Perché un servomotore vibra? Cause più comuni e diagnostica

Le vibrazioni di un servomotore sono una conseguenza naturale del funzionamento degli elementi rotanti, ma un loro evidente aumento, una variazione delle caratteristiche, la comparsa di rumori, strappi o un mantenimento instabile della posizione possono indicare un guasto in fase di sviluppo. Lo stato dell’azionamento non dovrebbe essere valutato esclusivamente in base al fatto che il motore vibri o meno. Sono importanti soprattutto l’ampiezza e la frequenza delle vibrazioni, la loro direzione, la velocità di rotazione, il carico e il modo in cui questi parametri cambiano nel tempo.

Le vibrazioni eccessive del servomotore possono essere associate sia alla meccanica sia al sistema di misura o di controllo. La causa del problema può essere lo squilibrio del rotore, il disallineamento dell’albero motore, l’usura dei cuscinetti, giochi meccanici, la risonanza della struttura, il riduttore, l’encoder, il freno o parametri del regolatore impostati in modo errato. Una diagnostica corretta dovrebbe quindi comprendere l’intero sistema di azionamento e non soltanto il motore.

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Come valutare le vibrazioni del servomotore e riconoscere vibrazioni eccessive?

Ogni vibrazione del servomotore indica un guasto?

Nessun motore elettrico funziona completamente senza vibrazioni. Le microvibrazioni derivano, tra l’altro, dalle tolleranze di fabbricazione dei componenti, dal funzionamento dei cuscinetti e dalle pulsazioni della coppia elettromagnetica. In un sistema che funziona correttamente, tuttavia, il loro livello rimane stabile e non determina un aumento del rumore, della temperatura o un peggioramento della precisione del movimento.

Nel caso di un servomotore è necessario interpretare i risultati con particolare attenzione, perché durante un ciclo tipico può accelerare, frenare, cambiare direzione e mantenere la posizione ripetutamente. Un aumento temporaneo delle vibrazioni durante un’accelerazione dinamica non deve necessariamente indicare un danneggiamento. Molto più preoccupante è la comparsa di un nuovo tipo di vibrazione oppure il suo progressivo aumento nelle stesse condizioni operative.

Tra i sintomi che richiedono un controllo più approfondito rientrano:

• un evidente aumento delle vibrazioni rispetto al precedente funzionamento della macchina,
• vibrazioni del servomotore durante il mantenimento della posizione,
• strappi durante l’accelerazione, la frenata o il cambio di direzione,
• un aumento insolito della rumorosità del motore elettrico,
• aumento della temperatura dell’alloggiamento o della zona dei cuscinetti,
• vibrazioni presenti esclusivamente in un determinato intervallo di velocità,
• peggioramento della precisione di posizionamento dell’asse,
• variazione del funzionamento del servomotore dopo la sostituzione dell’encoder, una riparazione o lo smontaggio,
• allarmi dell’azionamento relativi a coppia, corrente o errore di posizionamento.

Se il servomotore ha iniziato contemporaneamente a vibrare, fare rumore o funzionare a strappi, non conviene attendere fino all’arresto dell’asse. Una diagnostica tempestiva permette di individuare la causa del problema prima che vengano danneggiati l’albero, i cuscinetti, il giunto, il riduttore o altri componenti della macchina.

Velocità di vibrazione RMS. Quali valori dovrebbero attirare l’attenzione?

Uno dei parametri utilizzati per valutare lo stato della macchina è la velocità di vibrazione RMS espressa in mm/s. Permette di determinare il livello generale delle vibrazioni e di osservare se lo stato dell’unità peggiora nelle misurazioni successive.

I valori riportati di seguito devono essere considerati esclusivamente come riferimento indicativo per macchine di piccole dimensioni. Non costituiscono soglie universali per ogni servomotore. La valutazione deve sempre tenere conto delle dimensioni e della struttura della macchina, del tipo di montaggio, della velocità, del carico, delle caratteristiche del ciclo e dei valori ammessi per lo specifico dispositivo.

