nuovo orizzonte di Beckhoff

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AO
Rassegna I/O distribuito
Panorama Industria meccanica
357 Settembre 2012 Anno 29 7 4.50
Speciale
Soluzioni
e applicazioni
di robotica
Inserto Soluzioni
Software per l’industria
AO
Meccatronica:
nuovo orizzonte
di Beckhoff
COPERTINA
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Beckhoff presenta XTS – eXtended Transport System, un sistema
di trasporto a carrelli indipendenti in grado di cambiare il modo
di concepire il motion control
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risparmiare non solo sull’hardware di fornitura, ma anche
sulle costose infrastrutture delle macchine destinate alla
produzione. Anche nel caso di sfruttamento della velocità
fino a 4 m/s viene mantenuta la massima precisione di posizionamento.
Tutti i componenti XTS vengono sviluppati e prodotti da
Beckhoff in Germania. Insieme al software di automazione
TwinCAT e al motion control basato su PC Beckhoff, XTS
offre una soluzione di azionamento completa e integrata.
Il nuovo principio di motore lineare
Le possibilità d’impiego per XTS non conoscono limiti: i carrelli possono accelerare, frenare, posizionarsi e sincronizzarsi, assumere posizioni assolute e relative l’uno rispetto
all’altro, raggrupparsi e accumularsi, creare forze di bloccaggio contemporaneamente al loro movimento, percorrere
curve con la stessa velocità nei tratti rettilinei, possono recuperare energia grazie alla frenatura con recupero e sfruttare
sia le tratte di andata sia quelle di ritorno per trasportare
pezzi. E tutto ciò con una regolazione precisa della posizione, senza oscillazioni, senza gioco, senza affaticamento
e stress dei materiali, pressoché senza usura e senza costosi
interventi di manutenzione.
Con questo nuovo concetto di motore lineare si aprono
orizzonti totalmente nuovi nel motion control: caratteristiche del motore lineare su un percorso senza fine; numero
infinito di carrelli su un tratto comune; struttura modulare,
semplice adattamento all’applicazione; ingombri ridotti e
basso consumo energetico; semplice attuazione di compiti
di trasporto complessi; sorprendente semplicità di progettazione e montaggio.
Componenti del sistema XTS
Il sistema XTS può essere configurato in modo semplice e
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Iniziativa realizzata in collaborazione con la direzione marketing
I
l nuovo sistema di movimentazione XTS (eXtended
Transport System) di Beckhoff offre libertà senza precedenti nella costruzione di nuove macchine, combina i vantaggi degli usuali sistemi rotativi con quelli
degli azionamenti lineari e rappresenta un sistema di
azionamento che estende il principio del motore lineare attuale: XTS è il motore lineare che corre su un anello chiuso
su se stesso. Il motore, insieme all’elettronica di potenza e
al sensore di movimento, è completamente integrato in un
modulo. Questa è la vera rivoluzione combinata con l’intelligenza del software di gestione del movimento. Uno o
più ‘carrelli’ privi di collegamenti si muovono su una configurazione di percorso pressoché libera e flessibile in modo
altamente dinamico, fino a una velocità di 4 m/s. Con una
forma costruttiva compatta, XTS rivoluziona il motion control e apre la strada a concetti di macchina completamente
innovativi e in grado di ridurre gli ingombri della soluzione.
XTS è un sistema meccatronico composto da alcuni componenti estremamente compatti che contengono tutte le
funzioni necessarie per il funzionamento: un motore lineare modulare completamente integrato con la propria elettronica di potenza e il sensore di movimento in un unico
componente; uno o più carrelli come elementi mobili; un sistema di guide meccanico; un PC industriale con il software
di controllo TwinCAT.
Le geometrie, le lunghezze e i raggi desiderati del sistema di
trasporto variano in funzione del numero e della selezione
dei componenti. È possibile fare a meno di complessi e costosi cablaggi e di catene portacavi. Inoltre il sistema di misurazione della posizione è già integrato.
XTS consente di sfruttare al massimo le volumetrie delle
macchine, poiché in tutta la sua corsa (curve comprese), utilizzabile in entrambi i sensi di marcia, può essere sfruttato
per il trasporto attivo di materiale. In questo modo si può
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modulare: i moduli dei motori costituiscono un’unità singola con i carrelli e le guide, contengono le bobine elettromagnetiche e tutti gli altri componenti attivi e necessari per
il funzionamento del sistema.
