Che Tipo Di Controller Mi Serve?

[rbacchi]

Ciao gente,

sono un po' a digiuno sull'argomento perché non ho esperienze dirette.

Per un progetto scolastico, dovrei costruire un macchinario con un carrello che si sposta avanti/indietro con una corsa di 50mm.

In questo carrello, c'è un pianale in legno multistrato, di 500x500mm e sul quale si pone un carico massimo di circa 10kg: in tutto, la parte mobile non dovrebbe superare i 15kg.

Lo spostamento dovrebbe seguire una legge sinusoidale la cui frequenza (0..5Hz) e l'ampiezza (0..50mm) dovrebbe essere impostabile e variabile in corsa (il tutto subìto dal carico piazzato sulla piattaforma vibrante).

Per questo vi chiedo lumi sul tipo di azionamento da utilizzare per ottenere la legge del moto voluta. Se uso un azionamento in cc. penso che il controllo avvenga sulla velocità, ma poi alla posizione come ci arrivo? Esistono controlli di posizione ad un asse già pronti?

Io pensavo di interfacciare il tutto ad un PC, interponendo magari una scheda a microprocessore, magari con Arduino, che gestisse velocità e posizione.

Comunque sia, utilizzando una vite senza fine, gli azionamento "normali" (nel senso facilmente reperibili e con un costo umano), che tipi di ingresso hanno? e se usassi un PLC della serie siemens s7-1200 che abbiamo già saremmo in qualche modo avvantaggiati?

Infine, se usassi un motore lineare, che tipo di problematiche incontrerei? Per il controllo di posizione è più semplice? I costi sarebbero stratosferici?

Comprendo di aver posto una gragnuola di domande, ma so anche che da queste parti girano persone veramente toste, quindi...

PS. Anche se un argomento un po' delicato, dove dovrei cercare componenti, anche per chiedere preventivi, con costi decenti? Usando google ho trovato parecchio materiale della Rockwell Automation, ma se non sbaglio è la stessa ditta che gestiva i voli spaziali dello Shuttle, e lì forse non badavano a spese.

Un caro saluto a tutti.

rb

Modificato: 26 gennaio 2015 da rbacchi

[Livio Orsini]

Se è per un progetto scolastico, il cui scopo principale è prendere confidenza con i problemi di automazione, puoi benissimo usare arduino è un'ottima soluzione.

[rbacchi]

Ciao Livio,

grazie per la risposta.

Ma in soldoni vorrei sapere, per il mio genere di problema, quale azionamento cercare: per il dimensionamento meccanico adesso come adesso non ho problemi, un mio collega meccanico ha le idee più chiare.

Inoltre vorrei sapere qualcosa di pratico (se sono o meno abbordabili) sui motori lineari.

Grazie ancora, ciao a tutti,

rb

[rbacchi]

Aggiungo:

è sì un progetto scolastico, ma poi andrà realizzato per partecipare ad un concorso di idee: quindi non deve rimanere come idea ma deve avere i piedi ben piantati.

Arduino l'ho pensato come oggetto che agisce, nei suoi limiti, in tempo reale; dovrebbe essere quindi il serbatoio che trasferisce nell'azionamento i dati (tensione analogica, valori numerici dia RS485, oppure...).

Ho qualche speranza di ricevere qualche dritta più consistente?

Ciao, rb

[simuffa]

Ciao

qui dici

Lo spostamento dovrebbe seguire una legge sinusoidale la cui frequenza (0..5Hz) e l'ampiezza (0..50mm) dovrebbe essere impostabile e variabile in corsa (il tutto subìto dal carico piazzato sulla piattaforma vibrante).

Per questo vi chiedo lumi sul tipo di azionamento da utilizzare per ottenere la legge del moto voluta. Se uso un azionamento in cc. penso che il controllo avvenga sulla velocità, ma poi alla posizione come ci arrivo? Esistono controlli di posizione ad un asse già pronti?

all'inizio parli di ampiezza e frequenza, poi di posizione

Spiega meglio cosa ti serve

[Livio Orsini]

Ma in soldoni vorrei sapere, per il mio genere di problema, quale azionamento cercare: per il dimensionamento meccanico adesso come adesso non ho problemi, un mio collega meccanico ha le idee più chiare.

Una volta che hai stibilito il momento d'inerzia che è riportato all'albero motore, la velocità massima dello stesso dimensioni il motore in base alla coppia richiesta per effettuare la traslazione nei tempi desiderati.

Quale tipo di azionamento (motore+regolatore/alimentatore +trasduttori) dipende dalle caratteristiche di ingombro, accelerazione e velocità richieste, oltre alla convenienza economica.

Potrebbe essere adatto u passo passo oppure un brushless in continua o un chopper in continua con motore cc a magneti permanenti.

