Far levitare masse con MagSpring
30. Settembre 2021
Quando gli azionamenti diretti a montaggio verticale richiedono tempi di ciclo rapidi o la prevenzione della caduta di un asse in caso di interruzione di corrente, è necessario compensare il peso proprio dell'azionamento. Attualmente, a tale scopo si utilizzano principalmente molle meccaniche o sistemi pneumatici, che tuttavia presentano diversi svantaggi. Una molla magnetica di MagSpring rappresenta quindi spesso un'alternativa migliore. Tra i principali vantaggi di questa soluzione vi sono il fatto che, essendo un componente passivo, non richiede alimentazione elettrica, non necessita di manutenzione e fornisce una forza costante su tutto il suo campo di funzionamento.
I problemi con i sistemi di contrappeso a molla o pneumatici sugli assi montati verticalmente nelle macchine utensili e in altri sistemi sono una questione ricorrente, come dimostrano i commenti nei forum online. Gli utenti segnalano che gli assi si abbassano improvvisamente, causando danni significativi a utensili e macchine. I post citano come possibili cause un controllo dell'asse difettoso, interruzioni di corrente e problemi con il sistema di contrappeso stesso, come la rottura delle molle o perdite. Tuttavia, i vari sistemi di contrappeso differiscono non solo per la loro affidabilità, il che rende opportuna un'analisi più approfondita.
La compensazione del peso è essenziale per movimenti dinamici ed elevata efficienza energetica quando i motori lineari sono installati verticalmente (da sinistra a destra: molla meccanica, sistema pneumatico, MagSpring) (Grafico: M. Furler)
applicazioni
Quando si utilizzano motori elettrici lineari o servomotori per eseguire movimenti verticali, questi devono esercitare una forza costante, sia durante il movimento che a riposo, per contrastare la forza di gravità. Bilanciare questa massa tramite un sistema adeguato riduce il consumo energetico dell'azionamento elettrico. Come effetto collaterale positivo, l'azionamento può solitamente essere più piccolo, riducendo così il consumo energetico richiesto. Inoltre, un sistema di contrappesi consente un'accelerazione e una decelerazione più fluide della massa in movimento (ad esempio, i pesi dei componenti dell'asse Z di una macchina utensile, inclusi il portautensili e l'utensile stesso), riduce le sollecitazioni sui cuscinetti, previene carichi asimmetrici durante il movimento dell'asse e, in definitiva, consente movimenti più dinamici. In molti casi, i sistemi di contrappesi vengono utilizzati anche per prevenire efficacemente situazioni pericolose per il pezzo, la macchina e l'operatore causate da improvvisi abbassamenti dell'asse. Attualmente, a seconda dell'applicazione, per implementare i contrappesi si utilizza uno dei seguenti quattro principi:
contrappeso
Nelle grandi macchine utensili, il bilanciamento del peso viene spesso ottenuto utilizzando contrappesi collegati alle parti mobili della macchina tramite catene a rulli o cavi. Tuttavia, con i design sempre più compatti, lo spazio per i contrappesi e le guide è spesso insufficiente. Inoltre, il sistema è soggetto a usura meccanica e pertanto richiede una manutenzione intensiva. Se il peso da bilanciare cambia, è necessaria anche una riconfigurazione. Questo metodo è del tutto inadatto alle applicazioni dinamiche, poiché l'inerzia viene notevolmente aumentata raddoppiando la massa in movimento.
Molla meccanica
La molla meccanica è un elemento di progettazione molto economico per ottenere la compensazione del peso in un'installazione verticale. Tuttavia, l'aumento lineare della forza all'interno del campo di lavoro della molla non consente una compensazione ideale della forza di gravità lungo l'intera corsa. Inoltre, le molle meccaniche sono soggette a un'usura relativamente elevata. Sebbene i sistemi di molle alternativi consentano di generare una forza costante su un campo di lavoro più ampio e riducano al minimo i danni conseguenti alla rottura della molla, sono più costosi e richiedono più spazio. Se il peso da compensare cambia, anche con questo approccio sono necessarie delle modifiche.
Compensazione del peso pneumatico
A differenza delle molle meccaniche, i cilindri pneumatici possono generare forze costanti e relativamente elevate su un ampio intervallo di corsa. Ciò rende i cilindri pneumatici particolarmente adatti a compensare il peso. Se a monte viene installata una valvola di controllo, la forza può essere regolata in modo continuo per adattarsi alle variazioni del peso. Tuttavia, ciò richiede un'unità di controllo aggiuntiva.
