Risoluzione dei problemi dei servi: errore di tracciamento e perdita di posizione

1. Descrizione del problema e ambito di applicazione

Questo manuale diagnostico è progettato per identificare e risolvere sistematicamente i seguenti errori e perdite di posizione nei sistemi di servoazionamento. I guasti dei servosistemi possono causare interruzioni significative della produzione, degrado della qualità del prodotto e danni alle apparecchiature se non diagnosticati e corretti in modo tempestivo.

1.1. Potenziali sintomi di malfunzionamento

• Errore di inseguimento: il servo non può raggiungere o mantenere con precisione una determinata posizione o velocità. Ciò può manifestarsi come una deviazione costante o periodica tra la posizione impostata e quella effettiva.
• Perdita di posizione: il servosistema perde completamente l'orientamento verso la posizione zero o non può ritornarvi dopo aver interrotto l'alimentazione.
• Scarsa precisione di posizionamento: incapacità di riposizionare il meccanismo con la precisione richiesta, con conseguenti dimensioni mancanti o incoerenti.
• Oscillazioni e vibrazioni: Oscillazioni indesiderate dell'asse motore, che potrebbero essere dovute all'instabilità del sistema.
• Surriscaldamento del motore o del convertitore: generazione eccessiva di calore, spesso accompagnata da un aumento del consumo di corrente.
• Rumori anomali: strilli, colpi o altri rumori anomali provenienti dal servomotore, dal cambio o dal collegamento meccanico.
• Guasti sul display del servo: visualizza codici di errore specifici relativi all'encoder, al limite di tracciamento o al sovraccarico.

1.2. Tipi di apparecchiature che potrebbero essere coinvolte

I servoazionamenti sono parte integrante delle apparecchiature industriali di alta precisione. Questo manuale è applicabile ai seguenti tipi di macchina:

• Macchine CNC: fresatrici, torniture, rettificatrici.
• Robot industriali: manipolatori, robot di saldatura, robot di assemblaggio.
• Macchine confezionatrici: unità di formatura, riempimento, sigillatura.
• Macchine da stampa e tessili.
• Linee di assemblaggio automatiche.
• Sistemi di trasporto e posizionamento.

1.3. Classificazione della gravità del malfunzionamento

La corretta valutazione della gravità del malfunzionamento aiuta a dare priorità ai lavori di diagnostica e riparazione.

• Critico: arresto completo del processo produttivo, minaccia immediata alla sicurezza del personale o rischio di danni significativi a apparecchiature costose. Richiede un intervento immediato.
• Significativo: calo della produttività o della qualità del prodotto, frequenti arresti non programmati, aumento dell'usura dei componenti. Richiede un intervento il più presto possibile.
• Minore: problemi periodici e irregolari che non influiscono direttamente sulla produzione o sulla sicurezza, ma possono progredire. Richiede una pianificazione diagnostica e di riparazione.

2. Misure di sicurezza

AVVERTENZA! Tutte le procedure di sicurezza standard devono essere seguite rigorosamente prima di iniziare qualsiasi lavoro diagnostico o di riparazione sui servosistemi. La mancata osservanza di queste precauzioni potrebbe causare lesioni gravi o mortali o danni all'apparecchiatura.

• LOCKOUT / TAGING (LOTO): Eseguire sempre la procedura LOTO (Lockout/Tagout) in conformità con DSTU EN 1037:2003 e le istruzioni del produttore dell'apparecchiatura. Assicurarsi che tutte le fonti di alimentazione (elettrica, idraulica, pneumatica) siano scollegate e bloccate prima di accedere a componenti elettrici o meccanici.
• Energia residua: i condensatori nei servoazionamenti possono immagazzinare una carica pericolosa ad alta tensione anche dopo che l'alimentazione è stata spenta. Attendi che si scarichi completamente, l'operazione può richiedere fino a 10 minuti. Utilizzare un voltmetro adeguato (classe di sicurezza III o IV secondo DSTU EN 61010-1:2014) per verificare l'assenza di tensione. I sistemi meccanici possono anche avere energia immagazzinata (molle, carichi sollevati). Garantire la loro fissazione.
• Dispositivi di protezione individuale (DPI): Utilizzare DPI adeguati: occhiali di sicurezza, guanti dielettrici, indumenti protettivi, calzature protettive.
• Superfici calde: i servomotori e gli azionamenti possono raggiungere temperature pericolose durante il funzionamento. Lasciarli raffreddare prima di toccarli.
• Parti rotanti: non tentare mai di diagnosticare o regolare un servosistema mentre è in funzione senza coperture protettive adeguate. Esiste il rischio che indumenti o parti del corpo vengano tirati.
• Sicurezza elettrica: lavora con componenti elettrici solo se sei qualificato e autorizzato (ad esempio, gruppo di approvazione della sicurezza elettrica III o IV). Assicurarsi che l'apparecchiatura sia adeguatamente messa a terra in conformità con DSTU EN 60204-1:2019.