PS Nella sezione didattica, sottosezione elettrotecnica ci sono 2 miei tutorials relativi ai criteri di scelta di un azionamento ed al dimensionamento dei motori elettrici.

Modificato: 26 gennaio 2015 da Livio Orsini

[rbacchi]

Ciao Simuffa,

scusa per le inesattezze.

Devo progettare e poi realizzare (se passo la fase uno), una piattaforme vibrante, in un solo asse, la cui corsa è di 50mm, la frequenza massima dell'oscillazione 5Hz, ed il movimento con legge sinusoidale.

La confusione sul tipo di azionamento deriva dalle poche conoscenze che ho sul settore.

Ho pensato ad un controllo di posizione in quanto l'oscillazione deve sempre essere centrata sulla mezzeria della corsa disponibile, altrimenti il tutto mi fugge via. Però per seguire una legge sinusoidale il movimento deve essere fluido e non a scatti. L'ideale sarebbe un controllo di posizione a cui passare, periodicamente sia la posizione che la velocità, però come dico sbaglio. Visto il poco real-time di un PC, avevo pensato di interporre una scheda elettronica (ecco perché il riferimento ad Arduino). Nella nostra scuola disponiamo comunque anche di PLC Siemens 7-1200, e quindi se con questi il lavoro si semplifica tanto di guadagnato.

A questo punto delle cose, però devo individuare i componenti necessari al sistema, da corredare al progetto. Per farlo funzionare quindi c'è tempo, ma non posso affermare che serve una cosa e poi salta fuori che è inadeguata.

Se qualche anima buona e competente può indirizzarmi, mi farebbe cosa grata.

Comunque un grazie a tutti coloro che si sono immedesimati nel mio problema.

Ciao, rb

[del_user_155042]

Ma non si può fare con un sistema meccanico con pistone e volano con andamento sinusoidale.??

Così si deve variare solo la velocità in modo lineare per stabilire solo la frequenza.

O mi sbaglio .??

[simuffa]

magari dico una fesseria ma un sistema biella-manovella in cui regoli la velocità?

[del_user_155042]

biella-manovella in cui regoli la velocità?

Appunto ,quello che stavo dicendo io ,cosi l'andamento credo sia sinusoidale .

Per variare la frequenza vasta variare la velocità del volano in modo lineare .

Per indovinare la frequenza basta un foto sensore o altro tipo .

il tergicristalli del auto ha lo steso movimento .

sentiamo Livio che dice ..

Modificato: 26 gennaio 2015 da bypass

[simuffa]

ahaha scusa bypass non avevo visto che avevi scritto la stessa cosa non volevo copiarti

[rbacchi]

grazie a tutti per le risposte.

Non penso che un passo passo possa risolvere il problema, ma vi prego di riprendermi se sbaglio.

In base ai dati che vi ho citato, trascurando il momento d'inerzia della vite e del rotore del motore, e trascurando pure le perdite meccaniche, la potenza richiesta per il movimento arriva ad un massimo di circa 130W (forza massima circa 300N). Con il sistema vite a ricircolo più motore, considerando i momenti di inerzia la potenza arriva (poi dipende dal motore) a circa 250W (con una vite passo 10mm il motore deve arrivare a 5000 giri/minuto e fare in tutto 5 giri). Non so se ci siano sfondoni nei calcoli, comunque alla fine aggiungerei un 30% per compensare gli attriti.

Per la soluzione biella-manovella, è la prima risposta dei meccanici: non posso però durante la prova variare la corsa.

Comunque ho un grosso buco su cosa aggiungere al motore per ottenere il moto voluto: encoder, dinamo tachimetrica...?

Rilancio anche l'idea del motore lineare, qualche dritta?

Forse si potrebbe rinunciare anche al controllo di posizione agendo soltanto sulla velocità, ma in questo caso occorrerebbe un sensore che avvisi il sistema quando il carrello è a metà corsa, così da potersi sincronizzare con la posizione. Lo scopo finale è quello di sottoporre il payload a delle vibrazioni a bassa frequenza, registrando poi in tempo reale le accelerazioni. Ma per quest'ultimo problema penso che si possa ricorrere ad accelerometri o a registrazioni video con un post processig sulle immagini .

[simuffa]

Per la soluzione biella-manovella, è la prima risposta dei meccanici: non posso però durante la prova variare la corsa.

a meno di variare il rapporto con una leva di mezzo come nelle macchine a vapore

se vai a 5 hz vai a far partire e fermare e tornare indietro un motore che deve arrivare a 5000 g/min con una vite collegata ogni 0.2 secondi?

[rbacchi]

sì, è così. Un po' impressionante vero?

Ma facendo i conti il motore ci dovrebbe arrivare

[Livio Orsini]

La soluzione ideale per questi dispositivi è un pistone ad aria compressa pilotato da una valvola proporzionale.