Velocità di vibrazione RMS	Valutazione	Interpretazione	Intervento consigliato
fino a 0,7 mm/s	A – buona	Livello tipico per un’unità in buone condizioni	Funzionamento e controllo periodico
0,7-1,8 mm/s	B – accettabile	Lo stato può essere accettabile durante il funzionamento a lungo termine	Monitoraggio dell’andamento
1,8-4,5 mm/s	C – avvertimento	Possibile sviluppo di un problema meccanico o di regolazione	Diagnostica della causa e pianificazione degli interventi di assistenza
oltre 4,5 mm/s	D – inaccettabile	Rischio maggiore di danneggiamento del motore e del sistema meccanico	Arresto controllato e valutazione tecnica

In pratica, il trend delle misurazioni è importante quanto il valore assoluto. Se un motore ha funzionato a lungo a un livello di 0,7-0,8 mm/s e le misurazioni successive mostrano 1,2 mm/s, poi 2,0 mm/s e un ulteriore aumento, si tratta di un’informazione significativa anche se non è ancora stato superato il limite che richiede l’arresto immediato della macchina.

Per ottenere risultati confrontabili, le misurazioni dovrebbero essere effettuate con un accelerometro sull’alloggiamento in prossimità dei cuscinetti, in direzione assiale e in due direzioni radiali. È importante mantenere condizioni simili di velocità, carico e temperatura. Una misurazione effettuata su un motore freddo non dovrebbe essere confrontata direttamente con il risultato di un’unità che ha lavorato a lungo a pieno carico.

Che cosa provoca le vibrazioni di un motore elettrico o di un servomotore?

Non esiste un’unica causa responsabile di tutte le vibrazioni del servomotore. Lo stesso sintomo può provenire dal rotore, dall’albero, dai cuscinetti, dal fissaggio, dal riduttore, dall’encoder o dal regolatore. Per questo è importante combinare la misurazione RMS con l’analisi dello spettro, la valutazione della meccanica e l’osservazione del comportamento dell’azionamento nelle diverse fasi del ciclo.

Squilibrio del rotore – perché le vibrazioni aumentano con la velocità?

Lo squilibrio del rotore genera una forza centrifuga il cui effetto aumenta chiaramente con l’incremento della velocità di rotazione. Nello spettro delle vibrazioni spesso domina la componente corrispondente alla frequenza di rotazione, definita 1×.

La causa può essere una distribuzione non corretta della massa, il danneggiamento di componenti del rotore, problemi con i magneti, contaminazione o danni che influenzano la geometria delle parti rotanti. Se le vibrazioni aumentano progressivamente con la velocità e predominano in direzione radiale, lo squilibrio dovrebbe essere tra le prime cause da verificare.

Il funzionamento prolungato di un motore con squilibrio aumenta il carico sui cuscinetti e può accelerare lo sviluppo di ulteriori danni.

Disallineamento dell’albero motore – come riconoscere il problema?

Il disallineamento dell’albero motore si verifica quando la geometria dell’albero del servomotore e dell’elemento azionato non è correttamente allineata. Il problema può riguardare il giunto, il riduttore, la trasmissione oppure un meccanismo che utilizza una vite a ricircolo di sfere.

Rispetto a un tipico squilibrio, il disallineamento può determinare una maggiore presenza della componente 2× e vibrazioni assiali più intense. Le cause possono essere ricercate, tra l’altro, nel montaggio, nell’assestamento della struttura o nelle variazioni geometriche che compaiono dopo il riscaldamento della macchina.

L’allineamento può essere verificato con un sistema laser oppure mediante comparatori utilizzati correttamente. La semplice sostituzione dei cuscinetti senza eliminare il disallineamento può causare una rapida usura anche dei nuovi componenti.

Giochi di fissaggio e riduzione della rigidità della struttura

La fonte delle vibrazioni eccessive non è sempre il servomotore stesso. Una vite allentata, una staffa danneggiata, una piastra di montaggio crepata o una riduzione della rigidità del telaio possono amplificare le piccole sollecitazioni generate dall’azionamento.

