Storia

1700's

È generalmente accettato che l'inizio della rivoluzione industriale sia iniziato intorno al 1760. Naturalmente questo dipende da quale riferimento si usa. In definitiva, la spinta ad automatizzare i compiti ripetitivi è iniziata all'incirca quando l'uomo l'ha fatto. La "fine" della rivoluzione industriale si suppone sia avvenuta circa 100 anni fa, anche se guardandosi intorno oggi non sembra affatto finita. Il livello odierno di industria e automazione supera facilmente i sogni dei primi inventori. Inventori che, nel corso del 1700 e del 1800, hanno fatto progredire la tecnologia delle macchine e hanno dato il via alla creazione dell'odierna industria del controllo del movimento.

cinture

L'automazione delle prime fabbriche con sistemi di cinghie e pulegge.

1800's

Il controllo del movimento era inesistente e l'automazione prendeva la forma di motori grezzi con treni di trasmissione a cinghia e puleggia. L'alimentazione di un edificio industriale richiedeva una grande ruota ad acqua all'esterno o un motore a vapore nel seminterrato.

Di solito un treno di trasmissione verticale correva attraverso l'edificio da una macchina a vapore nel seminterrato per trasmettere la potenza meccanica ad ogni piano. A livello del piano, una trasmissione convertiva la potenza dal treno di trasmissione verticale a un treno orizzontale che attraversava il piano.

bobine

Sostituzione delle bobine sui macchinari

Ogni reparto che aveva bisogno di energia meccanica si collegava alla linea principale con un meccanismo di frizione. Gli operatori delle macchine da cucire, per esempio, usavano una frizione a pedale per collegare le singole macchine da cucire alla fonte di energia.

1900's

trapano1895

Gli ingegneri hanno usato lo slancio della fine del 1800 per portare gli apparecchi elettrici ai consumatori. L'invenzione di Edison del generatore a corrente continua negli anni 1870, l'elettricità pubblica e il motore a corrente alternata di Tesla negli anni 1880, e il primo trapano elettrico a mano negli anni 1890 diedero il via a lavatrici e frigoriferi elettrici intorno al 1915. A quell'epoca Henry Ford aveva da poco realizzato una linea di produzione mobile in cui le parti erano standardizzate e l'efficienza della fabbrica aumentava.

La scoperta del feedback

Era il 1927 quando Harold Black rivoluzionò le comunicazioni con il concetto di feedback negativo negli amplificatori. Non fu il primo a chiudere un anello di retroazione però, perché i termostati e le fornaci regolavano la temperatura della stanza usando la retroazione fin dalla fine del 1800. James Watt aveva lavorato su un ciclo di feedback meccanico per il suo motore a vapore ancora prima. In modo simile alla storia, Harold Black ebbe un'epifania una sera, mentre tornava a casa dal lavoro, che applicando una parte dell'uscita di un amplificatore all'ingresso si poteva ridurre sostanzialmente la distorsione del segnale. Poco dopo la scoperta di Black, i primi prodotti di controllo del movimento pneumatico arrivarono negli anni '30 impiegando il feedback per il controllo ad anello chiuso.

Equazioni e diagrammi originali di Harold Blacks che descrivono il feedback negativo. Annotato mentre andavo al lavoro in traghetto.

A questo punto, il controllo proporzionale-integrale-derivativo (PID) stava appena emergendo come pensiero cosciente per la maggior parte del mondo. J.C. Maxwell scrisse un'analisi matematica dettagliata sul PID nel 1886, ma ci vollero circa 50 anni perché arrivassero prodotti che usavano intenzionalmente il tuning PID. Gli anni 40 e 50 hanno segnato l'inizio di grandi passi avanti nel controllo PID. Si riconobbe finalmente l'importanza dell'analisi matematica e si cominciò a sviluppare la teoria del controllo come scienza. Questo era, naturalmente, un periodo molto grezzo del controllo PID.

Durante gli anni '50, '60 e '70, il volo spaziale e la guerra hanno contribuito a stimolare lo sforzo di sviluppare algoritmi di controllo ottimizzati. I dispositivi a stato solido e la tecnologia dei motori si svilupparono negli anni 60 fino al punto in cui il controllo PID migrò nei microcontrollori. Vari miglioramenti e ottimizzazioni sono continuati fino alla fine degli anni '70, quando la tecnologia di commutazione a modulazione di larghezza di impulso (PWM) è stata introdotta insieme ai motori a magneti permanenti senza spazzole. Il controllo del movimento non è stato più lo stesso da allora.

Controllo del movimento digitale

Negli ultimi 20 anni DSP, networking e tecnologia di commutazione PWM hanno creato un aumento esponenziale nell'uso del controllo del movimento ad anello chiuso. La tecnologia di commutazione PWM negli amplificatori e negli alimentatori ha reso possibile la trasmissione di potenza ad alta efficienza e a basso calore. In pochi anni, le dimensioni di un amplificatore per motori da 2kW si sono ridotte da 100 libbre o più, a qualcosa che può essere portato a mano e imbullonato a un pannello.

Intorno al 1990, i prodotti di controllo del movimento basati su DSP hanno iniziato a consentire una sofisticata profilazione del movimento e la comunicazione digitale tramite reti seriali. Questi rapidi cambiamenti nella tecnologia crearono un'interruzione nella standardizzazione dei prodotti di controllo del movimento. Protocolli di rete come Profibus (1989), DeviceNet (1994) e Smart Distributed Systems (1994), per esempio, tentarono di conquistare il mercato della Control Area Network (CAN). Una delle prime reti, CAN, esisteva dalla metà degli anni '80 per la comunicazione automobilistica; si è dimostrata così versatile che si è trasferita nel mondo dell'automazione negli anni '90. Sercos uscì all'inizio degli anni 90 usando un proprio strato hardware con linee di trasmissione in fibra ottica, mentre altre reti proprietarie arrivarono usando uno strato hardware RS-485.

