Fresatrici CNC: i motori
29 October 2011 da Marco
Eccoci al secondo articolo riguardante le frese CNC (tanto per usare il termine comune, anche se scorretto). Di seguito andremo a trattare quella che è la parte fondamentale di una macchina cnc: i motori. Se con la meccanica sono stato piuttosto sbrigativo qui vorrei entrare più nei particolari e chiarire alcuni concetti che spesso vengono colti in modo errato. Quello che non farò è descrivere il funzionamento dei motori, se non a grandi linee (posso però consigliarvi questo breve ma chiaro documento); ci sono moltissime informazioni a riguardo e questa serie di articoli vuole incentrarsi sulle fresatrici CNC, quindi come i vari componenti lavorano fra di loro e non come lavorano singolarmente.
Fatta questa premessa iniziamo col descrivere brevemente i motori più utilizzati sulle fresatrici a controllo numerico:
Servomotori brushless
Inizio con questi perché poi andrò a descrivere in modo più dettagliato la configurazione dei motori passo passo (con cui ho avuto esperienza sulla mia macchina).
Si tratta di motori sincroni trifase dotati di magneti permanenti, solitamente costituiti da terre rare (Samario-Cobalto, Neodimio-Ferro-Boro) . Questi motori sono l'ideale per gestire spostamenti rapidi e precisi mantenendo coppie elevate. Oltre al vantaggio di non avere contatti striscianti possiedono degli encoder che tengono traccia dei posizionamenti eliminando di fatto la possibilità di errore. Hanno una reazione molto rapida, circa la metà dei comuni motori in CC, e questo permette accelerazioni e decelerazioni molto rapide. Possono lavorare tranquillamente anche in condizioni ambientali non comuni quali alte temperature, umidità elevata etc.
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Vi chiederete se hanno dei difetti, ma l'unico potrebbe essere il costo. I servo brushless per funzionare hanno bisogno di inverter, encoder di posizione ed un'elettronica di controllo dedicata. Solitamente i brushless concepiti per essere montati su fresatrici CNC vengono venduti insieme a tutta l'elettronica in grado di farli funzionare a dovere. E' ovviamente possibile comprarsi i vari componenti separatamente e procedere alla programmazione da sè. |
Montare questo tipo di motori su una fresatrice CNC è sicuramente il meglio, come sempre però le varie componenti vanno equilibrate. Dei motori del genere non si possono sfruttare su meccaniche che flettono o vibrano facilmente, soprattutto per le rapide accelerazioni e coppie generate. Fra l'altro stiamo parlando di motori che possono costare anche 300 euro a pezzo (quelli piccoli), compresi di controllo.
Al lato pratico comunque è quasi più facile montare questi motori piuttosto che i passo passo; spesso i kit in vendita sono già pre-cablati e configurati.
Motori passo passo
Questo genere di motori sono i più utilizzati nelle frese CNC hobbistiche e venivano usati alcuni decenni fa anche in quelle professionali. La differenza fondamentale rispetto ai servomotori è che non funzionano a ciclo chiuso, quindi nessuna retroazione. Un motore passo passo comune non sa di quanto si sta muovendo e quindi non è possibile agire per eliminare errori. E' possibile montare comunque degli encoder ma l'affidabilità non è comunque comparabile ai servomotori. Non richiedono elettroniche complesse per funzionare potendo essere pilotati da semplici segnali step/dir.
Oltre agli ampere di assorbimento ed alla coppia generata, un valore importante da tenere in considerazione (spesso trascurato) è l'induttanza: uno stepper con un'induttanza alta offrirà più coppia a bassi giri ma meno coppia ad alti giri. E' possibile ridurre in parte questo problema montando dei driver che lavorano in modalità chopper.
