Reti e Sistemi per l‟Automazione
Motion Control
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Motion Control - 1
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Sensori per il Motion Control
◊ Posizione
◊ Potenziometri, Encoder, Resolver, Trasformatore
Differenziare Lineare (LVDT)
Reti e Sistemi per l‟Automazione
◊ Velocità
◊ Encoder, Dinamo Tachimetrica
◊ Forza/Coppia
◊ celle di carico, torsiometri, sensori di forza/coppia
◊ Accelerazione
◊ accelerometri
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Motion Control - 2
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Reti e Sistemi per l‟Automazione
Potenziometri
◊ Misurano la rotazione o lo
spostamento lineare grazie ad
un cursore su un deposito
resistivo
◊ Sfruttano il principio del
partitore resistivo
Rotativi
Lineari
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Motion Control - 3
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Encoders
Reti e Sistemi per l‟Automazione
◊ Misurano rotazioni relative ed assolute
◊ Possono essere utilizzati anche per misure di
velocità
Giunto
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Motion Control - 4
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Encoder Relativi
Reti e Sistemi per l‟Automazione
◊ Due onde quadre sfasate di
90° consentono di
determinare spostamento
angolare e direzione della
rotazione
◊ Il terzo canale fornisce uno
zero di riferimento
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Motion Control - 5
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Encoder Assoluti
Reti e Sistemi per l‟Automazione
◊ Ogni posizione viene codificata con n bit (fino a 12/14)
◊ Codifica Gray (varia solo un bit tra due configurazioni adiacenti)
◊ Richiede un numero di sensori maggiore del precedente ma è in
grado di determinare una posizione assoluta
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Motion Control - 6
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Encoder Incrementali Lineari
◊ Lo stesso principio dell’encoder incrementale può
essere impiegato con un elemento lineare
◊ La lunghezza può anche essere maggiore di un metro
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◊ La precisione fino al mm
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Motion Control - 7
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Resolver
Reti e Sistemi per l‟Automazione
◊ I due avvolgimenti mobili, in quadratura tra di loro,
presentano una tensione alternata dipendente dal seno
e dal coseno dell’angolo
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Motion Control - 8
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Reti e Sistemi per l‟Automazione
Trasformatore differenziale lineare (LVDT)
◊ Misurano lo spostamento
lineare sfruttando la
variazione
dell’accoppiamento
magnetico
◊ La risoluzione può essere
dell’ordine dei micron, il
campo di misura massimo di
pochi centimetri
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Motion Control - 9
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Dinamo Tachimetrica
Reti e Sistemi per l‟Automazione
◊ Dalla rotazione di un
avvolgimento in un campo
magnetico si crea una
corrente che viene tradotta
in una differenza di
potenziale
Albero sporgente
Asse cavo
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Motion Control - 10
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Forza/Coppia
◊ Estensimetri montati su una struttura metallica
che si deforma per l’applicazione di forze o
momenti
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Cella di carico a tre componenti
Torsiometro
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Motion Control - 11
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Accelerazione
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◊ L’ accelerometro piezoelettrico determina
la forza con la quale una massa nota
comprime il materiale piezoelettrico
stesso
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Motion Control - 12
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Reti e Sistemi per l‟Automazione
Motori Elettrici
◊ I motori elettrici impiegati devono rispondere
ad alcuni fondamentali requisiti per un buon
controllo: complicazione dei circuiti di controllo
e di misura, accuratezza nel posizionamento,
semplicità, valore della coppia in funzione della
velocità. I tipi di motori più usati sono:
◊ I motori in continua (DC) formati da una gabbia di tanti fili
che vengono attraversati dalla corrente alternativamente, a
seconda del contatto con delle spazzole
◊ I motori passo-passo (stepper) convertono ingressi
costituiti da tanti impulsi in altrettanti piccoli movimenti
dell‟asse, sfruttando fenomeni di attrazione e repulsione
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Motion Control - 13
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Reti e Sistemi per l‟Automazione
Motori Elettrici
motore stepper
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motore
brushed
Motion Control - 14
motore
brushless
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Reti e Sistemi per l‟Automazione
◊ Convertono impulsi in ingresso
in movimenti angolari in
uscita, basandosi su principi di
attrazione e repulsione.