Questo fenomeno viene talvolta confuso con la risonanza. In presenza di giochi maggiori, nel segnale possono comparire anche impulsi associati all’urto dei componenti contro i limiti meccanici. Per questo, prima di intervenire sull’elettronica o sostituire il servomotore, è necessario controllare anche il suo fissaggio e lo stato della struttura della macchina.

Risonanza meccanica del servomotore e dell’asse

La risonanza si verifica quando la frequenza di eccitazione si avvicina alla frequenza propria dell’asse, della staffa o dell’intera struttura. Di conseguenza, una sollecitazione relativamente ridotta può provocare vibrazioni molto intense presenti soltanto in uno specifico intervallo di velocità.

Se il servomotore funziona correttamente a 500 giri/min e 1500 giri/min, ma vibra intensamente in un intervallo ristretto tra questi valori, è necessario considerare la possibilità di una risonanza. La soluzione può richiedere una modifica della rigidità, della massa o del supporto della struttura. In alcuni casi può essere utile correggere i parametri del regolatore, ma questa operazione non dovrebbe servire a mascherare danni meccanici.

Usura dei cuscinetti del servomotore e aumento della rumorosità

L’usura dei cuscinetti del servomotore è una delle cause più frequenti dell’aumento progressivo delle vibrazioni. Nelle fasi iniziali il danno può essere praticamente impercettibile all’udito. Le frequenze caratteristiche di guasto BPFO, BPFI, FTF e BSF possono tuttavia essere rilevate mediante un’adeguata analisi delle vibrazioni, compresa l’analisi dell’inviluppo.

Con il progredire del danno, generalmente aumenta il livello delle vibrazioni, seguito da un aumento della rumorosità del motore elettrico, e nelle fasi più avanzate anche da un incremento della temperatura.

Non ogni aumento implica la necessità di smontare immediatamente l’unità. È fondamentale la velocità con cui avvengono i cambiamenti. Un livello di vibrazione in rapido aumento associato a una variazione dello spettro rappresenta un segnale di allarme molto più significativo rispetto a un singolo risultato leggermente elevato.

Gioco del riduttore e danni al meccanismo degli ingranaggi

Se il servomotore lavora insieme a una trasmissione o a un riduttore, la fonte delle vibrazioni può trovarsi al di fuori del motore stesso. Un gioco eccessivo provoca spesso urti durante i cambi di direzione. Superfici dei denti usurate, pitting o un profilo di ingranamento non corretto possono invece generare un segnale continuo associato alla frequenza di ingranamento.

Per questo, se il servomotore funziona a strappi durante il cambio di direzione, non significa automaticamente che i cuscinetti o il rotore siano danneggiati. È necessario controllare l’intera catena di trasmissione.

Come diagnosticare le vibrazioni del servomotore e quando è necessaria l’assistenza?

Come interpretare lo spettro delle vibrazioni e il trend delle misurazioni?

Un singolo valore RMS indica il livello delle vibrazioni, ma non sempre permette di identificarne la causa. Per questo, nella diagnostica professionale è molto importante l’analisi dello spettro di frequenza. Permette di verificare se predominano frequenze caratteristiche della rotazione dell’albero, del disallineamento, dei componenti dei cuscinetti, dell’ingranamento o di altri meccanismi.

Ad esempio, una componente dominante 1× può indirizzare la diagnostica verso uno squilibrio, mentre una maggiore presenza della componente 2× associata a vibrazioni assiali può suggerire un problema di allineamento. Nel caso dei cuscinetti vengono analizzate, tra l’altro, le frequenze BPFO, BPFI, FTF e BSF.

Un valore ancora maggiore deriva dal confronto tra misurazioni successive effettuate nelle stesse condizioni. Un esempio di trend può essere il seguente:

• gennaio – 0,8 mm/s,
• aprile – 1,2 mm/s, cioè un aumento del 50%,
• luglio – 2,6 mm/s e una chiara componente caratteristica di un difetto della pista del cuscinetto.