3. Strumenti diagnostici necessari

Per una diagnostica efficace dei servosistemi sono necessari strumenti specializzati:

4. Lista di controllo per la valutazione iniziale

Prima di iniziare una diagnosi sistematica, è necessario condurre un esame iniziale e raccogliere quante più informazioni possibili sul malfunzionamento. Ciò aiuterà a restringere il campo delle potenziali cause.

5. Algoritmo diagnostico sistematico

Di seguito è riportato un algoritmo sequenziale per la diagnosi degli errori di tracciamento e della perdita di posizione nei servosistemi. Procedi passo dopo passo, isolando le potenziali cause.

1. Punteggio iniziale e codici di errore

   1. Conduci una valutazione iniziale: completa tutti gli elementi nella lista di controllo per la valutazione iniziale (capitolo 4).
   2. Controllare i codici di errore del servo:
      • Se sono presenti codici di errore specifici (ad esempio "Encoder Fault", "Sovracorrente", "Following Error Limit"):
        1. Fare riferimento al manuale del produttore dell'azionamento per interpretare il codice.
        2. Vai direttamente a "7. Analisi della causa principale" per il guasto corrispondente.
      • Se i codici di errore sono mancanti o sono generici ("Errore di inseguimento"): Continua la diagnostica.

2. Diagnostica del feedback dell'encoder

   Un feedback affidabile dell'encoder è fondamentale per un servocontrollo preciso.

   1. Ispezione visiva dell'encoder e del cavo:
      • Verificare l'affidabilità del fissaggio dell'encoder all'albero motore.
      • Ispezionare il cavo dell'encoder per eventuali danni, attorcigliamenti, sfilacciamenti e corretto collegamento dei connettori.
      • Assicurarsi che il cavo dell'encoder sia instradato separatamente dai cavi di alimentazione per ridurre al minimo le interferenze elettromagnetiche.
   2. Verifica potenza encoder:
      • ATTENZIONE! Prima di misurare la tensione, assicurati di essere qualificato e di utilizzare metodi sicuri.
      • Misurare la tensione di alimentazione sull'encoder con un multimetro.
      • Risultato previsto: Tensione nominale (ad es. 5 V CC o 24 V CC) in base alle specifiche dell'encoder.
      • Se la tensione è assente o errata:
        1. Controllare l'integrità del cavo di alimentazione dell'encoder e delle corrispondenti uscite di potenza sul servo.
        2. Possibile malfunzionamento del servoazionamento o dell'alimentazione.
   3. Analisi dei segnali dell'encoder utilizzando un oscilloscopio:
      • Collegare un oscilloscopio alle uscite dei segnali A, B e Z dell'encoder.
      • Ruotare lentamente e con cautela l'albero motore a mano o far funzionare il motore a una velocità molto bassa (se consentito e sicuro).
      • Risultato atteso:
        • Encoder incrementali (TTL/HTL): Impulsi rettangolari chiari spostati di 90° tra i canali A e B. L'impulso Z (segno di riferimento) dovrebbe essere uno per giro.
        • Encoder sinusoidali (Sin/Cos): Segnali seno e coseno chiari spostati di 90°, senza distorsioni o rumore.
      • Se i segnali sono mancanti, distorti, rumorosi o non come previsto:
        1. Probabile malfunzionamento dell'encoder o del cavo dell'encoder.
        2. Test diagnostico: utilizza il Kit test encoder (se disponibile) per testare l'encoder separatamente.

