Come posso calcolare il motore adatto alla mia macchina ???

Presentazione sul tema: "Come posso calcolare il motore adatto alla mia macchina ???"— Transcript della presentazione:

1

2 Come posso calcolare il motore adatto alla mia macchina ???
B X C Z C‘ E

3 ? OBIETTIVO  Calcolare le Coppie e le Velocità
Devo fare una nuova applicazione … Come scegliere il motore giusto ??? ? OBIETTIVO  Calcolare le Coppie e le Velocità  Scegliere il motore adatto  Verificare la scelta

4 Cinematica – Profili di moto
Andamento della velocità in funzione del tempo  v (t) Profilo TRIANGOLARE v (t) t(s) v (t) Profilo TRAPEZOIDALE v (t) t(s) t(s)

5 Cinematica – Profili di moto
Profilo TRIANGOLARE  Velocità massima  Accelerazione minima v (t) FORMULE: t(s) t ACC t DEC t TOT

6 Cinematica – Profili di moto
Profilo TRAPEZOIDALE Tratto a Velocità costante  Velocità minore & Accelerazione maggiore rispetto al profilo triangolare v (t) FORMULE: t(s) t ACC t V COST t DEC t TOT

7 Cinematica – Profili di moto
Rampa Lineare – Accelerazione Costante Rampa a “S” – Accelerazione Variabile Spazio Velocità Accelerazione Jerk

8 Cinematica – Profili di moto
Profilo di moto ciclo generico Velocità Coppia

9 Dati di Input necessari
Albero di trasmissione M Riduttore Giunto accoppiamento Guide Trasmissione v, Fi J3 J1 J2 J4 η, i R Carico Per calcolare la coppia necessaria al motore occorre conoscere o calcolare : Forze statiche e dinamiche Fi Attriti Forze di Processo Momenti d’inerzia Jk – dei componenti in rotazione Rendimento η dei vari elementi (es. riduttori, guide, trasmissione, etc ..) Per determinare la velocità al motore, occorre conoscere o calcolare: Velocità vj nelle varie fasi / cicli della macchina Rapporto/i i di riduzione

10 Tipi di trasmissione Cinghia Vite a ricircolo Cremagliera Riduttore
Tipo di trasmissione Schematizzazione Output Input Lineare Cinghia Velocità lineare: v(t) Rotazione: n(t) Vite a ricircolo Velocità lineare: v(t) Rotazione: n(t) Cremagliera Velocità lineare: v(t) Rotazione: n(t) Rotativo Riduttore Rotazione: n2(t) Rotazione: n1(t)

11 Moto Lineare – Trasmissione con Cinghia e Puleggia
Massa da movimentare Lato Carico v(t) Lato Motore d Motore n(t) l Sviluppo circonferenza u = d*π Dati Caratteristici: Legge di Conversione: Diametro Puleggia (d) Lunghezza (l) Peso / Densità Attrito Rendimento

12 Moto Lineare – Trasmissione con Vite a ricircolo
Massa da movimentare Lato carico v(t) Lato motore d Motore n(t) l Passo Vite h Dati Caratteristici: Legge di Conversione: Passo Vite (h) Diametro Vite (d) Lunghezza Vite (l) Peso / Densità Attrito Rendimento

13 Moto Lineare – Trasmissione con Pignone e Cremagliera
Lato carico Massa da movimentare v(t) Lato Motore Motore n(t) d Sviluppo pignone u = d*πA l Dati Caratteristici: Legge di Conversione: Diametro Pignone (d) Lunghezza Cremagliera (l) Peso / Densità Attrito Rendimento

14 Moto Rotativo – Trasmissione e rapporto di riduzione
con ingranaggi con cinghia Lato motore - 1 Motore n2(t) n1(t) d2 d1 i=n1/n2 n1(t) n2(t) Motore d1 d2 Rapporto i=n1/n2 i=n1/n2 Lato carico - 2 Dati Caratteristici: Legge di Conversione: Diametro 1 (d1) Diametro 2 (d2) Peso / Densità Attrito Rendimento