Modulo motore XTS
Il motore lineare, pienamente integrato con elettronica
di potenza e sensore di movimento, rappresenta un’unità
meccatronica, contenendo le bobine elettromagnetiche
con tutti i componenti attivi necessari al proprio funzionamento e al sistema, rende necessari in aggiunta solo
l’alimentazione di tensione e un collegamento Ethercat.
È possibile fare a meno di un quadro elettrico. Il modulo
motore infatti non contiene parti mobili e pertanto non è
soggetto a usura.
La disposizione delle bobine e la struttura meccanica sono
predisposte per la messa in funzione immediata, in quanto
l’elettronica di potenza è ottimizzata secondo esigenza, e
la parametrizzazione del sistema non è necessaria. Grazie
all’integrazione del sensore di posizione-movimento risulta
superfluo un ulteriore montaggio, nonché la taratura di un
carrelli consentendo che le elevate forze di attrazione dei
magneti si annullino a vicenda. Pertanto sul supporto meccanico si scaricano solo ridotte forze risultanti.
Guida XTS
Il sistema di guide è ampliabile a piacere con tratti rettilinei e curve. Le geometrie, le lunghezze e i raggi desiderati
vengono determinati dal numero e dalla tipologia dei componenti scelti. In combinazione con la superficie di scorrimento dei rulli del carrello, risultano buone le caratteristiche
di scorrimento e la conseguente riduzione di usura fa sì che
la lubrificazione del sistema in applicazioni standard non sia
necessaria. Il sistema di guide è ottimizzato per il montaggio
diretto sul modulo motore con tolleranze di fabbricazione
e rulli pretensionati che assicurano un’assoluta assenza di
gioco. Le guide, prive di bordi e di lunghezze fino a 6 metri,
sono disponibili con accoppiamenti che assicurano un montaggio estremamente preciso.
Carrello XTS
Il carrello contiene piastre magnetiche che, insieme alle bo-
Il sistema di trasporto lineare XTS consente il trasporto individuale del prodotto con un flusso continuo di materiali. Grazie
al ridotto volume costruttivo è possibile aumentare l’efficienza e ridurre notevolmente le dimensioni di una macchina.
eventuale encoder, mentre le tolleranze vengono compensate automaticamente. L’XTS utilizza un motore lineare a
doppio traferro.
La disposizione dei magneti avviene in maniera contrapposta su entrambi i lati tramite un apposito montaggio sui
bine del modulo motore, creano forza elettromotrice regolata. Il carrello assorbe le forze di attrazione dei magneti di
entrambi i lati e li compensa quasi completamente rispetto
alla meccanica di guida. In questo modo i rulli del carrello
possono scorrere, con poco attrito e relativa usura, a una
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velocità elevata nella guida. I rulli sono dotati di una superficie di scorrimento in materiale plastico particolarmente
resistente, per cui le perdite per attrito sono ridotte. Il precarico dei rulli annulla il gioco e, nel contempo, è concepito
anch’esso per non causare usura eccessiva. La durata dei
rulli dipende dal carico utile. Una ‘pinna’ del trasduttore,
meccanicamente rigida e robusta, trasmette il segnale di
posizione al modulo motore.
Il carrello è un elemento puramente passivo; non sono pre-
Libera mobilità di uno o più carrelli
senti contatti striscianti o cavi in movimento. Con un peso
inferiore ai 350 g, il carrello è particolarmente leggero e la
sua lunghezza ridotta consente una distanza fra i prodotti
trasportati fino a 50 mm. La geometria delle guide permette
anche movimenti in curva con dinamica e velocità massima.
Per come è accoppiato, non si verifica alcuno sviluppo di
calore né sulla superficie del carrello né al suo interno.
Benefici: vantaggi plurimi grazie a XTS
Configurazione su misura - XTS si adatta in modo
preciso alle esigenze richieste: il numero non predefinito di
carrelli, il percorso modulare, la controllabilità individuale
di ogni singolo carrello e la facile integrazione in macchine
e impianti esistenti garantiscono una soluzione facile da
implementare, tramite la quale si ottimizza l’efficienza di
produzione.
Maggiore velocità di produzione - Senza vibrazioni e con un’inalterata precisione di posizionamento, con
XTS si raggiungono fino a 4 m/s. Sincronizzazione, arresto e
ripartenze possono essere effettuate su qualsiasi posizione
lungo l’intero percorso di movimento. Inoltre, la reattività è
sensibile: profili di accelerazione senza vibrazioni e pendo-
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lamenti consentono addirittura il trasporto di liquidi in contenitori aperti. Anche quando sulle stazioni di lavorazione è
necessario un arresto e una ripartenza, il flusso di prodotti
rimane inalterato.
