Soluzioni progettuali per macchine per il packaging

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L’aumento della produttività non è più l’unico obiettivo nella progettazione di macchine automatiche per il packaging, ma a esso si è affiancata la necessità di realizzare un’ampia flessibilità operativa. Infatti, è sempre più vivo l’interesse verso impianti produttivi che possano operare su un vasto range di formati e che siano capaci di rispondere in modo rapido ed efficiente ai bisogni di differenti mix di produzione. Queste esigenze hanno orientato i progettisti verso nuovi approcci delle architetture dei sistemi di attuazione e di controllo. In questi anni, ad esempio, i sistemi di attuazione concentrata, caratterizzati da catene cinematiche complesse e operativamente rigide, sono stati man mano sostituiti in favore di architetture ad attuazione distribuita.
Applicando a pieno tale filosofia progettuale, ogni azione che il mezzo operativo esegue sul prodotto può essere ipotizzata come ottenuta non da rigidi meccanismi appositamente dedicati, ma direttamente da sistemi di controllo programmabili e quindi flessibili. Se oltre a questo, si considera che all’interno di una macchina per il packaging i moti funzionali sono per la maggior parte di tipo lineari, appare evidente come i motori elettrici lineari possano costituire una vera rivoluzione per il settore ed essere uno strumento insostituibile per macchine automatiche di futura generazione.

Motori lineari a passo

I motori lineari sono motori elettrici che hanno la particolarità di generare il moto direttamente in forma lineare senza bisogno di organi di trasformazione. In modo del tutto intuitivo possiamo immaginare di ottenere il motore lineare “tagliando e srotolando” su un piano un comune motore rotativo. Prima di andare oltre, è necessario fare alcune, sebbene ovvie, precisazioni. Avendo a che fare con un moto lineare non avrà più senso parlare di coppia [Nm] e velocità in gir/min, ma si tratterà di spinta [N] e velocità in m/s. Inoltre, differentemente da quanto accade con i motori rotanti, va osservato che nei motori lineari non è definibile a priori quale delle due parti in moto debba essere quella fissa e quella movente e va introdotto il concetto di corsa che, a seconda delle varie configurazioni costruttive, può essere sia limitata che modulare.
I principi fisici alla base del funzionamento dei motori lineari sono del tutto simili a quelli dei motori rotanti; potremo distinguere, quindi, tra quelli a riluttanza variabile (motori passo), e a riluttanza fissa (motori sincroni ed asincroni).
I motori passo lineari sono costituiti da due strutture con poli salienti: l’armatura che porta gli avvolgimenti ed una struttura ferromagnetica dentata. I denti di questa sono equispaziati, mentre quelli di armatura sono sfasati per ogni fase di una frazione del passo. Come nei motori passo rotativi, all’eccitazione di una fase, il sistema si dispone per offrire alle linee di flusso del campo magnetico il minor percorso in aria e quindi la riluttanza minore. Imponendo un’opportuna sequenza agli impulsi di corrente all’interno delle fasi si ottiene un moto incrementale ed ogni incremento viene detto passo. Spesso all’interno dell’armatura è collocato un magnete permanente. Questa soluzione costruttiva, “ibrida”, permette di conservare la posizione della parte in moto anche quando a motore spento non circola corrente all’interno delle fasi.
I vantaggi principali dei motori passo sono legati alla semplicità del sistema di controllo: infatti, a meno di richiedere prestazioni dinamiche molto spinte, il controllo può avvenire in catena aperta controllando la posizione e la velocità del movente contando in modo digitale gli impulsi di alimentazione. Nel caso le prestazioni richieste siano più elevate, si possono attuare strategie più complesse: a loop chiuso o impiegando tecniche di microstepping.
I difetti di tale tecnologia sono legati al fatto che il moto è incrementale: questo rende il funzionamento rumoroso e non privo di vibrazioni. Inoltre, a basse frequenze di eccitazione, sono possibili fenomeni di risonanza meccanica. Le velocità e le spinte realizzabili non sono elevatissime (valori tipici sono 1,5 m/s e 100 N di spinta massima), in più va notato che per ottenere una risoluzione accettabile il rapporto tra traferro e passo deve essere ridotto e ciò comporta serie difficoltà nella realizzazione meccanica di lunghe dentature statoriche e quindi la realizzazione di corse considerevoli; i prodotti in commercio di rado permettono corse superiori al metro.
Le applicazioni tipiche sono l’orologeria, macchine per l’industria tessile, fotocopiatrici, plotter, stampanti, sistemi di controllo ottico, strumenti elettromedicali…; tutte movimentazioni in cui le masse in gioco e le forze resistenti esterne sono ridotte.

Asincroni e sincroni

Il principio fisico dei motori lineari asincroni è del tutto identico a quello dei motori rotativi. Si possono distinguere due parti fondamentali: il primario che porta l’avvolgimento trifase ed il secondario che è costituito da materiale conduttore.
Le prestazioni dei motori ad induzione industriali sono caratterizzate valori di spinta di qualche migliaia di Newton e soprattutto da valori di velocità elevati. Questi fattori e l’effettivo basso costo dovuto all’assenza dei magneti permanenti rende questa tipologia di motori particolarmente valida per la realizzazione di sistemi di trasporto sia civile (metropolitane e treni locali) che industriale. Per ciò che riguarda l’applicazione all’interno di macchine operatrici il loro impiego è molto limitato. Va inoltre osservato come i prodotti disponibili in commercio siano veramente rari (da segnalare Normag-Baldor). Questa situazione è determinata da due fattori sfavorevoli: il controllo che risulta complesso (per realizzare il controllo in posizione è necessario il controllo di tipo vettoriale delle correnti nelle fasi del primario) ed il fatto che rispetto ai motori sincroni quelli ad induzione hanno, a parità di spinta, rendimenti peggiori e maggiori ingombri.
Secondo il parere di chi scrive, il motore asincrono avrà un futuro sicuramente più fortunato sia per il minor costo dei materiali di costruzione rispetto ai motori sincroni sia per il fatto che le tecniche di controllo più evolute e performanti, come il controllo vettoriale, stiano diventando sempre più diffuse all’interno del mondo industriale.

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