15 Moto Rotativo – Calcolo Momento d’Inerzia per alcune forme comuni per i componenti di macchina
Cilindro pieno, Disco ... J [kgm2] momento d’inerzia m [kg] massa r, R [m] raggio  [kg/m3] peso specifico Alluminio: kg/m3 Acciaio: kg/m3 l, b, h [m] lunghezza, larghezza, altezza r l Cilindro Cavo: l R r Teorema di Steiner: Noti il momento d’inerzia J e la massa, è possibile calcolare il momento J* rispetto ad un altro asse di rotazione a distanza R con la seguente formula: Parallelepipedo, barra: J r R l b h Oggetti di forma complessa possono essere “ridotti” e convertiti in forme più semplici da calcolare. Ad es.: Massa puntiforme: Cilindro cavo sottile: r r + approx. 20%

16 Rapporto delle inerzie motore vs carico
Nella scelta di un brushless è molto importante prestare attenzione al rapporto tra l’inerzia del carico (ridotta all’albero motore) e l’inerzia del motore: FI = Jcarico / Jmotore Un buon rapporto, garantisce stabilità dell’anello di regolazione, consentendo un guadagno (Kv) alto e quindi una buona e pronta risposta dinamica del sistema.

17 Rapporto delle inerzie motore vs carico
Oscillatore a 2 masse – Diagramma di Bode

18 Rapporto delle inerzie motore vs carico
Influenza della variazione dello sbilanciamento inerziale 10 :1 100 :1 2 :1

19 Rapporto delle inerzie motore vs carico
Influenza della rigidezza

20 Rapporto delle inerzie motore vs carico
Rapporto inerzie Jcarico / Jmotore Prestazioni richieste Guadagno KV 0 < FI < 3 Elevate accelerazioni e performance di posizionamento spinte elevato 3 < FI < 6 Elevate/medie accelerazioni e performance di posizionamento medie medio 6 < FI < 10 Medie Accelerazioni e performance di posizionamento basse basso Regola generale di “buon dimensionamento”: Jcarico / Jmotore ≤ 3  5

21 Riduttore Riduttore Motore M2,n2 M1,n1
Solitamente i motori hanno velocità elevate (n1) e coppie ridotte (M1), mentre le macchine richiedono velocità inferiori (n2) ma coppie superiori (M2). n1 > n2 M1 < M2 RIDUTTORE Termine riferito alla velocità Elemento interposto tra motore e carico che trasforma coppia e velocità Riduce la velocità e aumenta la coppia  Potenza Costante. Riduttore Motore M2,n2 M1,n1 Macchina

22 Riduttore Il rapporto tra velocità in ingresso e velocità in uscita è chiamato RAPPORTO DI RIDUZIONE Il riduttore è solitamente realizzato con ingranaggi ma può essere realizzato anche con altri sistemi più semplici ed economici come ad es. cinghia-puleggia. Anche la vite a ricircolo di sfere si comporta come un riduttore, in cui il passo è assimilabile al rapporto di riduzione. n2(t) n1(t) d2 d1

23 Riduttore Nelle applicazioni con motori brushless il rapporto di riduzione è utile per ridurre l’inerzia del carico e bilanciare il rapporto con l’inerzia propria del motore. Le inerzie si riducono col quadrato del rapporto i Riduttore Lato Carico J2 Riferito all’asse lento i Lato Motore J*2 riferito (ridotto) all‘albero motore (asse veloce) Rapporto delle inerzie motore-carico:

24 Tipologie di Riduttore
Coassiale Ad assi Paralleli A vite senza fine Ad assi Ortogonali

25 Riduttore Epicicloidale o Planetario
Ingranaggi Planetari o Satelliti 3 disposti a 120° Pignone o solare Corona Porta-pianeti Corona Portapianeti Il Portapianeti del 1° stadio è l’ingresso per il 2° stadio Satelliti Albero motore lento 1 stadio 2 stadi

26 Riduttore Epicicloidale o Planetario
Il Rapporto di riduzione (con corona fissa) è definito: Rapporto basso Rapporto alto

27 Procedura di dimensionamento
Tempo ciclo 1 – Definire il tipo di trasmissione e i relativi dati 2 – Definire le masse da movimentare 3 – Definire un ciclo di riferimento Tempo ciclo = Fasi di movimento/lavoro + Soste 4 – Calcolare le Coppie e le Velocità 5 – Calcolare Coppie e velocità al motore, valutando se opportuno o necessario un rapporto di riduzione e calcolarlo. 6 – Scegliere il motore