Compatto - Con XTS è possibile sfruttare in modo ottimale il volume delle macchine, poiché il percorso di andata
e di ritorno, nonché le curve, possono essere utilizzate per
il trasporto attivo di materiale. In questo modo si risparmia
non solo sull’hardware,
ma anche sulle costose
infrastrutture delle macchine destinate alla produzione. L’elettronica
di potenza, il sensore di
movimento, l’elemento
primario del motore e
le superfici di fissaggio
sono integrate in un
unico componente. Pertanto sono soddisfatti
tutti i presupposti per la
realizzazione di una costruzione di macchine
compatte ed economiche.
Meno usura, meno
manutenzione - L’impiego di XTS assicura una
minore usura meccanica,
poiché meccanicamente
deve essere supportato
solo il carrello. Riduttore,
cinghie, nastri, pulegge di rinvio e bloccaggi non sono più
necessari. Grazie all’elevata qualità di posizionamento, non
è indispensabile compensare le imprecisioni delle soluzioni
di trasporto usuali: l’allungamento della catena in caso di
carico e usura, il tensionamento successivo della cinghia
dentata o il gioco meccanico in caso di cambi di carico si
possono dimenticare. Oltre al carico utile trasportato viene
movimentata solo la massa ridotta del carrello (< 350 g).
Adattamento al formato rapido e flessibile Soprattutto nell’industria dell’imballaggio un adattamento
flessibile rispetto al formato del materiale movimentato rappresenta un grande vantaggio: nel caso di un cambio di prodotto oppure, ad esempio, di una modifica della quantità
di riempimento è eseguibile un cambiamento del formato
senza arrestare la produzione.
Le modifiche vengono realizzate cambiando i parametri
previsti nel software; allo stesso tempo i valori empirici
possono essere salvati come set di parametri ed essere richiamati in qualsiasi momento. I parametri sono sostituibili
tra applicazioni equivalenti. In molti casi infatti non sono
più necessarie lunghe regolazioni meccaniche in occasione
della messa in funzione.
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Coppie di spunto ed elevata accelerazione - La
rapida elaborazione dei segnali e la grande larghezza di
banda possibile con Ethercat, veloce bus Ethernet in tempo
reale, consentono le migliori caratteristiche dinamiche.
Insieme alle elevate forze di picco possibili l’applicazione
può contare su un’elevata accelerazione. Un monitoraggio
della differenza di posizionamento evita danneggiamenti al
prodotto nel caso di guasti meccanici; inoltre la limitazione
della forza e la riduzione delle vibrazioni consentono di gestire il prodotto sempre in modo ottimale nelle varie fasi di
produzione. I parametri possono ad esempio essere adattati
durante la corsa, in funzione del livello di riempimento.
Massa minore, maggiore sicurezza - Masse minori
producono un minore potenziale di problematiche. Contrariamente a quanto avviene nel sistema XTS, nei sistemi
convenzionali è necessario mantenere in movimento un
manipolazione di prodotti come sollevamento, chiusura, rotazione, avvitamento della chiusura.
Un flusso irregolare e casuale di pezzi viene singolarizzato
per essere convogliato alla stazione di lavorazione successiva mantenendo una distanza e una velocità controllate.
I prodotti vengono prelevati e trasportati da una stazione
di lavorazione alla successiva e se i percorsi tra le stazioni
sono liberi verranno attraversati ad alta velocità, altrimenti i
prodotti si muoveranno verso la stazione intermedia. Su stazioni di lavorazione lente i prodotti possono essere lavorati
parallelamente e in gruppi, mentre le stazioni rapide lavorano ogni volta un solo prodotto. Il percorso di ritorno può
sempre essere sfruttato in modo attivo e ad alta velocità.
Funzioni base di XTS
Il sistema XTS comprende una nuova classe di funzioni che
consentono di risolvere compiti di trasporto e di posizio-
Traslazione sincrona di un gruppo
trasportatore a catena tramite un azionamento centrale. Di
conseguenza, la forza complessiva è tanto grande quanto la
somma delle forze singole necessarie sull’intera lunghezza.