Oggi l'industria è tutt'altro che standardizzata con un'incredibile disponibilità di schede di controllo del movimento intelligenti, servoamplificatori, motori, dispositivi di feedback e collegamenti meccanici. Vedere "Motion Control Today" per un breve aggiornamento su tutte queste opzioni.

Presente

Oggi ci sono molte scelte quando si mette insieme un sistema. Teoricamente, il sistema ideale può essere creato abbinando la migliore rete, il miglior controller, il miglior servoazionamento, il miglior motore e il feedback. Tuttavia, questo sogno è spesso difficile da realizzare a causa di problemi di interoperabilità. La ragione è che i produttori di apparecchiature di controllo del movimento tendono a sviluppare i loro sistemi proprietari che limitano gli utenti all'hardware prodotto da quel produttore. Molte volte gli utenti trovano soluzioni confezionate adeguate per il lavoro, ma spesso l'utente non ottiene le migliori prestazioni possibili. C'è un compromesso tra convenienza e prestazioni.

I progettisti di sistemi di controllo del movimento richiedono sempre più la disponibilità di soluzioni standard aperte. I sistemi basati su standard aperti permetteranno agli ingegneri di scegliere i componenti che soddisfano le loro esigenze di costo/prestazione e renderanno più realistico il second sourcing di componenti critici. CANopen è stato sviluppato specificamente per il controllo del movimento ed è spesso la rete scelta per la sua comprovata affidabilità nel controllo del movimento ed è uno standard aperto. Ethernet Power Link (EPL) è un'estensione Ethernet di CANopen che sfrutta gli alti tassi di connettività di Ethernet pur mantenendo le robuste capacità di comunicazione di CANopen. Gli standard di rete aperti come questi aiuteranno a spingere lo sviluppo del sistema di controllo del movimento al prossimo livello di prestazioni e convenienza. Il futuro del controllo del movimento vedrà una migliore integrazione dei componenti del sistema e una più facile integrazione e programmazione.

Controller

mc-history-controllerI controllori di movimento forniscono intelligenza al movimento di una macchina. Possono essere stand-alone o schede PCI che si montano direttamente in un PC. Caratteristiche come la generazione di traiettorie, la profilazione della curva a S, la compensazione, i filtri passa basso, i filtri notch e altri algoritmi rendono i profili strettamente controllati più facili che mai da ottenere. I controllori di movimento possono controllare macchine a uno o più assi con reti distribuite o centralizzate. CAN e 100Base-T sono i livelli di rete più comuni. Queste soluzioni di rete sono popolari, ma le fonti di comando analogiche e a impulsi/direzione standard detengono ancora una grossa fetta del mercato e sono disponibili praticamente su ogni scheda di controllo del movimento. I controller di movimento di solito si interfacciano a un amplificatore o "servo driver" che si trova tra il motore e il controller.

Guida

mc-history-driveLa linea di demarcazione tra servoazionamenti e controllori di movimento ha cominciato a sfumare perché i servoazionamenti stanno ottenendo funzionalità che prima solo i controllori di movimento avevano. Sofisticati loop di controllo risiedono in un numero crescente di azionamenti. Questo è un bene perché dà alla scheda di controllo del movimento spazio per algoritmi di livello superiore. Mentre gli azionamenti analogici comprendono una grande percentuale di sistemi servo, gli azionamenti digitali stanno diventando più attraenti a causa dell'I/O programmabile e di molte caratteristiche configurabili via software. Uno dei molti vantaggi di passare al digitale è che l'intera funzionalità di un servoazionamento digitale può essere cambiata con un semplice download del firmware, rendendo così gli aggiornamenti sul campo con nuove caratteristiche facili e veloci.

Motore

mc-history-motorI motori sono disponibili in qualsiasi dimensione e forma con vari schemi di controllo. I motori antideflagranti sono popolari negli ambienti volatili e i motori senza telaio rendono possibile una stretta integrazione. Le industrie farmaceutiche e delle bevande usano motori "wash down" per applicazioni specifiche in cui il motore sarà lavato a pressione periodicamente. I produttori di motori possono creare motori con qualsiasi tipo di specifica, tra cui dimensioni, peso, forma, coppia nominale, velocità nominale, costante del motore e altro ancora. Ci sono molti tipi di motori tra cui scegliere, tra cui: motori passo-passo, motori a induzione ac mono e trifase, motori brushless a magnete permanente, motori spazzolati a magnete permanente e motori brushless lineari. Per controllare la posizione o la velocità di uno di questi motori, sono necessari adeguati dispositivi di feedback.

Feedback

Ci sono alcuni dispositivi di feedback standard che funzionano per la maggior parte delle applicazioni. Tra questi ci sono tachimetri, encoder incrementali, encoder assoluti, resolver, potenziometri analogici e Halls. Mentre tutti i dispositivi menzionati utilizzano treni di impulsi digitali a livello TTL o segnali analogici, i più recenti dispositivi di feedback assoluto sono in grado di comunicare in modo seriale. Invece di leggere semplicemente una tensione o contare gli impulsi, l'azionamento o il controller devono comunicare attivamente con il dispositivo di feedback per ricevere l'indicazione digitale della posizione del rotore. Con gli encoder sinusoidali da 1Vpp, alcune applicazioni di alta precisione utilizzano tecniche per ottenere risoluzioni di oltre 4 milioni di conteggi/giro! Tuttavia, la risoluzione raggiungibile al carico dipende in gran parte dai collegamenti meccanici e dagli schemi di feedback avanzati come il feedback a doppio anello.

Guarda come tutte le parti si uniscono nella panoramica sul controllo del movimento