Applicando una tensione,
generano coppia ma non
generano movimento: per
avere movimento ci deve
essere un commutatore che
inverte la polarità (un motore
in continua commuta
automaticamente)
◊ Un motore stepper a ciclo
aperto, se non pilota carichi
eccessivamente grandi a
notevoli accelerazioni e non fa
estensivo uso di microsteps,
può essere una valida
alternativa a basso costo per
un motore in continua
controllato a ciclo chiuso, in
quanto il numero di impulsi è
un buon indicatore della
rotazione
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Motion Control - 15
Motori stepper
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Reti e Sistemi per l‟Automazione
Motori stepper
◊ Facilità di implementazione di controllori digitali
◊ Elettronica di commutazione piuttosto complessa ma nessun
contatto, quindi più resistente
◊ Riscaldamento notevole del motore per le correnti sempre
presenti
◊ Ad asse fermo la coppia è massima, diminuisce con la velocità
◊ Possibilità di risonanze, da evitare con tecnologia
microstepping (commutando su più avvolgimenti insieme)
◊ Nessun controllore d‟asservimento
◊ Buone prestazioni sull‟errore di posizione
◊ Viene spesso usata una tecnologia chopper per ridurre il tempo
di salita
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Motion Control - 16
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Motori Stepper
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◊ Pro:
◊ Elevata robustezza meccanica ed elettronica
◊ Elevata precisione
◊ Possibilità di raggiungere basse velocità, mantenendo anche
coppie elevate
◊ Non hanno bisogno di feedback
◊ Sono in grado di mantenere il carico, sviluppando da fermi una
coppia di tenuta anche in assenza di alimentazione
◊ Assenza di spazzole e sovraelongazioni
◊ Contro:
◊ Necessità di elettronica di controllo
◊ Accelerazioni e velocità minori
◊ Problematiche legate alle vibrazioni
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Motion Control - 17
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Reti e Sistemi per l‟Automazione
Motori in continua
◊ Sostanzialmente sono costituiti da un rotore messo in un
campo magnetico, con una corrente applicata alle armature.
Una serie di spazzole interne variano automaticamente il
campo magnetico generato dagli avvolgimenti, generando
rotazione. La velocità di rotazione è proporzionale alla tensione
applicata, la coppia fornita è proporzionale alla corrente
assorbita. Sono caratterizzati da alte velocità massime, profili
dolci di coppia, intervallo di velocità raggiungibili molto ampio
(2-3 ordini di grandezza).
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Motion Control - 18
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Reti e Sistemi per l‟Automazione
Motori in continua
◊ Necessità di un tachimetro per chiudere la controreazione, con
annessi convertitori A/D e D/A
◊ Facilità di commutazione dovuta all‟uso dei contatti (spazzole)
◊ Le spazzole sono soggette a usura
◊ Pochi rischi di surriscaldamento
◊ La coppia aumenta con la velocità (ad asse fermo la coppia è
poca)
◊ Poco rischio di risonanza
◊ Necessità di un controllore dedicato, come un PID
◊ La precisione nell‟asservimento dipende dalle caratteristiche
del PID
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Motion Control - 19
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Motori in continua brushed
◊ Pro:
Reti e Sistemi per l‟Automazione
◊ Facilità di regolazione
◊ Modello matematico molto semplice
◊ Alte velocità
◊ Contro:
◊
◊
◊
◊
Perdite elettriche e meccaniche dovute alle spazzole
Produce scintille ed eccessivo rumore
Soggetti a deterioramento
Necessità di feedback nel controllo
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Motion Control - 20
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Reti e Sistemi per l‟Automazione
Motori Brushless
◊ Un caso particolare di motori controllati in corrente continua,
sono i motori brushless: senza spazzole, il meccanismo della
commutazione è gestito elettronicamente.