3. Diagnostica delle connessioni meccaniche e dei carichi

   I problemi meccanici sono una causa comune di errori di tracciamento.

   1. Ispezione del giunto:
      • ATTENZIONE! Garantire il blocco e il tagout completi prima di lavorare sulle parti meccaniche.
      • Controllare l'accoppiamento che collega il servomotore al carico (riduttore, vite di comando) per gioco, crepe, usura e deformazione.
      • Assicurarsi che tutte le viti di fissaggio del giunto siano serrate alla coppia consigliata (utilizzare una chiave dinamometrica).
      • Risultato atteso: Nessun segno di gioco o usura, connessione sicura.
      • Se si rileva gioco o usura: sostituire o riparare il giunto.
   2. Controllo del sistema di carico meccanico:
      • Scollegare il motore dal carico (se possibile senza danni).
      • Prova a spostare manualmente il carico. Dovrebbe muoversi agevolmente, senza inceppamenti, attriti eccessivi o giochi.
      • Controllare cuscinetti di carico, guide, viti a ricircolo di sfere, ecc.
      • Misurare la forza richiesta per spostare il carico (se sono disponibili strumenti adeguati).
      • Risultato atteso: Bassa resistenza al movimento, nessun gioco (>0,05 mm - allarme per sistemi di precisione).
      • Se si riscontrano attriti o giochi eccessivi: identificare ed eliminare la fonte della resistenza meccanica (lubrificante, cuscinetti, allineamento).
   3. Diagnosi disallineamento:
      • Utilizzare il misuratore di allineamento laser per verificare l'allineamento dell'albero motore e dell'albero di carico.
      • Risultato previsto: Offset non superiore a 0,02 mm (per parallelo) e 0,05 mm/100 mm (per angolare).
      • Se viene rilevato un disallineamento: eseguire un allineamento preciso dell'asse.

4. Analisi dei parametri di impostazione del servo (sintonizzazione).

   I parametri errati del controller PID (P, I, D) possono causare instabilità ed errori di tracciamento.

   1. Accesso ai parametri tramite software:
      • Collegare un PC al servo utilizzando il software dedicato.
      • Visualizza i valori attuali dei coefficienti PID, dei coefficienti del filtro, del guadagno di velocità e della corrente.
   2. Esecuzione dell'autotuning (se disponibile):
      • Molti servi moderni hanno una funzione di autotuning. Eseguirlo seguendo le istruzioni del produttore.
      • ATTENZIONE! Durante l'autotuning l'albero motore può compiere movimenti improvvisi. Assicurarsi che non vi siano ostacoli e che sia garantita la sicurezza del personale.
      • Risultato atteso: Il sistema si stabilizza, l'errore di tracciamento diminuisce.
   3. Sintonizzazione manuale (se la sintonizzazione automatica non è stata d'aiuto o non è disponibile):
      • Regolare in sequenza i coefficienti P, I, D, osservando la risposta del sistema ai movimenti di prova (funzione step).
      • Osservazioni critiche:
        • P troppo alta: fluttuazione, superamento, instabilità.
        • P troppo basso: risposta lenta, grande errore di tracciamento.
        • I troppo alto: superamento, stabilizzazione lenta.
        • I troppo basso: grande errore statico.
        • D troppo alto: sensibilità al rumore, alle vibrazioni.

5. Analisi del sovraccarico del motore/trasmissione

   Il superamento del carico consentito comporta errori di tracciamento e surriscaldamento.