Un andamento di questo tipo mostra un guasto in fase di sviluppo molto prima dell’arresto completo del motore. Per la manutenzione significa poter pianificare la riparazione durante un fermo controllato anziché reagire a un guasto durante la produzione.

Perché il servomotore vibra dopo la sostituzione dell’encoder o durante il mantenimento della posizione?

Non tutte le vibrazioni hanno un’origine meccanica. L’encoder o un altro sensore di posizione fornisce al regolatore informazioni sulla posizione attuale del rotore. Se il segnale è disturbato, il sensore è stato montato in modo errato oppure dopo la sostituzione non è stata effettuata la corretta regolazione, il regolatore può reagire a un errore che in realtà non deriva da un movimento meccanico.

Un sintomo caratteristico può essere la vibrazione a velocità molto bassa oppure durante il mantenimento della posizione. Dopo la sostituzione del sistema di misura è necessario verificare, tra l’altro, l’impostazione della posizione di riferimento, l’angolo di commutazione, la qualità del segnale e il cablaggio.

Durante la diagnostica è opportuno considerare anche il freno di stazionamento. Se non si rilascia completamente, può caricare ulteriormente l’albero, provocare surriscaldamento e un funzionamento irregolare dell’azionamento.

Sintomi simili possono essere causati da una taratura troppo aggressiva dell’anello di regolazione. Un guadagno eccessivo può eccitare la frequenza naturale della struttura e provocare oscillazioni. L’autotuning è uno strumento utile, ma non dovrebbe compensare giochi meccanici, fissaggi crepati o componenti usurati.

Le vibrazioni del servomotore possono avere una causa elettromagnetica?

Sì. Nei servomotori sincroni a magneti permanenti, le pulsazioni di coppia possono essere causate, tra l’altro, da problemi ai magneti del rotore, asimmetria degli avvolgimenti dello statore o danni locali agli avvolgimenti.

Questi guasti non sono sempre chiaramente visibili con una classica misurazione mediante accelerometro. Nella diagnostica possono essere utili l’analisi delle correnti di fase e il confronto del comportamento dell’unità durante il funzionamento sotto carico e a vuoto.

Se le caratteristiche delle vibrazioni cambiano notevolmente con il carico, è opportuno estendere la diagnostica oltre la sola meccanica. I risultati dovrebbero essere analizzati insieme alla temperatura, alla corrente, al segnale di posizione e alle modalità di funzionamento dell’asse.

Come si svolge la diagnostica di un servomotore?

Una diagnostica efficace del servomotore non dovrebbe iniziare con la sostituzione casuale dei componenti. Prima è necessario determinare in quali condizioni si verifica il problema e se la sua origine si trova nel motore stesso, in un elemento meccanico della macchina o nel sistema di controllo.

A seconda dei sintomi vengono controllati, tra l’altro, il livello e lo spettro delle vibrazioni, lo stato dei cuscinetti, i giochi meccanici, l’albero, l’allineamento, i fissaggi, il riduttore, il sistema di misura, il freno e i parametri di regolazione. In caso di sospetti problemi elettrici, la diagnostica può essere estesa alla valutazione degli avvolgimenti e all’analisi dei parametri elettrici.

Sintomo	Possibile causa	Che cosa controllare?
Le vibrazioni aumentano con la velocità	Squilibrio del rotore	Spettro 1×, direzione radiale, stato del rotore
Forti vibrazioni assiali	Disallineamento	Allineamento dell’albero e del giunto
Vibrazioni solo a una determinata velocità	Risonanza	Rigidità della struttura e intervallo di frequenza
Vibrazioni e rumorosità crescente	Usura dei cuscinetti	Spettro, analisi dell’inviluppo, temperatura
Urti durante il cambio di direzione	Gioco del riduttore o del giunto	Gioco di inversione e stato del meccanismo
Vibrazioni durante il mantenimento della posizione	Encoder o impostazioni del regolatore	Segnale di posizione, commutazione, taratura
Surriscaldamento e movimento irregolare	Il freno non si rilascia completamente	Stato e comando del freno

Hai un servomotore che vibra, funziona a strappi o è più rumoroso rispetto a prima? Prima di continuare a utilizzarlo, è opportuno eseguire una diagnostica e determinare la reale causa del problema. In molti casi, una riparazione tempestiva permette di evitare danni ad altri componenti dell’asse e costosi fermi macchina.