◊ Permettono velocità maggiori, elevate coppie di spunto,
rendimento e affidabilità maggiori
◊ L„assenza di contatti fisici semplifica la manutenzione e
prolunga la vita operativa del motore.
◊ La potenza fornita genera solo coppia e non campo.
◊ Funzionamento in ambiente ostile ma non in presenza di
polveri ferromagnetiche.
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Motion Control - 21
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Motori Brushless
Reti e Sistemi per l‟Automazione
◊ Pro:
◊
◊
◊
◊
◊
◊
◊
Assenza di spazzole
Dissipazione termica più facile
Riduzione del momento di inerzia del rotore
Riduzione delle dimensioni
Coppie e velocità maggiori (banda passante maggiore)
Modello matematico molto semplice (come i motori c.c.)
Modulo di alimentazione o in c.c. o in c.a.
◊ Contro:
◊ Necessitano di controllo in controreazione
◊ È più difficile avere coppie costanti
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Motion Control - 22
Stefano Panzieri
Motori lineari
Reti e Sistemi per l‟Automazione
◊ Idealmente i motori lineari si possono considerare
ottenuti “srotolando” su un piano i motori
rotativi. Pertanto i principi fisici alla base del loro
funzionamento sono identici a quelli dei
convenzionali motori elettrici
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Motion Control - 23
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Azionamenti Industriali
◊ Controllo di posizione
◊ Profili di velocità (trapezoidale, …)
◊ Gearing (movimento a rapporto fisso)
Reti e Sistemi per l‟Automazione
◊ Controllo di velocità
◊ Jog (procedere lentamente ma costantemente)
◊ Controllo di forza/coppia
◊ Per avvolgimento controllato o inserimento di
parti meccaniche
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Motion Control - 24
Stefano Panzieri
Reti e Sistemi per l‟Automazione
Funzionalità Disponibili negli Azionamenti
Programmabili
◊
◊
◊
◊
◊
Configurazione sensori e attuatori
Tuning dei Loop
Input/Output digitali
Input/Output analogici
Modalità di Moto
◊ Jog
◊ Move
◊ Gear
◊ Programmazione
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Motion Control - 25
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Loop di velocità
Reti e Sistemi per l‟Automazione
◊ Parametri
◊
◊
◊
◊
◊
Guadagno proporzionale (P)
Guadagno integrale (I)
Guadagno di accelerazione in feedforward (FF)
Banda passante
Massima corrente (positiva e negativa) sopportabile dal motore
FF
Ampl
P + I/s
Motore
velocità
-
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Motion Control - 26
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Loop di posizione
◊ Parametri
Reti e Sistemi per l‟Automazione
◊ Guadagno proporzionale (Kp)
◊ Guadagno integrale (Ki)
◊ Guadagno del feedforward di velocità (Kff)
Kff
Kp+Ki/s
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Motore + loop
di velocità
Motion Control - 27
1/s
posizione
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Modalità Move
◊ Nella modalità move l’asse viene portato in
una posizione predeterminata
◊ Parametri
Reti e Sistemi per l‟Automazione
◊ Distanza, Velocità, Accelerazione, Decelerazione
◊ Stato
◊ Idle (in attesa),
◊ Seeking (si sta muovendo)
◊ Locked (bloccato, frenato)
profilo trapezoidale di velocità
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Motion Control - 28
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Indexing
Reti e Sistemi per l‟Automazione
◊ Possibilità di definire dei profili
richiamabili successivamente
◊ Movimenti misti: composti da più index
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Motion Control - 29
Stefano Panzieri
Spostamenti
◊ Incrementale
◊ Movimenti riferiti alla posizione corrente
Reti e Sistemi per l‟Automazione