28 Scelta del motore – Dimensionamento termico
In un ciclo reale, il carico (quindi la coppia) è variabile nel tempo.  Il carico variabile deve essere trasformato in un carico equivalente che solleciti il motore allo stesso modo dal punto di vista termico.  Il Dimensionamento si basa sul calcolo della Coppia termica equivalente (o quadratica media) Mrms che rappresenta il valore di coppia di un ciclo (fittizio) con carico continuativo che dal punto di vista termico per il motore è equivalente al ciclo reale. Coppia al motore Tempo Coppia Quadratica Coppia_rms Tempo Tempo Temperatura Temperatura media Questa procedura è a rigore valida per cicli “brevi” la cui durata è: Tciclo ≤ 0.5 Tth con Tth = Costante di tempo termica del motore

29 Scelta del motore – Dimensionamento termico
 In maniera analoga si definisce un valore medio di velocità sul ciclo  Si definisce così un punto di lavoro equivalente (Mrms;nmedia) che deve essere confrontato sulla curva caratteristica con la coppia nominale (S1) del motore a quella velocità: Velocità al motore Velocità media Val assoluto velocità Coppia Velocità Curva limite di ensione n media Punto Equivalente: - n medio - M rms Es: Motore 1 adatto per il ciclo. Motore 2 invece sarebbe termicamente sovraccaricato e pertanto non risulta adatto per il ciclo.

30 Scelta del motore – Criteri e Verifiche
Il motore dimensionato correttamente e adatto all’applicazione deve soddisfare i seguenti criteri:  Mnom > Mrms  Mmax_motore > Mmax_ciclo  Range di velocità adatto (nmax e  Rapporto delle Inerzie corretto  Tipo di trasduttore (Risoluzione, etc)  Dimensioni di accoppiamento: flangia, albero, centraggio e interasse fori

31 Calcolo, Dimensionamento e Scelta di un motore
Esercizio Calcolo, Dimensionamento e Scelta di un motore

32 Scelta del motore – Esercizio
Tempo ciclo [s] Velocità Avvicinamento in rapido Fase di Lavoro Asse X di un Tornio Massa da movimentare m= 1050 kg Forza di Taglio FV = 4000 N Coefficiente d’attrito μ= 0,015 Rendimento vite η=0,9 Velocità max 30 m/min Vite: Lunghezza l=1000mm; Diametro d=50mm; Passo h=10mm Accelerazione 4 m/s^2 Ciclo: Avvicinamento in rapido – Corsa 500mm Fase di lavoro – Velocità 5 m/min ; Corsa 200mm Ritorno in rapido – Corsa 700mm Sosta 1 s Ritorno in rapido Asse X di un Tornio Massa da movimentare m= 1050 kg Forza di Taglio FV = 4000 N Coefficiente d’attrito μ= 0,015 Rendimento vite η=0,9 Velocità max 30 m/min Vite: Lunghezza l=1000mm; Diametro d=50mm; Passo h=10mm Accelerazione 4 m/s^2 Ciclo: Avvicinamento in rapido – Corsa 500mm Fase di lavoro – Velocità 5 m/min ; Corsa 200mm Ritorno in rapido – Corsa 700mm Sosta 1 s

33 Scelta del motore – Esercizio
v (t) v 1 t t 1 t 2 t 3 t TOT

34 Scelta del motore – Esercizio

35 Scelta del motore – Esercizio

36 Scelta del motore – Esercizio
Calcolo di forze e coppie: Forza di attrito Coppia di attrito Coppia di taglio Momento di inerzia vite Momento di inerzia carico Momento di inerzia totale Velocità del motore

37 Scelta del motore – Esercizio
Calcolo di forze e coppie: Coppia accelerante vite Coppia accelerante carico Coppia decelerante carico Coppia totale fase 1 (accel.) Coppia totale fase 2 (v cost.) Coppia totale fase 3 (decel.) Coppia totale fase 5 (taglio)

38 Scelta del motore – Esercizio

39 Scelta del motore – Esercizio
Calcolo Coppia efficace: e Velocità media: Punto di lavoro equivalente Punto di Coppia max

40 Scelta del motore – Esercizio
Il motore adatto deve avere:  Mnom > 7, rpm  Mmax_motore > 19, rpm Guardiamo il catalogo ….

