunga costante di tempo termica - quindi sono adatti per applicazioni ad alta forza, a ciclo di lavoro intermittente che muovono carichi molto pesanti, come nelle linee di trasferimento e nelle macchine utensili; sono progettati per una corsa illimitata e possono includere più piastre mobili con traiettorie sovrapposte.

I motori senza spazzole senza ingranaggi hanno un gruppo di bobine nella forcella mobile senza lamine d'acciaio. La bobina consiste di filo, resina epossidica e struttura di supporto non magnetica. Questa unità è molto più leggera. Il design di base produce una minore quantità di forza, quindi vengono inseriti magneti aggiuntivi sulla pista stazionaria (aiuto per aumentare la forza) e la pista è a forma di U con magneti su ogni lato di questa U. Il forzante è inserito nel mezzo della U.

Questi motori sono adatti per applicazioni che richiedono un funzionamento regolare senza cogging magnetico, come le apparecchiature di scansione o di ispezione. Le loro accelerazioni più elevate sono utili nel pick and place dei semiconduttori, nello smistamento dei chip e nell'erogazione di saldature e adesivi. Questi motori sono progettati per una corsa illimitata.

Gli stepper lineari sono disponibili da molto tempo; il forzante in movimento consiste in nuclei di acciaio laminato scanalati con precisione con denti, un singolo magnete permanente e bobine inserite nel nucleo laminato. (Si noti che due bobine risultano in uno stepper bifase.) Questo gruppo è incapsulato in un alloggiamento di alluminio.

La piastra stazionaria consiste in denti incisi fotochimicamente su una barra d'acciaio, rettificata e nichelata. Questo può essere impilato end-to-end per una lunghezza illimitata. Il motore è completo di forcella, cuscinetti e piastra. La forza attrattiva del magnete è usata come precarico per i cuscinetti; permette anche di far funzionare l'unità in una posizione invertita per una varietà di applicazioni.

I motori a induzione CA sono costituiti da un forzante che è un gruppo di bobine composto da lamine d'acciaio e avvolgimenti di fase. Gli avvolgimenti possono essere monofase o trifase. Questo permette un controllo diretto online, o un controllo attraverso un inverter o un azionamento vettoriale. La piastra stazionaria (chiamata piastra di reazione) consiste di solito in un sottile strato di alluminio o di rame incollato su acciaio a freddo.

Una volta che la bobina del forzante è eccitata, interagisce con la piastra di reazione e si muove. Velocità più elevate e lunghezze di corsa illimitate sono i punti di forza di questo design; sono utilizzati per la movimentazione dei materiali, per il trasporto di persone, per i trasportatori e per i cancelli scorrevoli.

Nuovi concetti di design

Alcuni degli ultimi miglioramenti del design sono stati implementati attraverso la reingegnerizzazione. Per esempio, alcuni motori lineari passo-passo (originariamente progettati per fornire il movimento in un piano) sono ora riprogettati per fornire il movimento in due piani - per il movimento X-Y. Qui, il forzante mobile consiste di due stepper lineari montati ortogonalmente a 90° in modo che uno fornisca il movimento sull'asse X e l'altro quello sull'asse Y. Sono possibili anche forzatori multipli con traiettorie sovrapposte.

In questi motori a due piani, la piattaforma stazionaria (o platina) utilizza una nuova costruzione composita per la resistenza. Anche la rigidità è migliorata, quindi la deflessione è ridotta dal 60 all'80% rispetto ai modelli di produzione precedenti. La planarità della piastra supera i 14 micron per 300 mm per un movimento preciso. Infine: Poiché gli stepper hanno una forza attrattiva naturale, questo concetto permette di montare la piastra a faccia in su o invertita, fornendo così versatilità e flessibilità per le applicazioni.

Un'altra innovazione ingegneristica - il raffreddamento ad acqua - estende la capacità di forza dei motori lineari a induzione ac del 25%. Con questa estensione della capacità, così come il vantaggio di una lunghezza di corsa illimitata, i motori a corrente alternata forniscono le massime prestazioni per molte applicazioni: giostre, movimentazione bagagli e trasporto di persone. La velocità è variabile (da 6 a 2.000 in./sec) attraverso azionamenti a velocità regolabile attualmente disponibili nell'industria.

Un altro motore include un alloggiamento cilindrico stazionario con una parte mobile lineare per fornire il movimento. La parte mobile può essere un'asta costituita da acciaio rivestito di rame, una bobina mobile o un magnete mobile, come un pistone in un cilindro.

Questi design forniscono i vantaggi di un motore lineare più prestazioni simili a quelle di un attuatore lineare. Le applicazioni includono colonscopie biomediche, macchine fotografiche con lunghi attuatori di otturazione, telescopi che richiedono lo smorzamento delle vibrazioni, motori di messa a fuoco per la litografia, ingranaggi di interruttori di generatori che tirano gli interruttori per mettere in linea i generatori, e pressatura del cibo - come quando si stampano le tortillas.

Pacchetti di motori lineari completi o stadi sono adatti al posizionamento di carichi utili. Questi consistono di motore, encoder di feedback, finecorsa e portacavi. È possibile impilare gli stadi per il movimento multiasse.

Un vantaggio degli stadi lineari è il loro profilo più basso, che permette loro di entrare in spazi più piccoli rispetto ai posizionatori convenzionali. Un minor numero di componenti garantisce una maggiore affidabilità. Qui, il motore è collegato ad azionamenti regolari. In un funzionamento ad anello chiuso, l'anello di posizione viene chiuso con un controllore di movimento.

Di nuovo, oltre ai prodotti di serie, abbondano i design personalizzati e speciali. Alla fine, è meglio rivedere le esigenze dell'attrezzatura con un ingegnere applicativo per determinare il prodotto lineare ottimale adatto alle esigenze dell'applicazione.