◊ Assoluto
◊ Movimenti riferiti alla posizione di home
◊ Registration
◊ Movimenti riferiti alle posizioni di un marker/tag
inserito direttamente nel motore o riconosciuto
tramite un sensore digitale
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Motion Control - 30
Stefano Panzieri
Modalità di Jog
◊ La modalità di Jog serve a portare l’asse
controllato a una velocità prefissata
◊ Comandi
Reti e Sistemi per l‟Automazione
◊ Start/stop, forward/reverse, soft stop
◊ Stati
◊ Stopped (fermato), Forward, Reverse
◊ Parametri
◊ Velocità, Accelerazione, Decelerazione
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Motion Control - 31
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Reti e Sistemi per l‟Automazione
Modalità Gear
◊ Nella modalità di gearing l’asse
controllato “slave” segue, con un
rapporto prefissato, il movimento
dell’asse “master” (spesso misurato
con un encoder)
◊ Parametri
◊ Rapporto di Gearing
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Motion Control - 32
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Funzionalità Avanzate
Reti e Sistemi per l‟Automazione
◊ Rampe dinamiche (trapezoidali, a S, paraboliche)
◊ Autotaratura dei loop
◊ Cambio al volo della modalità di controllo
(coppia/velocità/posizione)
◊ Albero elettrico a rapporto variabile
◊ Camme in posizione e tempo
◊ Registrazione data degli allarmi
◊ S.O. real time multitask con priorità programmabili
◊ Sincronizzazioni tra i vari task di movimento
◊ Acquisizione quote al volo (su trigger esterni)
◊ Posizionamenti complessi (traiettorie composte con
più assi)
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Motion Control - 33
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Reti e Sistemi per l‟Automazione
Graphic Motion Language (GML)
◊ Linguaggio grafico per
algoritmi di
movimentazione
◊ I blocchi
rappresentano
◊ Comandi di moto
◊ Comandi di input/ouput
digitale o analogico
◊ Diramazioni condizionate
◊ I link impongono
relazioni di
precedenza
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Motion Control - 34
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Reti e Sistemi per l‟Automazione
Linguaggi di Programmazione Grafici
◊ GML, Labview, …
◊ I linguaggi grafici
permettono una
programmazione
veloce ed intuitiva
◊ Gli schemi prodotti
sono spesso autodocumentanti
◊ Le schermate sono
context-sensitive e
complete di help
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Motion Control - 35
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Inline Bottle Filler
◊ La linea per il riempimento di bottiglie è una tipica applicazione di un
sistema di motion control generalmente riferito a una Flying Shear.
◊ Questa applicazione è comune a diverse lavorazioni come il riempimento,
il taglio, la punzonatura, lo stampaggio, l‟etichettatura e la stampa.
Reti e Sistemi per l‟Automazione
◊ Le applicazioni del Flying Shear richiedono che la lavorazione sia eseguita
su di un oggetto mentre questo è in movimento.
◊ Un controllo di Flying Shear deve accelerare da una posizione di stasi per
raggiungere la velocità dell‟oggetto in movimento in un punto specifico, e
quindi mantenere una sincronizzazione di posizione e velocità mentre la
lavorazione è in atto.
◊ Una volta che la lavorazione è completa l‟utensile deve decelerare fino a
fermarsi e ritornare alla posizione iniziale (o a quella di home).
◊ Quando un nuovo pezzo si avvicina il processo si ripete.
◊ Il movimento del Flying Shear avviene entro una distanza fissa che non
può essere superata, così il controllore deve accelerare, inseguire il pezzo
mentre la lavorazione è in atto, e decelerare entro questa distanza
garantendo la massima produttività della macchina.