   1. Monitoraggio della corrente del motore:
      • Utilizzare il software del servo per monitorare la corrente RMS (radice quadrata media) del motore durante il funzionamento.
      • Risultato atteso: i valori della corrente di picco non devono superare la corrente nominale del motore di oltre il 150% (a breve termine) e la corrente RMS media non deve superare l'80% della corrente nominale.
      • Se la corrente supera la norma: probabile sovraccarico.
   2. Misurazione della temperatura:
      • Utilizzare una termocamera per misurare la temperatura dell'alloggiamento del motore e del dissipatore di calore del servo durante il funzionamento.
      • Risultato atteso: La temperatura del corpo motore non deve superare gli 80°C, il radiatore della trasmissione – 60°C.
      • Se la temperatura è eccessiva: ciò potrebbe indicare un sovraccarico, un problema di raffreddamento o un guasto del motore/azionamento.
   3. Analisi del carico meccanico:
      • Rivedere il progetto della macchina. Sono stati aggiunti nuovi componenti che hanno aumentato la massa o l'attrito?
      • Controllare le condizioni di attrito nelle guide, nei cuscinetti.
      • Valutare l'adeguatezza delle dimensioni del motore per il carico corrente.

6. Matrice "Causa-guasto"

Questa matrice fornisce una rapida panoramica dei sintomi tipici, delle cause probabili e dei test diagnostici per la conferma.

7. Analisi della causa principale di ogni malfunzionamento

Una profonda comprensione delle cause profonde aiuta non solo a eliminare il malfunzionamento attuale, ma anche a prevenirne il ripetersi.

7.1. Malfunzionamenti dell'encoder e del cavo

Spiegazione: L'encoder fornisce un feedback sulla posizione attuale e/o sulla velocità del motore. Qualsiasi distorsione, perdita o imprecisione del segnale influisce direttamente sulla capacità del servo di controllare accuratamente un asse.

• Cause comuni: Usura meccanica dei cuscinetti dell'encoder, contaminazione degli elementi ottici (per encoder ottici), danni al disco magnetico (per encoder magnetici), interferenze elettriche, danni al cavo (rottura, cortocircuito, perdita di schermatura), guasto dell'elettronica dell'encoder.
• Come verificare: Analisi dei segnali con un oscilloscopio (assenza di impulsi, forme d'onda distorte, rumori), controllo della resistenza e del suono del cavo con un multimetro, utilizzando un tester per encoder specializzato.
• Possibili danni: se non vengono controllati, ciò può portare a movimenti incontrollati degli assi, collisioni, danni all'utensile e al pezzo, parti meccaniche della macchina. La perdita di posizione è fondamentale per i sistemi multicoordinati.

7.2. Problemi di connessioni meccaniche e trasmissione

Spiegazione: Anche un servo perfettamente funzionante non può compensare le carenze meccaniche nel sistema di trasmissione del movimento.

• Cause comuni: Gioco nel giunto che collega il motore al carico (ad esempio, scanalature usurate, viti allentate), ingranaggi usurati nella scatola degli ingranaggi, gioco o inceppamento nei cuscinetti a scorrimento/a rulli, disallineamento degli alberi, aumento dell'attrito nelle guide.
• Come confermare: Ispezione visiva, controllo manuale dei giochi, utilizzo di chiave dinamometrica per verificare il serraggio, allineamento laser degli alberi, analisi delle vibrazioni, misurazione della forza di attrito.
• Possibili danni: Maggiore usura di accoppiamenti, cuscinetti, riduttori, servomotore, aumento del consumo di energia, vibrazioni, rumore, ridotta precisione di posizionamento, guasto dei componenti.

7.3. Regolazione (sintonizzazione) errata del servoazionamento

Spiegazione: I parametri del controller PID del servoazionamento devono essere selezionati in modo ottimale per le caratteristiche dinamiche del motore e l'inerzia del carico. Una regolazione non corretta può causare instabilità, risposta lenta o superamento.

• Cause comuni: Fattori di guadagno (P), integrazione (I) e differenziazione (D) errati, filtri configurati in modo errato, impostazione errata dell'inerzia del carico, utilizzo di impostazioni standard per meccaniche non standard.
• Come confermare: Analisi degli oscillogrammi di inseguimento e velocità utilizzando il servosoftware (oscillazioni osservate, risposta lenta al comando, errore di inseguimento significativo), esecuzione della funzione di autotuning e ulteriore analisi dei risultati.
• Possibili danni: Surriscaldamento del motore dovuto a oscillazioni continue, maggiore usura dei componenti meccanici, vibrazioni, rumore acustico, scarsa precisione di lavorazione, funzionamento instabile.