Ne consegue che la forza complessiva può agire su un punto
quando si verifica un errore o un guasto meccanico oppure
si deve poi intervenire manualmente nel processo. Con XTS
questo rischio viene notevolmente minimizzato e aumenta
l’affidabilità perché, nella maggior parte dei casi, agisce solo
la forza parametrizzata di un carrello. Così, in caso di collisione con un ostacolo, agisce solo la massa di un carrello
con il suo carico utile.
Campi di applicazione XTS - XTS è utilizzabile in modo
versatile nei più svariati settori. È studiato appositamente
per il trasporto di materiale ad alta velocità: spostamento
di prodotti, adeguamento della distanza tra prodotti, riduzione o aumento della velocità dei prodotti; bloccaggio e
movimento di prodotti; trasporto ed estrazione di prodotti;
namento particolarmente flessibili con un investimento ridotto.
Libera mobilità di un carrello - Il carrello può essere mosso liberamente lungo l’intero percorso, vale a dire
che può frenare, accelerare, posizionare, nonché esercitare
una forza costante sia a riposo sia durante il movimento.
Come ogni motore lineare, il carrello può sincronizzarsi con
altri movimenti, ma senza cavi sulla slitta in movimento,
consentendo così la massima flessibilità possibile. In caso
di disposizione in un percorso ad anello, i carrelli possono
spostarsi all’infinito e seguire il flusso di prodotti, senza utilizzare, in questo caso, movimenti di ritorno.
Libera mobilità di più carrelli - Tutti i carrelli possono essere mossi indipendentemente l’uno dall’altro ed
essere collocati su posizioni assolute lungo l’intero tragitto.
Inoltre, possono essere spostati relativamente ad altri car-
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relli, evitando così qualsiasi collisione con il loro carrello
adiacente. I carrelli possono raggrupparsi automaticamente
ed essere utilizzati con una funzione di buffer intermedio,
flessibile e in movimento con una dinamica molto elevata,
verso una destinazione anch’essa in movimento.
Traslazione sincrona con movimento a gruppo
- Durante il movimento è possibile formare gruppi che si
arrestano contemporaneamente o che passano lungo le stazioni di lavorazione con un profilo di velocità predefinito.
Questa formazione viene supportata a piacere sull’intero
percorso e la grandezza del rispettivo gruppo (quantità e
distanza) adattata in modo dinamico.
Forza costante - Un carrello segue gli altri ‘compagni di
viaggio’ con una forza definita: può creare una ‘forza di bloc-
caggio’ fra due carrelli e, contemporaneamente, seguire un
movimento, ad esempio per tenere bloccato un prodotto.
Per altri casi applicativi è possibile limitare la forza, al fine
di non sollecitare eccessivamente un prodotto in tutte le
condizioni.
Anche le forze di accelerazione e le forze centrifughe possono essere limitate, ad esempio per consentire il trasporto
di liquidi in contenitori aperti.
Funzione curva illimitata - L’intero percorso di traslazione diventa un percorso utile al trasporto. Il percorso
di andata e di ritorno come anche le curve sono disponibili
per il trasporto di materiale e per la lavorazione. In questo
modo sono possibili soluzioni applicative molto compatte
e integrate che consentono concetti macchina completamente nuovi.
Il nuovo concetto di motore lineare
Intervista con Uwe Prüßmeier
l sistema XTS è stato sviluppato in tempi brevissimi:
dall’idea alla presentazione alla fiera di Hannover
2012 è passato meno di un anno. Nella breve intervista Uwe Prüßmeier, product manager per la
tecnologia bus di campo e motion control, coinvolto
in modo determinante nello sviluppo di XTS, spiega i
retroscena e i dettagli costruttivi del nuovo concetto di
motore lineare.
A.O.: L’XTS segue in modo coerente le tecnologie di
base Beckhoff PC-based Control ed Ethercat. Quali
erano le idee di base nello sviluppo dell’XTS?