41 Scelta del motore – Esercizio

42 Scelta del motore – Esercizio
Scelto il motore, calcoliamo la Coppia per accelerare il motore: Motore 1FT7064-5AF71: Jmot = 0,00119 kgm^2  Macc_motore = 2,99 Nm Ricalcoliamo la Coppia efficace e la Coppia max:  Mnom = 7, rpm  Mmax_motore = 22, rpm

43 Scelta del motore – Esercizio
Curva di coppia Motore 1FT7064-5AF71: Mmax 22, rpm  NON OK  OK !! Mrms 7, rpm

44 Scelta del motore – Esercizio
Se invece scegliamo un motore con velocità superiore, ad es 1FT7064-5AK71: Mmax 22, rpm  OK !!  OK !! Mrms 7, rpm

45 Scelta del motore – Esercizio
Verifica Rapporto Inerzie con motore 1FT7064-5AK71:  NON OK E’ necessario allora scegliere un motore con inerzia superiore ….

46 Scelta del motore – Esercizio

47 Scelta del motore – Esercizio
Motore 1FT7068-5AF71: Jmot = 0,00232 kgm^2 Ricalcoliamo la Coppia efficace e la Coppia max:  Mnom = 8, rpm  Mmax_motore = 25, rpm Verifica Rapporto Inerzie:  OK !!

48 Scelta del motore – Esercizio
Curva di coppia Motore 1FT7068-5AF71: Mmax 25, rpm  OK !!  OK !! Mrms 8, rpm

49 Esercizio 2 Consideriamo gli stessi dati dell’esercizio precedente ma con un tipo di trasmissione differente

50 Scelta del motore – Esercizio 2
Trasmissione pignone-cremagliera Tempo ciclo [s] Velocità Asse Z di un Tornio Massa da movimentare m= 1050 kg Forza di Taglio FV = 4000 N Coefficiente d’attrito μ= 0,015 Rendimento trasmissione η=0,9 Velocità max 30 m/min Pignone Diametro d=75mm; lunghezza 30mm Accelerazione 4 m/s^2 Ciclo: Avvicinamento in rapido – Corsa 500mm Fase di lavoro – Velocità 5 m/min ; Corsa 200mm Ritorno in rapido – Corsa 700mm Sosta 1 s

51 Scelta del motore – Esercizio 2
Calcolo di Forze e Coppie: Forza di attrito Coppia di attrito Coppia di taglio Momento di inerzia pignone Momento di inerzia carico Momento di Inerzia Totale Velocità del motore Coppia accelerante carico

52 Scelta del motore – Esercizio 2

53 Scelta del motore – Esercizio 2
Calcolando coppia rms e velocità media risulta: Punto di lavoro equivalente  Sarebbe richiesto un motore con coppia molto elevata e velocità molto bassa … E’ meglio adottare un rapporto di riduzione per aumentare la velocità e ridurre la coppia richiesta al motore.

54 Scelta del motore – Esercizio 2
Consideriamo il seguente rapporto di riduzione: Nuovi valori all’albero motore

55

56 Scelta del motore – Esercizio 2
I nuovi valori di Coppia rms e velocità media risultano: Punto di lavoro equivalente Punto di Coppia max Dal catalogo ….

57 Scelta del motore – Esercizio 2

58 Scelta del motore – Esercizio 2
Motore 1FT7066-5AF71:  nmax nmedia

59 SIZER Engineering Tool for Motors, Drives and Controllers

60 SIZER for SIEMENS Drives - Introduzione
Strumento per la scelta e dimensionamento del motore in funzione del tipo di meccanica e del ciclo Dimensionamento e configurazione di azionamento e controllore Scelta accessori (cavi, filtri, bobine, etc ..) Lista codici completa ed esportabile ad es. in Excel Documentazione del progetto esportabile in Pdf o Word Disegni 2D e 3D (collegamento a CAD CREATOR) Funzioni avanzate ad es. confronto requisiti energetici, calcolo potenza dissipata nel quadro, tabella carichi parziali Engineering dell'applicazione veloce e conveniente adatto sia ai progettisti meccanici che elettronici.

61 Engineering in pochi steps

62 1. Definizione del sistema meccanico

63 2. Scelta del motore

64 3. Definizione del sistema di azionamento SINAMICS

65 4. Accessori

66 5. Definizione del controllore

67 Progettazione dell'azionamento
SIZER Condizioni ambientali, dati di carico, profili di movimento Progettazione dell'intera soluzione di azionamento: Motore e riduttore, drive, cavi e connettori, opzioni e accessori ...

68 Documentazione & Tools - Link
Manuali SIZER V3.15 Ecco i link dove scaricare manuali e Sizer.

69 Dubbi ? Domande ?

70