7.4. Sovraccarico del sistema

Spiegazione: Se il sistema meccanico richiede più coppia o potenza di quella che il servo/azionamento può fornire, si verificherà un errore di tracciamento perché l'azionamento non sarà in grado di mantenere il profilo di movimento specificato.

• Cause comuni: Peso del carico eccessivo, aumento dell'attrito nelle parti meccaniche (ad es. mancanza di lubrificazione, guide danneggiate), modifica del profilo di movimento che richiede maggiore accelerazione/decelerazione, servomotore sbagliato per l'attività corrente.
• Come verificare: monitoraggio della corrente del motore (valori RMS e di picco) tramite il software dell'azionamento, misurazione della temperatura del motore e dell'azionamento con una termocamera, misurazione manuale della forza richiesta per spostare il carico.
• Possibili danni: Surriscaldamento e guasto degli avvolgimenti del motore, sovraccarico dei moduli di potenza del servoazionamento, danni al cambio o ai giunti, riduzione delle risorse dell'intero sistema.

8. Procedure dettagliate per la risoluzione dei problemi

Eseguire queste procedure solo dopo aver identificato la causa principale e con tutte le precauzioni di sicurezza (Capitolo 2).

8.1. Ripristino della funzionalità dell'encoder

Se l'encoder o il suo cavo sono difettosi:

1. Sicurezza: applica LOTO. Assicurati che non ci sia energia residua.
2. Scollega: scollega il vecchio encoder dal servomotore e dal cavo. Prestare attenzione alla marcatura dei fili.
3. Ispezione visiva del cavo: ispezionare attentamente il cavo dell'encoder. Se si riscontrano danni, sostituire completamente il cavo o ripararlo (solo se la riparazione garantisce affidabilità e schermatura). Assicurarsi che il nuovo cavo abbia schermatura e connettori adeguati.
4. Installazione del nuovo encoder:
   • Installare il nuovo encoder, assicurandosi che sia fissato saldamente e accuratamente sull'albero del motore (se si tratta di un encoder rotativo). Per gli encoder con montaggio in custodia, garantire spazio e allineamento adeguati.
   • Utilizzare una chiave dinamometrica per serrare le viti di montaggio alla coppia consigliata dal produttore (solitamente 1-5 Nm).
5. Cablaggio: Collegare il cavo all'encoder e al servo seguendo rigorosamente lo schema elettrico del produttore. Verificare i collegamenti corretti.
6. Controlla e configura:
   • Dopo la connessione, disattiva LOTO.
   • Eseguire il servo in modalità test.
   • Utilizzare il software dell'azionamento per verificare i segnali dell'encoder e correggere la lettura della posizione.
   • Per gli encoder incrementali potrebbe essere necessario eseguire una procedura di homing (ricerca di un punto di riferimento).

8.2. Risoluzione dei problemi di connessione meccanica

Se viene rilevato gioco, usura della frizione o disallineamento:

1. Sicurezza: applica LOTO. Assicurati che non ci sia energia residua.
2. Smontaggio del giunto: Rimuovere il giunto danneggiato.
3. Ispezione degli alberi: pulire il motore e gli alberi di carico da sporco e ruggine. Controllarli per eventuali danni (graffi, ammaccature).
4. Controllo dei cuscinetti: controllare il motore e i cuscinetti del carico. Se si riscontrano giochi, rumori o danni, sostituirli.
5. Installazione del nuovo giunto:
   • Installare il nuovo giunto secondo le specifiche (tipo, coppia, diametri dell'albero). La preferenza dovrebbe essere data ai giunti flessibili per servosistemi, che compensano piccoli disallineamenti e smorzano le vibrazioni.
   • Importante: allinea accuratamente gli alberi con un misuratore di allineamento laser. Disallineamento consentito: parallelo < 0,02 mm, angolare < 0,05 mm/100 mm.
   • Stringere le viti di fissaggio del giunto con una chiave dinamometrica alla coppia specificata dal produttore (normalmente 20-100 Nm a seconda della taglia).
6. Controllo: eseguire una prova a bassa velocità, controllare visivamente e acusticamente eventuali vibrazioni e rumori insoliti.