La pressione del che alimenta la valvola èì costante; si varia l'apertura della valvola in senso e nell'altro in modo da variare la velocità del pistone.

Oppure il sistema meccanico illustrato sopra, molto più semplice e facile da regolare.

[rbacchi]

Grazie Livio,

mi sai dare anche una dritta su dove cercare questi componenti?

Che tipo di pilotaggio richiede una valvola proporzionale?

Grazie ancora, ciao.

rb

[Livio Orsini]

Si pilotano in tensione.

Trovi questi dispositivi tra i produttori di fluidica e pneumatica. Fai una ricerca sul webb e avrai a disposizione cataloghi, data sheet indirizzi di svariati produttori.

[simuffa]

rbacchi, Livio ti sta proponendo una strada pianeggiante e una strada molto ripida

a quanto pare tu propendi per la seconda (ed è positivo) però mi pare di capire che non hai mai "giocato con l'aria"

immagino che tu faccia un itis e in quelle scuole c'è sempre un laboratorio di pneumatica (anche molto semplice).

Il mio consiglio è farti portare da un tuo bravo insegnante e cominciare a prenderci confidenza per non dover poi "rimpiangere" la tua scelta

[rbacchi]

Grazie Simuffa,

in realtà non butto via nulla e ascolto le vostre dritte. Credo che comunque la versione motore CC e vite senza fine sia quella più adatta. Anche perché dovrebbe scaturire un apparecchio da laboratorio**********************

Io da elettronico, che non disdegna a sporcarsi le mani in officina, vorrei però avere una visione certa su come risolvere il problema, e mi rimane il rusighino su come interfacciare l'azionamento con l'elettronica. Gli azionamenti cosa vogliono da noi? se un commando in velocità sta poi a me variarlo in base alla posizione, se volesse un comando di posizione, allora la velocità come la impongo?

Vedi non ho esperienze sull'uso degli azionamenti, quindi non ho la percezione di quanto la velocità sia tempestiva a rispondere al relativo comando. Se mi affidassi al vecchio segnale analogico, controllando la velocità secondo il profilo adatto, di quanto mi posso fidare in relazione alla posizione?

Alla fine il loop lo devo chiudere io (ad esempio con una scheda tipo Arduino oppure con il PIC).

Grazie ancora, e scusate la mia poca tempestività, ma sono steso dall'influenza.

Aloa, rb

***** N.d.M. *****

cerca di usare un linguaggio meno triviale. Forse per quelli della tua generazione ha poca importanza ilmodo di esprimersi, ma non è così per tutti. A qualcuno certe espressioni danno noia e fastidio, e vengono percepite come irritanti.

Modificato: 28 gennaio 2015 da Livio Orsini

[ghezzia]

Ciao io provo a darti un idea.

Se dici di avere già un S7-1200 con profinet a bordo, potresti optare per un brushless con il suo azionamemento S120. in questo modo, regolato in posizione, potresti adattare i valori di accellerazione e decellerazione in modo opportuno per creare la tua sinusoidale, variare la velocità e la posizione liberamente anche in movimento ( e potresti anche utilizzare come verifica on-line il trace control dello starter per vedere il grafico del tuo movimento = se è realmente sinusoidale).

Potresti creare all'interno del S120 i tuoi blocchi di spostamento (un paio di righe...) e con il plc gestiresti solo start, stop e i valori delle variabili.

E' scontato che tutto ciò dipende dal bugdet disponibile. Tutto si può fare. Con lo stesso sistema potresti anche mettere un motore lineare ma credo che poi i costi aumentino ancora di più.

[Livio Orsini]

per prima cosa, prima di scegliere il tipo di azionamento, dovresti fissare i parametri di velocità ed accelarazione.

Poi dovresti stimare il momento di inerzia del sistema.

COn questi dati si può procedere alla scelta ottimale del sistema di azionamento.

Le tavole vibranti, di grandi dimensioni, per le prove sul cemento armato, in genere sono azionate con sistemi oleodinamici.

Piccoli vibratori per prove di laboratorio usano il sistema volano-biella.

In mezzo a questi 2 estremi, c'è tutta una serie di possibilità dipendenti dalle prestazioni richieste e dai costi preventivati.

[rbacchi]

Ciao a tutti,

prima di tutto le doverose scuse: non credevo di poter offendere qualcuno, anche perché di solito gli ingegneri sono abituati alle ironie sia assolute che comparate (vedi vs matematici, fisici, periti, ecc.). Comunque sia, visto che è stato sollevato il problema, qualcuno si sarà ombrato, cosa che mi ha mortificato. Chiedo ancora scusa e cercherò di mantenere un comportamento più serio.

Ghezzia:

grazie per la dritta, abbiamo appena acquistato una dozzina di S7-1200, ma ancora non siamo così esperti, ma non è questo il problema attuale: c'è tempo per crescere. L'importante è capire che si può fare.