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Un motore stepper è in grado di muoversi a step (passi) grazie a degli impulsi digitali che attivano/disattivano determinati avvolgimenti, quindi bloccando il rotore mediante campi magnetici. Comunemente questi motori hanno 200 passi a giro, ad ogni passo l'albero ruoterà di 1.8° ( |
Faccio un esempio pratico prendendo come riferimento la mia macchina. Io ho montato dei motori passo passo da 200 passi giro; Le viti di trasmissione hanno passo 4mm. Se pilotassi i motori in full step (tralasciando il rumoraccio generato) otterrei una risoluzione di 
. Cioè lo spostamento minimo sarà di 2 centesimi.
Usando degli azionamenti a microstepping (di cui parlerò in un altro articolo) è possibile far posizionare il rotore in posizioni intermedie, arrivando anche a 25600 passi giro. Quest'ultimo settaggio è esagerato e riduce la coppia motore enormemente, come vedremo tra poco. Personalmente trovo che 800 passi giro siano il giusto compromesso: i movimenti sono fluidi, la coppia rimane sufficiente e la risoluzione è più che adeguata. Saranno anche i settaggi di accelerazione e velocità iniziale a garantire dei buoni movimenti senza perdita di passi.
Piccola nota: questo genere di motori è studiato per lavorare a temperature relativamente alte, solitamente tra i 50° ed i 80° centigradi, quindi nessun problema se al tatto li sentite scottare.
Microstepping e coppia
Come ho accennato prima la coppia nominale del motore diminuisce all'aumentare del microstepping. Il motore è in grado di generare la sua coppia massima solo quando il rotore si trova bloccato in uno dei 200 passi fisici e non nelle frazioni. Questo significa che se si trova in una posizione intermedia la forza necessaria a sbloccarlo sarà minore. E' possibile calcolare la caduta di coppia a diversi micropassi con questa formula:
Con un motore da 3 Nm pilotato a 8 micropassi avremo quindi:
malgrado la coppia cali in modo esponenziale il problema non è molto rilevante per delle macchine cnc hobbistiche. Con viti passo 4 e rapporto motore/vite 1:1 avremo comunque la massima coppia ogni 2 centesimi di spostamento, ed il 70% ogni centesimo.
Alimentazione
I motori passo passo solitamente possono lavorare a voltaggi decisamente bassi, attorno ai 5v per fase. Sfortunatamente un motore stepper che lavora a quei voltaggi viaggerebbe a velocità ridicole (parlo di poche decine di giri al minuto). La realtà è che i volt di alimentazione devono essere maggiori dalle 3 alle 20 volte da quelli ricavati in forma teorica. Per forma teorica intendo misurare la resistenza degli avvolgimenti e, conoscendo gli ampere, ricavare il voltaggio con la legge di ohm:
Nel mio caso specifico otterrei un voltaggio di 4,2V, che moltiplicati per gli ampere darebbero solo 12,6 watt di potenza assorbita. E' logico che 12,6 watt non sono sufficienti a spostare una meccanica da parecchi chili a 3500 mm/min (sempre nel mio specifico caso), quindi la verità è un'altra.
Usando degli azionamenti che pilotano il motore a voltaggi diverse volte più alti di quelli nominali si otterranno prestazioni migliori. I miei driver sono da 48V e le prestazioni posso definirle buone. Anche in questo caso però non è corretto moltiplicare il voltaggio dei driver per l'assorbimento di corrente dei motori; così facendo si otterrebbe un valore di picco raramente raggiungibile, anche considerando che i driver più moderni regolano la tensione in uscita a seconda del carico. Quello che dico potete verificarlo applicando un amperometro all'uscita dell'alimentatore mentre la macchina è in lavorazione. Comunemente un alimentatore che regga i 3/4 dei watt di picco è sufficiente.
Tags: fresa cnc, motori passo passo
Pubblicato in Elettronica | Commenti (1)
5 November 2011 alle 10:55
[...] chiarezza riguardo ai motori passiamo alla parte elettronica vera e propria. L'elettronica delle macchine cnc è solitamente [...]