Quando conviene riparare o rigenerare un servomotore?

La riparazione del servomotore è particolarmente giustificata quando il dispositivo è adattato alla macchina esistente e la causa del problema può essere eliminata senza dover sostituire l’intero sistema di azionamento. Ciò riguarda, tra l’altro, numerosi guasti ai cuscinetti, ai componenti meccanici, al sistema di misura o ad altri componenti che possono essere ripristinati alle condizioni corrette.

Un servizio professionale di assistenza per servomotori dovrebbe comprendere non soltanto la sostituzione del componente identificato come danneggiato, ma anche la determinazione della causa del guasto. In caso contrario, un nuovo cuscinetto potrebbe essere nuovamente sovraccaricato a causa del disallineamento, mentre un encoder perfettamente funzionante non risolverebbe un problema causato da giochi meccanici.

Al termine della riparazione sono fondamentali i test che confermano il corretto funzionamento dell’unità. In questo modo, la rigenerazione del servomotore o, più in generale, la rigenerazione del motore elettrico non si limita alla sola sostituzione dei componenti, ma consente di verificare il funzionamento del dispositivo prima del suo nuovo montaggio sulla macchina.

Quando conviene considerare l’acquisto di un servomotore invece della riparazione?

Non tutte le unità sono necessariamente candidate ideali alla rigenerazione. La decisione deve essere presa in base all’entità dei danni, alla disponibilità dei ricambi, al tempo necessario per ripristinare il dispositivo e ai costi del fermo macchina.

L’acquisto di un altro servomotore può essere una scelta razionale quando i danni sono estesi, la disponibilità dei ricambi è limitata oppure il tempo di attesa per la riparazione non è accettabile per la produzione. Bisogna tuttavia ricordare che il dispositivo sostitutivo deve essere compatibile non soltanto in termini di potenza e dimensioni. Sono importanti anche l’encoder o il resolver, il freno, i connettori, i parametri elettrici, il tipo di montaggio e la compatibilità con il servoazionamento esistente.

Nel caso di macchine in cui il fermo genera costi elevati, vale la pena valutare parallelamente entrambe le possibilità: la riparazione dell’unità esistente e la disponibilità di un dispositivo sostitutivo adeguato.

Come ridurre il rischio di guasti e fermi di produzione?

Il maggiore valore deriva dall’osservazione delle variazioni nel tempo. Una diagnostica regolare del motore elettrico e dell’intero sistema di azionamento permette di individuare il peggioramento delle condizioni prima che si verifichi un guasto critico.

È utile conservare i risultati delle misurazioni RMS, gli spettri, le temperature e le informazioni sulle condizioni operative. Se una misurazione successiva mostra un evidente aumento delle vibrazioni, non bisogna attendere esclusivamente il superamento di una singola soglia di allarme. La velocità con cui peggiorano le condizioni può essere un segnale più importante del singolo valore istantaneo.

Richiedono una reazione particolarmente rapida le situazioni in cui le vibrazioni sono accompagnate da un aumento della rumorosità o della temperatura, da un improvviso cambiamento del comportamento durante la frenata e il cambio di direzione, da un peggioramento del posizionamento oppure da allarmi dell’azionamento relativi a corrente e coppia.

Se le vibrazioni del servomotore aumentano o non è possibile determinarne con certezza la causa, sottoponi il dispositivo a diagnostica prima che si verifichi un guasto dell’intero asse. La valutazione del servomotore, dei cuscinetti, dell’albero, del sistema di misura e dei componenti associati permette di pianificare la riparazione, la rigenerazione o la sostituzione in un momento controllato e ridurre il rischio di un fermo di produzione non pianificato. —> Richiedi la riparazione

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