Uwe Prüßmeier: La potenza di calcolo dei nostri PC è
cresciuta di un fattore superiore a 1.000 negli ultimi 10
anni. Pertanto, si pone la questione su cosa si potrà realizzare con tali PC in futuro. Tramite Ethercat si possono
trasferire grandi quantità di dati da e verso il PC per
sfruttarlo in modo corretto. Ci siamo liberati da vecchie
soluzioni e abbiamo riflettuto sul motore lineare ottimale
dal punto di vista dell’utente. Un numero qualsiasi di
carrelli e il movimento senza fine ci sono sembrati i
criteri più importanti. Tecnicamente pensavamo fosse
già possibile controllare tutte le bobine del motore centralmente e calcolarne e controllarne tutte le posizioni
nel PC. Anche la capacità di calcolo necessaria aveva
raggiunto un rapporto prezzo/prestazioni eccellente per
l’utente. Abbiamo quindi iniziato a sviluppare un sistema
meccatronico. L’XTS però è più di una semplice prestazione su base IT. Qui anche i costruttori dell’industria
meccanica e gli sviluppatori elettronici hanno collaborato
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Uwe Prüßmeier, product manager tecnologia Bus di campo
e Motion Control, Beckhoff
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tità può infatti essere adattata nel
modo più conosono all’applicazione. In pratica, il numero è limitato solo dalla potenza di calcolo di
cui dispone il PC.
Traslazione con forza costante
Quantità non predefinita di carrelli - Non ci
sono limiti di sistema per il numero dei carrelli; la quan-
in modo intenso. Si tratta di ‘un’opera d’arte’ a cui hanno
contribuito tre discipline.
A.O.: L’XTS in che cosa si differenzia da un motore
lineare convenzionale?
Uwe Prüßmeier: Oltre alle consuete buone caratteristiche di posizionamento del motore lineare, il sistema
XTS consente il movimento senza fine dei carrelli. Ciò
comporta un grande vantaggio: il carrello non deve mai
arretrare andando in senso inverso alla direzione di
trasporto. Altresì, un grande numero di carrelli può percorrere lo stesso tratto. Per l’XTS abbiamo sviluppato un
motore a doppio traferro. Ciò significa che sono presenti
due magneti opposti che si muovono sul pacchetto di bobine. Le forze di attrazione tipicamente alte dei magneti
vengono assorbite da un supporto statico meccanico
praticamente annullandosi.
Rispetto al motore lineare convenzionale, l’XTS richiede
solo ridotti requisiti al sistema di guida meccanico. I
carrelli possono essere mossi quasi senza l’influsso di
forze statiche. Con 350 g, la massa del carrello è molto
ridotta, quindi tutta la coppia motore, senza una riduzione degna di nota a causa dell’attrito, è a disposizione dell’applicazione. Complessivamente l’XTS, oltre
alle nuove caratteristiche menzionate, presenta ulteriori
vantaggi rispetto al motore lineare convenzionale, come
la migliore accelerazione, un ottimo bilancio energetico
e un’usura ridotta.
Lunghezza arbitraria del
sistema - Per l’intero percorso
non esistono limitazioni di lunghezza: sono possibili 10 m e anche
molto più. Tramite l’alimentazione
individuale di bobine viene creato
un campo magnetico ‘in movimento’, il quale trascina i magneti
permanenti del carrello. La forza elettrica regolata dalle bobine si adatta al fabbisogno di forza del carrello.
Gli elementi di base, il modulo motore e le piastre
magnetiche devono essere acquistate singolarmente.
A cosa deve badare l’utente durante la progettazione
di guide e carrello propri?
Uwe Prüßmeier: L’utente può acquistare le guide e il
carrello da noi o svilupparli in proprio, in funzione della
sua applicazione. Il carrello è costruito in modo tale da
poter percorrere tutti i raggi superiori a 150 mm. Per
altri raggi non è obbligatoriamente necessario un carrello
‘nuovo’, ovvero di tipo diverso. A seconda delle esigenze
del mercato, siamo in grado di offrire diversi moduli motore con una guida adatta. Probabilmente, con il carrello
proposto da noi non riusciremo a soddisfare tutte le esigenze pratiche, pertanto diamo la possibilità all’utente di
impiegare una guida e il carrello di propria progettazione.
A.O.: Una possibilità d’impiego dell’XTS è il bloccaggio di un oggetto tra due carrelli. Fino a quali forze è
concepita la funzione di bloccaggio?
Uwe Prüßmeier: Raggiungiamo forze fino a 100 N. Per
la forza continua il limite è rappresentato dall’auto riscaldamento delle bobine del motore. Poiché sfruttiamo il
principio del motore lineare in modo inverso, la bobina è
in posizione ferma e la piastra magnetica in movimento;
è possibile così esercitare grande forza per movimenti
rapidi del carrello. Solo in posizione da fermo, quando il
carrello si trova sempre sopra una bobina, la forza continua si riduce a 30 N.
A.O.: Il sistema XTS è strutturato in modo modulare.
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di Lucrezia Campbell
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