Modulo motore lineare: il buono, il brutto e il cattivo

Applicazioni del modulo asse Z per motori lineari ad albero, a forma di U e senza ferro.

Un motore lineare può essere pensato come un servomotore rotativo srotolato e appiattito per produrre un movimento fondamentalmente lineare. Un attuatore lineare tradizionale è un elemento meccanico che converte il movimento rotatorio di un servomotore rotativo in una corsa rettilinea. Entrambi offrono un movimento lineare ma con caratteristiche prestazionali e compromessi molto diversi. Non esiste una tecnologia superiore o inferiore: la scelta di quale utilizzare dipende dall'applicazione. Diamo un'occhiata più da vicino.

La regola empirica per i motori lineari è che brillano in applicazioni che richiedono un'elevata accelerazione, alte velocità o alta precisione. Nella metrologia dei semiconduttori, ad esempio, dove la risoluzione e la produttività sono fondamentali e anche un'ora di inattività può costare decine di migliaia di dollari, i motori lineari rappresentano la soluzione ideale. Ma che dire di una situazione meno impegnativa?

Uno dei primi problemi con i motori lineari era la competitività dei costi. I motori lineari richiedono magneti in terre rare, che rappresentano uno dei fattori limitanti per la lunghezza della corsa. Certo, in teoria, i magneti possono essere allineati praticamente all'infinito, ma in realtà, a parte la sfida di garantire una rigidità sufficiente su una corsa lunga, i costi aumentano, in particolare per i progetti di canali a U.

I motori con nucleo in ferro possono generare la stessa forza utilizzando magneti più piccoli rispetto all'equivalente design senza ferro, quindi se il muscolo è il requisito principale e le specifiche delle prestazioni sono sufficientemente rilassate da tollerare alcuni disturbi della forza di cogging con conseguenti errori di posizione dinamica o velocità, il nucleo in ferro potrebbe essere l'approccio migliore. Se i requisiti di prestazione sono ancora più flessibili, dell'ordine di micron piuttosto che di nanometri, forse la combinazione di attuatori lineari fornisce il compromesso più appropriato: scegli un attuatore lineare per il confezionamento di farmaci, diciamo, ma un motore lineare per il sequenziamento del DNA della scoperta di farmaci .

Lunghezza del viaggio

Sebbene esistano numerose eccezioni, la lunghezza ottimale della corsa per i motori lineari varia da un paio di millimetri a diversi metri. Al di sotto di questo, un'alternativa come una flessione potrebbe essere più efficace; sopra, le trasmissioni a cinghia e quindi i design a pignone e cremagliera sono probabilmente scommesse migliori.

La lunghezza della corsa dei motori lineari è limitata non solo dal costo e dalla stabilità di montaggio, ma anche dal problema della gestione dei cavi. Per generare il movimento, il forzatore deve essere alimentato, il che significa che i cavi di alimentazione devono viaggiare con esso per l'intera lunghezza della corsa. I cavi ad alta flessibilità e le canaline che li accompagnano sono costosi e il fatto che il cablaggio sia il principale singolo punto di errore nel controllo del movimento complica ulteriormente il problema.

Naturalmente, la natura stessa dei motori lineari può fornire una soluzione intelligente a questo problema. Dove abbiamo queste preoccupazioni, monteremo il forzatore sulla base fissa e sposteremo la pista magnetica. In questo modo, tutti i cavi arrivano al forzatore stazionario. Ottieni un'accelerazione leggermente inferiore da un dato motore perché non stai accelerando una bobina, stai accelerando una traccia magnetica, che è più pesante. Se lo facessi per i Sol alti, non andrebbe bene. Se davvero non hai un'applicazione ad alta gravità, questo potrebbe essere un ottimo design.

Profeta cita i servomotori lineari Aerotech con forze di picco che vanno da 28 a 900 libbre, ma anche in questo caso il design fondamentale dei motori lineari si presta a soluzioni uniche che offrono molto di più. Abbiamo clienti che prenderanno i nostri motori lineari più grandi, ne metteranno insieme sei e genereranno quasi 6000 libbre di forza. Puoi mettere più forzatori in più tracce, fissarli meccanicamente insieme e poi commutarli tutti insieme in modo che agiscano come un unico motore; oppure puoi inserire più forzatori nella stessa pista magnetica e montarli sul carrello che trattiene il carico e trattarli come un unico motore.

Dal momento che viviamo nel mondo reale ed è impossibile far corrispondere esattamente la commutazione, c'è una penalità di efficienza di una piccola percentuale da pagare per questo approccio, ma può comunque produrre la migliore soluzione completa per una data applicazione.

Testa a testa

Dal punto di vista della forza, come si impilano i motori lineari rispetto alle combinazioni motore rotativo/attuatore lineare? C'è un significativo compromesso di forza, confrontiamo un motore lineare slotless a otto poli largo 4 pollici con un prodotto a vite largo 4 pollici. Il nostro motore lineare a otto poli ha una forza massima di 40 libbre (180 N) e una forza continua di 11 libbre (50 N). In questo stesso profilo con un servomotore NEMA 23 e il nostro prodotto a vite, il carico assiale massimo è di 200 libbre, quindi se lo guardi in questo modo, stai osservando sostanzialmente una riduzione di 20 volte della forza continua.