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Motion Control - 36
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Reti e Sistemi per l‟Automazione
Vantaggi di un servo-system
Il movimento segue automaticamente la velocità della macchina
così non è necessario riprogrammare se tale velocità o se il sistema
cambia
La capacità di interfaccia operatore dell’Ultra 5000 permette veloci
set-up e
conversioni tra
differenti dimensioni
e spaziature
Accurato e ripetibile,
il controllo digitale
permette grandi
produzioni con il
minimo spreco
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Motion Control - 37
Stefano Panzieri
Reti e Sistemi per l‟Automazione
Press Feed
◊
In un tipico sistema di Press Feed in cui non siano presenti camme elettroniche, il
servo motore guida una serie di rulli che conducono i pezzi verso la pressa.
◊
Un encoder di posizione sul volano della pressa deve monitorare la locazione del
meccanismo della pressa (l‟angolazione della pressa) e determinare quando il pezzo
può essere inserito nella pressa.
◊
Il sistema deve poter permettere all‟operatore il controllo dell‟entità del movimento.
◊
Per minimizzare il logoramento della macchina e massimizzare la produzione, è
desiderabile che il materiale sia immesso nella pressa oltre una fissata percentuale
del ciclo di macchina usando degli andamenti dell‟accelerazione non lineari.
◊
Quando la pressa si muove lentamente anche l‟alimentazione dei pezzi deve essere
lenta, quando la pressa si muove velocemente altrettanto fa il nastro alimentatore.
◊
La capacità di registrazione è anche richiesta per alcune lavorazioni.
◊
Comunque, in ogni sistema elettronico per il controllo di posizione, c‟è un ritardo tra
il punto quando il master encoder genera il comando di movimento per
l‟alimentazione, e quando questo effettivamente avviene.
◊
L‟errore che può scaturire da questo ritardo è significativamente influenzato dal
tempo di ciclo del sistema e dalla velocità con la quale il motion controller esegue
ogni evenienza del programma. Un modo semplice di eliminare questo problema
consiste nell‟utilizzo di camme elettroniche.
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Motion Control - 38
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Reti e Sistemi per l‟Automazione
Soluzione
L’Ultra 5000 con camme permette un’interfaccia operatore personalizzata
per un sistema di alimentazione di una pressa. Un profilo elettronico di
camma è usato per definire la posizione dei rulli come una funzione del
main drive della pressa. Il programma utente può suggerire all’operatore
la necessità di alimentazione. Le variabili di programma permettono
l’evenienza di cambiamenti facilmente e anche durante l’operazione.
Variabili non volatili
conservano i dati
dell’operatore anche
a macchina spenta.
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Motion Control - 39
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Reti e Sistemi per l‟Automazione
Rotatory Knife
◊
Sistemi di Rotatory Knife sono ampliamente usati nelle industrie di stampa. Una lama
rotante deve andare più o meno veloce a seconda che sia o meno in contatto col
pezzo e per far si che il pezzo venga tagliato nella dimensione richiesta.
◊
Un meccanismo di Rotatory Knife consiste in un cilindro con una o più lame
posizionate lungo l‟asse longitudinale. Il cilindro ruota e taglia il materiale che gli
scorre sotto.
◊
Se la velocità tangenziale della lama raggiunge quella del materiale sul nastro, la
lunghezza del materiale tagliato diviene uguale alla circonferenza della lama. Se tale
velocità è maggiore saranno prodotti pezzi di dimensioni inferiori, se è minore
saranno prodotti pezzi di dimensioni maggiori.
◊
Per ottenere la più alta qualità di taglio possibile e per evitare di danneggiare il
materiale sul nastro, la velocità tangenziale della lama deve eguagliare la velocità
lineare del nastro nel tempo in cui la lama è a contatto con il materiale da tagliare.
◊
Così, per ottenere tagli più brevi della circonferenza della lama circolare, questa deve
girare più velocemente quando non è in contatto col materiale, e poi rallentare per
raggiungere la velocità del nastro quando è in contatto. L‟opposto si verifica quando
si vogliono ottenere tagli più lunghi della circonferenza della lama.
