INNOVAZIONI

Limitatori di coppia a sfere di precisione per macchine utensili

Una valida soluzione meccanica che colma i limiti applicativi di quella elettronica.
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Le macchine utensili per la formatura e la lavorazione dei metalli presentano talvolta problemi nell’accoppiamento del sistema di lavorazione con il sistema di alimentazione. Ogni volta che l’asse di lavoro incorre in un bloccaggio accidentale dovuto a un errore dell’operatore, il giunto meccanico viene letteralmente distrutto. Ciò, però, risulta assurdo e non dovrebbe teoricamente accadere essendo la corrente del servo motore impostata in modo da non superare i limiti di coppia del giunto. Il produttore di giunti, in casi come questo, suggerisce l’utilizzo di taglie maggiori ma questo non sempre è possibile perché, spesso, gli spazi a disposizione sono limitati. Inoltre, ci si trova in un ambito in cui il gioco deve essere quanto più possibile ridotto per cui le scelte possibili sono piuttosto limitate. La soluzione a tale problema però esiste.

Meccanica vs. Elettronica

La limitazione per via elettronica della corrente di lavoro non sempre rappresenta un metodo efficace al 100% nel contrastare sovraccarichi meccanici di esercizio. L’installazione di un limitatore di coppia a sfere di precisione può costituire talvolta una valida soluzione.

La limitazione per via elettronica della corrente di lavoro non sempre rappresenta un metodo efficace al 100% nel contrastare sovraccarichi meccanici di esercizio. Agendo sui servomotori risulta relativamente semplice impostare un limite sulla coppia, ma non bisogna dimenticare che tale limite è relativo al solo motore. Ciò significa che l’elettronica dell’azionamento non tiene in considerazione altri fattori come le masse di ingranaggi, giunti, alberi ecc.. e tutto ciò che sta a valle dell’azionamento stesso. Spesso la lavorazione meccanica del pezzo avviene, per così dire, a grande distanza dal motore. Inoltre, può capitare che il servo azionamento e/o l’elettronica abbiano tempi di risposta insufficienti a prevenire danneggiamenti in caso di sovraccarichi. Nel caso particolare di sistemi rotanti, spesso le inerzie non vengono nemmeno tenute in considerazione nella programmazione della logica di controllo. Inoltre, eventuali azionamenti lineari riversano parte delle loro inerzie sulle componenti rotanti aggravando ancor più la situazione.

Per analizzare ciò che accade in caso di bloccaggio del sistema (crash) è utile richiamare l’equazione che governa il fenomeno di impatto

F= 0,5 m * v2/s

dove

F rappresenta la forza in N

m rappresenta la massa in kg

v rappresenta la velocità in m/s

s rappresenta la distanza di arresto in m.

Esaminando l’equazione di osserva che la forza che si genera in un impatto è direttamente proporzionale alla massa e al quadrato della velocità mentre risulta inversamente proporzionale alla distanza di arresto. Tradotto, più il componente è massivo e possiede elevate velocità e maggiore sarà la forza che si genererà in caso di impatto. Per molti progettisti meccanici ciò apparirà ovvio ma è altrettanto ovvio come per alcuni programmatori elettronici ciò non risulti scontato traducendosi banalmente in una logica di controllo inadeguata che non tiene in dovuta considerazione tutti i possibili scenari. È, però, altresì complicato predire in modo accurato quali saranno le masse in gioco e le velocità a cui il sistema lavorerà. In altre parole è assai difficile sapere a priori quando e come il sistema arriverà a un crash e quali saranno state le cause scatenanti.

Osservando l’equazione sopra, però, appare chiaro che in caso di impatto le forze che si scateneranno e, quindi, anche le relative conseguenze risulteranno mitigate qualora le masse del sistema risultassero minimizzate. Tale obiettivo può essere perseguito utilizzando materiali costruttivi più leggeri come, per esempio, l’alluminio. Alcune aziende si appoggiano poi a materiali ancora più performanti come il carbonio.

Anche una riduzione delle velocità di movimentazione porta a una riduzione delle conseguenze in caso di crash ma questa soluzione non sempre rappresenta una strada ottimale andando a ridurre sensibilmente la produttività. Con un po’ di creatività, però, anche una riduzione delle velocità può non essere poi una soluzione inaccettabile, pensando, per esempio, di lavorare più parti contemporaneamente.

Dato che massa e velocità sono direttamente proporzionali all’inerzia, ridurle si traduce ovviamente in una riduzione delle forze di impatto. Prevenire un crash o ridurre la distanza a cui ciò si verifica è però molto complesso.