I risultati effettivi varieranno a seconda del passo della vite, del diametro della vite, delle bobine del motore e del design del motore, fa presto notare, e sono limitati dai cuscinetti assiali che supportano la vite. Il motore lineare con nucleo in ferro largo 13 pollici dell'azienda può generare 1600 libbre di forza assiale di picco rispetto alle 440 libbre fornite da un prodotto con azionamento a vite largo 6 pollici, ad esempio, ma la quantità di spazio a disposizione è considerevole.

Per parafrasare uno slogan politico, è l'applicazione, stupida. Se la densità di forza è la preoccupazione principale, allora un attuatore è probabilmente la scelta migliore. Se l'applicazione richiede reattività, ad esempio in un'applicazione ad alta precisione e ad alta accelerazione come l'ispezione LCD, vale la pena sacrificare l'ingombro e la forza per ottenere le prestazioni necessarie.

Mantenerlo pulito

La contaminazione è un problema importante per il controllo del movimento negli ambienti di produzione e i motori lineari non fanno eccezione. Un grosso problema con il design del motore lineare standard è l'esposizione alla contaminazione, come particelle solide o umidità. Questo è vero per i design "flatbed" e meno problematico per i design [con canale a U].

È molto difficile sigillare completamente la soluzione. Non vuoi essere in un ambiente ad alta umidità. Se hai intenzione di inserire un motore lineare in un'applicazione di taglio a getto d'acqua, devi esercitare una pressione positiva su di esso e assicurarti che sia ben protetto perché l'elettronica del motore lineare è proprio lì con l'azionamento.

Nel caso dei progetti di canali a U, l'inversione della U può ridurre al minimo la possibilità che le particelle entrino nel canale, ma ciò crea problemi di gestione termica che possono compromettere le prestazioni come risultato dello spostamento della massa della rotaia del magnete rispetto allo spostamento della massa del forzante . Ancora una volta, è un compromesso e, ancora una volta, l'applicazione guida l'utilizzo.

Non è solo l'ambiente che può influenzare il motore lineare: il motore lineare può creare problemi con l'ambiente. A differenza dei design rotanti, i grandi magneti nelle unità lineari possono devastare l'ambiente circostante magneticamente sensibile, ad esempio nelle macchine per la risonanza magnetica (MRI). Può anche essere un problema in un'applicazione più prosaica come il taglio dei metalli. Ottieni questi magneti ad alta forza che cercano di trascinare ciascuno di questi trucioli di metallo sulla pista del magnete, quindi i motori lineari non funzioneranno bene in quei tipi di applicazioni senza un'adeguata protezione.

Informazioni sulle applicazioni del settore

Allora, qual è il punto debole dell'applicazione per i motori lineari? Metrologia, per cominciare, in aree come la produzione di semiconduttori, LED e LCD. Anche la stampa digitale di insegne di grandi dimensioni è un mercato in crescita, così come il settore biomedico, e anche la produzione di piccoli pezzi, i nostri clienti dispongono coppie di motori lineari in configurazioni gantry per le attività di assemblaggio. Vuoi ottenere la massima produttività possibile, quindi l'elevata accelerazione e velocità che puoi ottenere da questi motori è vantaggiosa. Una cosa che abbiamo fatto ultimamente è la produzione di celle a combustibile; il taglio dello stampino è un altro.

Questo risponde alla domanda su dove, ma per quanto riguarda la domanda su quanto? La tecnologia dei motori lineari è in fase di sviluppo da decenni, quindi dov'è in termini di accettazione da parte del mercato? Non li incontriamo spesso a causa del costo, ma in alcune applicazioni hanno molto senso.

Lo attribuiamo al ciclo di vita del consumatore. Hai gli innovatori, i primi ad adottare, la maggioranza iniziale, la maggioranza tardiva e i ritardatari. Ora siamo nella fase in cui sta diventando sempre più comune utilizzare un motore lineare. Stiamo passando a quella fase di maggioranza iniziale.

Il prezzo dei motori lineari sta scendendo man mano che ottimizziamo il processo di produzione e i volumi aumentano, quindi li vediamo in sempre più applicazioni, [Aerotech] produce anche stadi con viti a ricircolo di sfere. Direi che a questo punto stiamo vendendo tanti stadi con motore lineare, se non di più, rispetto agli stadi con vite a ricircolo di sfere. Li stiamo inserendo in un numero sempre maggiore di applicazioni. Dieci anni fa, la maggior parte delle applicazioni erano in stile laboratorio, in ambienti puliti. Li stiamo inserendo in tipi di operazioni molto più industriali ora. Uno dei segmenti di cui mi occupo è quello automobilistico e abbiamo inserito i motori lineari in molte più applicazioni automobilistiche.

A seconda della tua configurazione, puoi quasi ottenere una soluzione di motore lineare per meno di quanto costerebbe una trasmissione a cinghia. Hai il vantaggio di un motore lineare con l'azionamento diretto, il tempo di risposta rapido e nessuna rigidità della molla come la cinghia per un prezzo molto simile. Lo svantaggio è che non hai quel vantaggio meccanico della cinghia e della puleggia/riduttore per darti quella forza extra.

Aspetti positivi e negativi: questo riassume davvero tutto. Considera attentamente la tua candidatura, comprendi le tue esigenze, determina dove risiede la tua flessibilità. Una volta che sai come pensare ai tuoi compromessi, sarai in grado di prendere una decisione informata sul fatto che un motore lineare o una sorta di attuatore lineare soddisfino al meglio le tue esigenze.