Benvenuto in questa lezione, oggi parliamo dei motori elettrici, e lo facciamo imparando come si dimensionano in base alle esigenze dei nostri progetti.
Parleremo di carico, di velocità, di accelerazione e altro.
I motori rappresentano uno dei modi più utilizzati per muovere gli oggetti nei sistemi d’automazione industriale.
Ecco gli argomenti di oggi:
I motori nell’industria automatizzata.
La scelta del servo motore per un’applicazione.
Il momento di inerzia nel movimento dei motori.
La massa nel movimento dei motori.
La densità degli oggetti.
Il volume degli oggetti.
Calcolo del dimensionamento dei motori.
Calcolo della coppia di carico del motore.
Calcolo della velocità del motore.
Scelta del motore in base ad altri parametri.
I motori nell’industria automatizzata.
In alcune lezioni precedenti a questa, abbiamo conosciuto da vicino i motori passo passo, e i servo motori, abbiamo imparato cosa sono, come funzionano e dove vengono impiegati.
Oggi ci focalizzeremo sul dimensionamento dei motori, poiché un dimensionamento corretto ci permette di ottenere il massimo dalle nostre applicazioni, assicurando anche una durata maggiore dei motori stessi e delle apparecchiature sulle quali li applichiamo.
In particolare oggi parliamo di servo motori, che sappiamo essere utilizzati per movimentare in modo preciso assi, come per esempio quelli dei robot antropomorfi.
La scelta del servo motore per un’applicazione.
La scelta di un servo motore richiede dei calcoli e la familiarità con alcune unità di misura.
Tra gli studenti che affrontano questi argomenti, alcuni preferiscono eseguire questi calcoli manualmente (un po’ di esercizio non fa mai male), altri invece si affidano a dei fogli di Excel, oppure dei software in grado di velocizzare notevolmente le operazioni.
Questi software sono in alcuni casi sono anche in grado di suggerire i modelli di motore acquistabili, poiché contengono anche i cataloghi dei fornitori più conosciuti al mondo.
Nella prossima immagine possiamo vedere una schermata di un software per il dimensionamento dei motori servo AC della casa giapponese Mitsubishi.
I calcoli effettuabili per dimensionare il motore servono a determinare quale saranno la velocità massima, la coppia, e il momento di inerzia. Questi parametri saranno utili anche per farsi aiutare dal fornitore per scegliere l’apparecchio più adatto alle nostre esigenze.
Cominciamo con dare un’occhiata da vicino a questi parametri, partendo dal momento di inerzia.
Il momento di inerzia nel movimento dei motori.
I costruttori di motori devono sapere quanta forza serve per muovere il motore (e ciò che a esso viene collegato), la forza che supera la resistenza del carico si chiama momento di inerzia.
Il momento di inerzia quantifica la resistenza di un oggetto alla accelerazione angolare, e possiamo dire che esso sta al movimento rotazionale come la massa sta al movimento lineare.
L’inerzia nei movimenti lineari la sperimentiamo tutti i giorni quando guidiamo la nostra auto, oppure viaggiamo in treno o su qualsiasi altro mezzo.
Nel momento in cui il mezzo frena esso avanza ancora un po’ a causa della sua massa; più grande è la massa del mezzo, più forte sarà l’inerzia e di conseguenza la distanza percorsa durante la frenata sarà maggiore.
Momento di inerzia e inerzia sono due misure che quantificano la resistenza al cambiamento di stato. La massa inerziale è la forza necessaria all’accelerazione, mentre il momento di inerzia è definito come la coppia richiesta per un’accelerazione angolare.
Chiaramente, maggiore è la massa dell’oggetto da muovere, maggiore sarà la sua inerzia e quindi la forza necessaria alla sua accelerazione.
L’unità di misura per il momento di inerzia è il chilogrammo per metro quadrato, e viene solitamente indicata con la lettera “I”.
La massa nel movimento dei motori.
Per massa si intende la quantità di materia che un oggetto possiede. Essa non riguarda solo la dimensione degli oggetti, infatti se per esempio abbiamo una scatola di cartone a forma di cubo, con lato di un metro, se il cartone è vuoto e lo lanciamo su un automobile probabilmente questa non subirà nessun danno. Se invece riempiamo lo scatolone di libri e lo lanciamo sulla stessa automobile (sarà necessaria molta più forza), probabilmente dovremmo far visita al carrozziere.
Per determinare la massa di un oggetto, oltre che al volume dobbiamo considerare la densità dell’oggetto stesso.
La massa non è da confondere con il peso, infatti la massa di un oggetto rimane tale in qualsiasi condizione di gravità, mentre il peso è in relazione a quest’ultima.