◊
Per variare la lunghezza dei tagli del materiale, il controllore è costretto a variare la
velocità della lama a differenti valori durante la porzione di ciclo quando questa non è
in contatto con il materiale.
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Motion Control - 40
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Reti e Sistemi per l‟Automazione
Soluzione
L’Ultra5000 con camma è usato per controllare un
sistema a lama circolare. La presenza della camma
fornisce cambiamenti di velocità graduali ed un’esatta
sincronizzazione delle velocità quando la lama è in
contatto con il materiale.
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Motion Control - 41
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Reti e Sistemi per l‟Automazione
Spool Winder
◊
Questa applicazione richiede che il materiale sia asciugato all‟aria ed eventualmente
avvolto su un rocchetto.
◊
Sia le dimensioni del materiale, la taglia del rocchetto o il numero di giri richiesti per
uno strato determinano la corsa. Questi requisiti fanno sì che il macchinario sia molto
specifico.
◊
Un Ultra5000 Intelligent ed un servomotore brushless usato come guida traversa su
una winding machine fornirà la flessibilità per compiere una vasta gamma di obiettivi.
◊
Usando un sistema di ingranaggi elettronico, la guida e il rocchetto manterranno una
posizione relativa costante, indipendentemente dalla velocità del rocchetto stesso.
◊
◊
I trasformatori, ad esempio, richiedono spesso molti avvolgimenti con un numero di
spire variabili, dipendente dal fatto che sia primario o secondario. La misura del
conduttore dipende anche dalla capacità di corrente.
◊
Ultraware mostrerà all‟operatore della macchina informazioni sul processo attraverso
un apposito terminale. I calcoli saranno svolti dal programma per determinare quanti
strati saranno fatti, il tutto dando come ingresso le dimensioni del materiale, la
lunghezza del rocchetto ed il numero di giri richiesto per l‟avvolgimento.
◊
Mentre il rocchetto ruota, la sua posizione è trasmessa al modulo di posizionamento
tramite un encoder ottico montato sul mandrino del rocchetto. La guida traversa
segue semplicemente il rocchetto mentre viene ruotato, e si fermerà alla fine del
rocchetto una volta che questo è pieno per effettuare l‟ultimo giro, se richiesto.
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Motion Control - 42
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Reti e Sistemi per l‟Automazione
Vantaggi
Fornisce flessibilità, affinché un’ampia gamma di
applicazioni di avvolgimento possano essere effettuate
dalla stessa macchina senza, o con piccole conversioni.
Fornisce accuratezza e consistenza in processi
manifatturieri
Fornisce una semplice interfaccia operatore con il
programma di controllo
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Motion Control - 43
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Flying Shear
Reti e Sistemi per l‟Automazione
• Questa è una tipica applicazione di motion control in cui il
materiale, o il prodotto devono essere processati o tagliati
mentre sono in movimento.
• Il controllo, in questo caso, deve seguire un punto sul
prodotto, accelerare per eguagliare la velocità, e inviare un
output per far agire la macchina tagliatrice mentre viene
mantenuta la sincronizzazione con la velocità e la posizione
tracciata.
• Il Flying Shear lavora con una distanza fissata. Quando il
processo è completo, il Flying Shear deve decelerare fino ad
uno stop e ritornare alla posizione di partenza per il ciclo
successivo.
• Altre considerazioni potrebbero essere necessarie per
limitare il raggio d‟azione del Flying Shear e farlo ritornare
alla posizione iniziale in un tempo fissato, in modo da
massimizzare il throughput.
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Motion Control - 44
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Reti e Sistemi per l‟Automazione
VANTAGGI DI UN SERVO-SYSTEM
Il movimento segue automaticamente le velocità della macchina,
in questo modo non è necessario riprogrammare se cambia la
velocità del sistema.
L’interfaccia operatore dell’Ultra5000 permette veloci set-up e
cambiamenti di dimensioni e spaziature.
Il controllo digitale
produce un alto throughput
con sprechi minimi
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Motion Control - 45
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