Poiché l'aria compressa è una delle fonti energetiche più costose nella produzione, i costi energetici dei sistemi di contrappesi pneumatici incidono significativamente sulla loro redditività. I sistemi ad aria compressa sono inoltre spesso soggetti a perdite, che possono causare un abbassamento imprevisto dell'asse verticale. Infine, i sistemi ad aria compressa richiedono una manutenzione frequente e possono essere utilizzati solo dove è disponibile un collegamento adeguato, altrimenti limitano la mobilità di macchinari e attrezzature.
Struttura della molla magnetica MagSpring di LinMot (Rendering: LinMot)
molla magnetica
La MagSpring, una "molla magnetica" sviluppata dallo specialista di motori lineari LinMot, utilizza la repulsione magnetica per generare forza, risultando esente da manutenzione ed eccezionalmente affidabile. Una speciale progettazione dei componenti conduttori di flusso e dei magneti trasforma la relazione nettamente non lineare tra forza e spostamento tipica delle configurazioni magnete-ferro in un profilo di forza costante. A seconda della classe di resistenza della MagSpring, i magneti permanenti sono posizionati nello statore (ferro nichelato), nel rotore o in entrambi i componenti (Figura 2). Il rotore, realizzato in acciaio al cromo-nichel (1.4301), è supportato da una guida di scorrimento integrata, che consente di utilizzare le molle magnetiche LinMot in modo simile alle molle a gas, ma con una durata di servizio significativamente maggiore. Essendo componenti passivi, le MagSpring non richiedono alimentazione elettrica e possono quindi essere utilizzate senza problemi in applicazioni critiche per la sicurezza. Grazie alla loro generazione di forza indipendente dallo spostamento, le MagSpring sono ideali non solo per compensare le forze di peso nelle configurazioni di azionamento verticale. Grazie alla loro caratteristica di forza-spostamento costante, le molle magnetiche offrono un'ampia gamma di applicazioni aggiuntive, come la generazione di una forza di contatto costante indipendentemente dalla posizione, l'applicazione di una forza di tenuta costante su un ampio intervallo di corsa o il supporto di forza unilaterale nelle applicazioni di azionamento. Come elemento passivo, le MagSprings possono essere utilizzate anche per mantenere o spostare assi di macchine o altri componenti, come pinze o guide, in una posizione definita quando non sono alimentate.
La famiglia di prodotti a molla magnetica MagSpring comprende attualmente oltre 30 varianti (Foto: LinMot)
Campo di funzionamento della molla magnetica
A differenza di una molla meccanica, la MagSpring offre una forza costante lungo l'intera corsa di lavoro (SP = punto di partenza) (Grafico: LinMot)
In posizione di riposo, il rotore si trova approssimativamente al centro dello statore, con l'estremità del rotore, detta estremità di lavoro, che sporge leggermente dallo statore. Tuttavia, entrambe le estremità del rotore possono essere utilizzate per il fissaggio del carico. Partendo da questa posizione di riposo, il rotore può essere tirato o spinto fuori dallo statore in entrambe le direzioni. La forza viene aumentata gradualmente da zero al valore nominale su una breve distanza. La corsa di lavoro inizia quindi con una forza costante. La posizione iniziale descrive la distanza tra l'estremità di lavoro del rotore e l'estremità dello statore all'inizio dell'intervallo di forza costante. LinMot offre due serie MagSpring a catalogo: una per un intervallo di forza da 11 a 22 N e una corsa fino a 290 mm, e l'altra per 40 a 60 N e una corsa fino a 275 mm (Figura 3). È in fase di sviluppo una versione ancora più potente, con una forza nominale fino a 120 N, che sarà disponibile a partire dal 2014. A causa delle tolleranze di materiale e di produzione, la forza effettiva rientra nell'intervallo di +/- 5% della forza nominale. Sono disponibili flange di montaggio e adattatori per l'installazione delle molle magnetiche. Questi accessori consentono di fissare le MagSprings direttamente alla guida lineare H01 o alla guida a ponte B01 dell'azienda. Grazie al loro piccolo diametro di soli 20 o 37 mm, le molle magnetiche possono essere utilizzate anche in spazi ristretti.
Conclusione
Una molla magnetica compensa passivamente il peso di un asse montato verticalmente e azionato da un servomotore o da un motore lineare. La molla magnetica genera una forza costante lungo l'intera corsa, indipendentemente dalla posizione, dalla velocità o dall'orientamento di montaggio. Il motore deve fornire solo le forze dinamiche e può quindi operare a velocità maggiori ed essere più piccolo. Se la forza della molla magnetica è superiore al peso del carico, quest'ultimo può essere spostato in una posizione sicura in caso di interruzione di corrente. Le molle magnetiche sono inoltre esenti da manutenzione, resistenti all'usura e compatte. Grazie alle loro proprietà quasi ideali, le molle magnetiche sono superiori ad altri sistemi di compensazione del peso (contrappesi, molle meccaniche e sistemi di compensazione pneumatica) in molte applicazioni.