Livio:

scusa ancora (vedi sopra).

La tavola vibrante è per modellini (se vuoi conoscere il problema completo http://s3.amazonaws.com/europaconcorsi/competition_attachments/4776888/Urbino.pdf, sperando che le scuole concorrenti non attingano dai risultati delle mie ricerche).

Per chiarire le valutazioni per la ricerca di motori-azionamenti allego una serie di immagini relative a calcoli da me effettuati, tenendo presente che non ho considerato le perdite meccaniche: comunque è l'ordine di grandezza che interessa ora. Il motore scelto, dalla disponibilità dei PDF che son riuscito a scaricare, ma che sarei molto più contento se potessi attingere da aziende locali (IT), è il modello MPL-B1530U della Rockwell Automation (Allen Bradley). Ripeto che l'eventuale dubbio è come pilotarlo per fargli fare quello che desidero.

Allego dei grafici su quanto son riuscito a valutare.

Ciao a tutti.

Scusate, ho fatto confusione mancano le prime tre che metto qui:

Grazie a tutti, ciao.

rb

Vite a ricircolo di sfere, diametro 10mm passo 10mm/giro

[Livio Orsini]

In pratica devi accelerare da 0 a circa 5000 rpm in 100 ms con accelerazione cosinusoidale.

Non è unas prestaione banale.

Non so se quel valore di coppia sia quella riferita all'albero motore, perchè a me, visti i valori di forza richiesti, sembra bassa.

Se non scrivi qualche parola di spiegazione, quei diagrammi che hai pubblicato servono a poco.

[rbacchi]

Ciao Livio,

scusa se ho pubblicato un post un po' troppo arido. Sono tutti grafici in funzione del tempo per una durata di un secondo)

Comincio dalla terza figura (ho fatto un po' di confusione nel caricare le immagini):

sono i diagrammi del moto della piattaforma, così come richiesto dalle specifiche: posizione, velocità, accelerazione.

Quarta figura:

dalle leggi del moto, abbinando le espressioni Pot=M*a*v e F=M*a ottengo i profili della potenza e della forza necessarie al moto abbinate ancora alla posizione x. (massa=12.4kg)

Quinta figura:

Considerando una accoppiamento con una vite con passo=10mm/giro vengono visualizzati: l'angolo in radianti, la potenza necessaria istante per istante e la coppia. In questo caso (notare che la potenza necessaria è aumentata) ho aggiunto il momento d'inerzia del rotore del motore (0.000023 kg*m^2) e della vite senza fine (0.00000752 kg*m^2)

Prima figura:

per un approccio più umano (almeno secondo il mio modo di vedere le cose) sono riportati il grafico del numero di giri e della velocità del motore in giri/min.

Seconda figura:

per non farci mancare nulla vengono visualizzati l'angolo, la velocità angolare e l'accelerazione angolare (a mio modo di vedere le cose sono quelli con meno significato intuitivo di tutti).

Il tutto senza aver pensato alla presenza di attriti.

Quello che mi impressiona, a questo punto, è la tua perplessità sull'accelerazione richiesta: dai calcoli sembra che sia necessaria una coppia ragionevole, però istintivamente sembra che l'accelerazione sia un po' spinta. Visto che ritengo che la tua esperienza in questo campo sia smisurata, il tuo parere vale mille e mille calcoli teorici.

Aspetto tue considerazioni,nel rispetto del tempo che ci puoi dedicare.

Un'ultima considerazione: visto che in fase di decelerazione la potenza è negativa, occorrerà che l'azionamento sia in grado di smaltirla?

[Livio Orsini]

Dal diagramma velocità - tempo si evince che l'accelerazione media corrisponde a 5000 rpm per 100 ms ovvero 523,6 radsec in 100 ms. Se si considera che l'accelerazione ha andamento cosinosuidale l'accelerazione istantanea è in alcuni tratti anche maggiore.

La coppia motrice necessaria è funzione del momento di inerzia per l'accelelrazione secondo la:

• C_a = J_t * (dw / dt)

dove:

• dw è la variazione di velocità angolare espressa in radianti
• J_t è il momento d'inerzia espresso in kgm²
• dt è l'intervallo di tempo considerato espresso in secondi
• C_a è la coppia necessaria oer accelerare la mass ed è espressa in Nm

nel tuo caso C = J * ( 523.6 / 0.1) anche senza conoscere il valore del momento d'inerzia suppongo che la coppia necessaria non sia banale; se poi consideri che nel tratto iniziale della sinusoide l'accelerazione sarà ancora maggiore......

Se vuoi puoi leggerti questo mio tutorial sul dimensionamento dei motori elettrici. Ci sono anche alcuni esempio pratici.