8.3. Ottimizzazione delle impostazioni del servoazionamento

Se il problema è un'ottimizzazione errata:

1. Sicurezza: assicurarsi che non vi siano ostacoli al movimento dell'asse. Preparati a movimenti improvvisi durante l'accordatura.
2. Accesso al software: collegare il PC al servoazionamento e aprire il software.
3. Salva le impostazioni correnti: salva le impostazioni correnti dell'unità come backup prima di apportare modifiche.
4. Esecuzione dell'autotuning:
   • Avviare la funzione di autotuning del servo. Seguire le istruzioni del software.
   • Al termine, analizzare i parametri ottenuti e testare i risultati del movimento.
5. Sintonizzazione manuale (se necessaria):
   • Se l'autotuning non ha dato risultati soddisfacenti, regolare attentamente i coefficienti del controller PID.
   • Inizia aumentando il fattore P finché non si verificano piccole fluttuazioni, quindi diminuiscilo leggermente.
   • Aggiungi un fattore I per eliminare l'errore statico.
   • Aggiungi un fattore D per smorzare le vibrazioni e accelerare la risposta, ma evita un valore eccessivo che provochi rumore.
   • Eseguire movimenti di prova (comandi di passo) e osservare l'errore di tracciamento e le forme d'onda della velocità. Risposta ottimale: raggiungimento rapido della posizione impostata senza regolazioni eccessive o oscillazioni.
6. Verifica: Effettuare un ciclo completo dell'apparecchiatura con i nuovi parametri, verificando l'assenza di errori di tracciamento e il funzionamento stabile.

8.4. Eliminazione del sovraccarico

Se viene rilevato un sovraccarico:

1. Sicurezza: applica LOTO per lavori meccanici.
2. Determinazione della fonte del sovraccarico:
   • Attrito meccanico: controllare e lubrificare guide, cuscinetti, viti a ricircolo di sfere. Valutare le condizioni di tutte le parti mobili.
   • Aumento di massa: verificare che nuovi componenti non siano stati aggiunti alla parte mobile senza una corrispondente modifica al servosistema.
   • Modifica del profilo di movimento: se le velocità o le accelerazioni sono aumentate, prendere in considerazione l'ottimizzazione della cinematica o l'aggiornamento del servosistema.
3. Lubrificazione e pulizia: garantire una corretta lubrificazione di tutte le parti mobili secondo la tabella di lubrificazione del produttore. Pulire i componenti meccanici dallo sporco.
4. Ottimizzazione: Se non è possibile eliminare la fonte del sovraccarico, potrebbe essere necessario ricalcolare e sostituire il servo/riduttore con uno più potente.
5. Controllo: dopo aver eliminato la fonte del sovraccarico, monitorare la corrente e la temperatura del motore durante il funzionamento. La corrente del motore non deve superare l'80% del valore efficace nominale.

9. Misure preventive

La manutenzione regolare è la chiave per un funzionamento affidabile e a lungo termine dei servosistemi.

10. Parti di ricambio e componenti

La tempestiva disponibilità di pezzi di ricambio di qualità riduce i tempi di fermo delle apparecchiature. UNITEC-D GmbH offre una vasta gamma di componenti per servosistemi.

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11. Collegamenti

• DSTU EN 1037:2003 Sicurezza delle macchine. Prevenzione dell'avvio inaspettato.
• DSTU EN 61010-1:2014 Requisiti per la sicurezza delle apparecchiature elettriche di misura, controllo e uso di laboratorio.
• DSTU EN 60204-1:2019 Sicurezza delle macchine. Equipaggiamento elettrico delle macchine. Parte 1: Requisiti generali.
• ISO 10816-1:2010 Vibrazioni meccaniche. Valutazione delle vibrazioni della macchina mediante misurazione su parti fisse.
• Istruzioni per il funzionamento e la manutenzione dei servoazionamenti e dei servomotori dei produttori (Siemens, Bosch Rexroth, Fanuc, Yaskawa, Rockwell Automation, ecc.).
• Altri manuali di servizio di UNITEC-D GmbH.