Altri sistemi di protezione sono previsti da OSHA. Soluzioni spesso adottate sono interruttori di fine corsa e smorzatori per assorbire quanto più possibile eventuali energie residue. Si pensi, per esempio, a una tavola motorizzata. Qualora la sua inerzia risultasse eccessiva, anche se ciò rappresenta un caso assai raro, potrebbe accadere che l’interruttore di fine corsa, benché attivato, non riuscisse a fornire una risposta sufficientemente rapida da arrestare completamente la tavola. Questa perseguirebbe dunque fino a essere infine fermata dagli smorzatori. In questo caso i tempi e soprattutto le distanze di arresto risulterebbero comunque notevolmente aumentate rispetto all’assenza di controllo riducendo in tal modo le forze di impatto e quindi i danni che si verrebbero a produrre.

Dato che la progettazione di una macchina viene seguita contemporaneamente da più figure appartenenti ad ambiti diversi, spesso ci si trova a ignorare come la macchina lavorerà nelle condizioni reali e globali di esercizio concentrandosi ognuno solo sulla sua area specifica.

Gli ingegneri meccanici, per esempio, si focalizzeranno principalmente sulla parte strutturale ignorando quelle che saranno le capacità effettive degli azionamenti e dell’elettronica. Al contrario, i programmatori elettronici non terranno in debita considerazione le effettive inerzie di tutto il sistema ma si concentreranno solo sulla parte azionamenti.

Le attuali elettroniche permettono più livelli di protezione. Ponti elettrici e/o fusibili consentono, infatti, di proteggere ogni singola parte del circuito in modo autonomo. Anche molti dispositivi individuali sono dotati di tali sistemi protettivi. Questo concetto, però, non viene sempre applicato nella progettazione di macchinari industriali. Spesso sono gli stessi componenti meccanici come cinghie, catene o giunti a svolgere la funzione svolta dai fusibili nei circuiti elettronici, ovvero proteggere il sistema in caso di sovraccarichi meccanici. Altra possibile strada è l’utilizzo di perni caricati a taglio che cedono in caso di sovraccarico con lo scopo di proteggere il sistema. Una nuova strada è da individuarsi nella limitazione meccanica delle coppie trasmesse. Essa permette di limitare la coppia trasmessa come farebbero le cinghie o i giunti. Il vantaggio di questa nuova tecnologia, però, sta nel fatto che il componente che in qualche modo si sacrifica per limitare la coppia non è più necessario e, soprattutto, non è da sostituire ogni volta che, per proteggere il sistema, va a cedere. I nuovi sistemi di limitazione della coppia, a valle di un sovraccarico, vanno semplicemente resettati. Inoltre, questi sistemi non necessitano di alcuna manutenzione. Il maggiore vantaggio, però, specialmente se utilizzati assieme a limitatori elettronici della coppia, è la possibilità di installarli subito a monte del componente per cui si prevede il crash. Essi sono progettati per riconoscere i sovraccarichi e disaccoppiare il sistema in modo quasi istantaneo; il tempo medio di reazione è tale per cui il sistema risulta disaccoppiato ancor prima che al motore/azionamento arrivi il segnale di arresto dalla logica di controllo.

La migliore soluzione consiste nell’installare limitatori meccanici di coppia in prossimità della zona in cui ci si aspetta il sovraccarico. In questo modo il sistema risulta doppiamente protetto e, soprattutto, localmente protetto nel senso che un eventuale sovraccarico viene meccanicamente contenuto e non si propaga per tutto il sistema andando a danneggiarne la componentistica.

Attualmente sono allo studio nuove soluzioni che integrano al contempo limitatori meccanici ed elettronici di coppia. Un sensore di prossimità può, per esempio, essere montato nei pressi dell’attuatore. Il sistema funziona bene perché un eventuale sovraccarico viene riconosciuto, il sistema immediatamente disaccoppiato e un segnale di arresto inviato al motore. Dato che tali limitatori di coppia possono essere posti facilmente in più punti del sistema, un eventuale sovraccarico risulta sempre istantaneamente riconosciuto e la parte di sistema coinvolta immediatamente protetta.

In definitiva, dato un possibile picco di carico durante il funzionamento del sistema è possibile, in fase di progettazione, risalire al sovraccarico sull’attuatore e in base a questo programmare in modo adeguato la logica di controllo. Ciò dovrebbe proteggere almeno il motore dal sovraccarico. La migliore soluzione, però, consiste nell’installare limitatori meccanici di coppia in prossimità della zona in cui ci si aspetta il sovraccarico. In questo modo il sistema risulta doppiamente protetto e, soprattutto, localmente protetto nel senso che un eventuale sovraccarico viene meccanicamente contenuto e non si propaga per tutto il sistema andando a danneggiarne la componentistica.

(Le foto sono gentilmente concesse da RW Italia Srl)

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