Per fare un esempio, se noi abbiamo una massa di 70 kg sulla Terra, spostandoci sulla Luna la nostra massa rimane tale, tuttavia il peso sarà sei volte minore, dato che sul nostro satellite la gravità è un sesto di quella presente sul nostro pianeta.
La densità degli oggetti.
La densità determina quanto “stretta” e “impacchettata” è la materia in un oggetto. Ogni oggetto ha la sua densità, e l’unità di misura di questa variabile è il chilogrammo per metro cubo.
Nella prossima immagine troviamo una tabella con le densità di alcuni materiali comuni. Possiamo vedere che l’acqua ha densità 1, mentre l’acciaio quasi otto volte tanto.
Tra i gas, l’idrogeno è molto meno denso dell’ossigeno.
Il volume degli oggetti.
Il volume è la quantità di spazio occupato da un oggetto. Un oggetto può avere una densità e una massa alta ma occupare poco spazio, come per esempio nel caso di un lingotto d’oro da un Kg che occupa davvero poco spazio; viceversa possiamo avere oggetti grandi ma che hanno poca massa o densità.
La massa di un oggetto è data dalla moltiplicazione della sua densità per il suo volume, ecco nella prossima immagine la formula completa.
Calcolo del dimensionamento dei motori.
Ora che abbiamo conosciuto le variabili necessarie a calcolare i parametri di funzionamento del motore, cominciamo a dimensionare lo stesso, aiutandoci con un questo software gratuito online di dimensionamento motori.
Nei prossimi paragrafi ti guiderò attraverso il suo utilizzo.
https://sizing.orientalmotor.co.jp/top?siteCd=sg&lang=en
I software di dimensionamento motori solitamente offrono diverse opzioni, nel nostro esempio scegliamo la progettazione del movimento rotativo per un braccio, come vediamo nella prossima immagine.
Calcolo della coppia di carico del motore.
Il passo successivo è calcolare la coppia di carico, ovvero la forza necessaria determinata dall’inerzia del meccanismo, dalla frizione, da altre forze che gravano sugli oggetti da muovere; in questi calcoli si considera anche la gravità.
Questo è uno dei parametri a cui prestare più attenzione durante il dimensionamento del motore, infatti è necessario calcolare le inerzie di ogni oggetto e sommarle.
Per il nostro esempio, calcoleremo la coppia di carico con i seguenti parametri:
Rotazione verticale, per un braccio lungo 200 millimetri, alto 50 millimetri e largo sempre 50 millimetri.
Non utilizziamo riduttori (transfer mechanism), e selezioniamo come materiale “alluminio”; il software scriverà automaticamente il valore di densità nel parametro, questa è di 2.8
Per il parametro massa scegliamo 1.4 Kg, e quando abbiamo compilato tutti i campi premiamo il pulsante “Calculate”.
Il software calcola la coppia di carico che risulta essere 1.098, inoltre viene calcolata anche l’inerzia di carico.
Calcolo della velocità del motore.
Lo step successivo per dimensionare il servo è definire il suo profilo, per il nostro esempio utilizziamo quello definito “trapezoidale”.
Come tipo di motore selezioniamo “Standard AC Motors”, e impostiamo il metodo di calcolo a “Travel Amount Specification”.
Come Travel Amount impostiamo 3 secondi e come spostamento 1080 (3 giri completi dell’albero).
Premiamo il pulsante di calcolo e otteniamo che il motore compirà un giro completo di 360 gradi in un secondo; questa è la sua velocità massima.
Scelta del motore in base ad altri parametri.
L’ultima operazione da effettuare per scegliere il servo per la nostra applicazione è fornire al software di calcolo alcuni parametri per selezionare i modelli disponibili di motore.
Nella prossima schermata vediamo che il sistema propone dei risultati in base alla tensione di alimentazione e alla sua frequenza.
Tra gli altri parametri selezionabili in questa fase ci sono anche il fatto che il motore debba avere un freno elettromagnetico, il tipo di ingranaggio, e il fattore di sicurezza; quest’ultima variabile serve a dimensionare il motore in modo che possa funzionare anche in condizioni di frizioni e forze maggiori rispetto a quelle teoriche calcolate.
Una volta selezionato il prodotto corrispondente alla nostra scelta, premiamo “NEXT” e otteniamo uno stampato di tutti i calcoli particolareggiati per il servo in questione; ne vediamo un esempio nella prossima figura.
A questo punto, cliccando con il mouse sul link corrispondente al codice del modello del motore, si aprirà la schermata dove sarà anche possibile acquistarlo.
