Napęd bezpośredni kontra serwomotor obrotowy z przekładnią: Kwantyfikacja przewagi konstrukcyjnej: Część 1

Cele edukacyjne

• Rzeczywiste serwomechanizmy obrotowe nie osiągają idealnych osiągów ze względu na ograniczenia techniczne.
• Istnieje kilka typów serwosilników obrotowych, które mogą przynieść użytkownikom pewne korzyści, ale każdy z nich wiąże się z określonymi wyzwaniami i ograniczeniami.
• Serwomotory obrotowe z napędem bezpośrednim oferują najlepszą wydajność, ale są droższe od silników przekładniowych.

Przez dziesięciolecia serwomotory przekładniowe były jednym z najpopularniejszych narzędzi w zestawie narzędzi automatyki przemysłowej. Serwomotory przekładniowe oferują pozycjonowanie, dopasowanie prędkości, elektroniczne krzywki, nawijanie, napinanie, dokręcanie i skutecznie dopasowują moc serwomotoru do obciążenia. Nasuwa się pytanie: czy serwomotor przekładniowy jest najlepszą opcją dla technologii ruchu obrotowego, czy też istnieje lepsze rozwiązanie?

W idealnym świecie obrotowy układ serwo miałby moment obrotowy i prędkość znamionową, które pasują do zastosowania, więc silnik nie byłby ani za duży, ani za mały. Połączenie silnika, elementów przekładni i obciążenia powinno mieć nieskończoną sztywność skrętną i zerowy luz. Niestety, rzeczywiste obrotowe układy serwo odstają od tego ideału w różnym stopniu.

W typowym systemie serwo luz jest definiowany jako utrata ruchu między silnikiem a obciążeniem spowodowana przez tolerancje mechaniczne elementów przekładni; obejmuje to wszelkie straty ruchu w przekładniach, pasach, łańcuchach i sprzęgłach. Gdy maszyna jest początkowo włączana, obciążenie będzie unosić się gdzieś w środku tolerancji mechanicznych (rysunek 1A).

Zanim ładunek będzie mógł zostać przesunięty przez silnik, silnik musi się obrócić, aby usunąć cały luz istniejący w elementach przekładni (rysunek 1B). Gdy silnik zaczyna zwalniać pod koniec ruchu, położenie ładunku może faktycznie wyprzedzić położenie silnika, ponieważ pęd przenosi obciążenie poza położenie silnika.

Silnik musi ponownie przejąć luz w przeciwnym kierunku, zanim zastosuje moment obrotowy do obciążenia, aby je spowolnić (rysunek 1C). Ta strata ruchu nazywana jest luzem zwrotnym i jest zazwyczaj mierzona w minutach kątowych, równych 1/60 stopnia. Przekładnie zaprojektowane do użytku z serwomechanizmami w zastosowaniach przemysłowych często mają specyfikacje luzu zwrotnego w zakresie od 3 do 9 minut kątowych.

Sztywność skrętna to odporność na skręcanie wału silnika, elementów przekładni i obciążenia w odpowiedzi na przyłożenie momentu obrotowego. Nieskończenie sztywny układ przekazywałby moment obrotowy na obciążenie bez kątowego ugięcia wokół osi obrotu; jednak nawet solidny wał stalowy będzie się lekko skręcał pod dużym obciążeniem. Wielkość ugięcia zmienia się w zależności od przyłożonego momentu obrotowego, materiału elementów przekładni i ich kształtu; intuicyjnie długie, cienkie części będą się bardziej skręcać niż krótkie, grube. Ta odporność na skręcanie sprawia, że ​​sprężyny śrubowe działają, ponieważ ściskanie sprężyny nieznacznie skręca każdy zwój drutu; grubszy drut tworzy sztywniejszą sprężynę. Wszystko, co jest mniejsze niż nieskończona sztywność skrętna, powoduje, że układ działa jak sprężyna, co oznacza, że ​​energia potencjalna będzie magazynowana w układzie, gdy obciążenie będzie stawiało opór obrotowi.

Połączone razem, skończona sztywność skrętna i luz mogą znacząco pogorszyć wydajność układu serwo. Luz może wprowadzać niepewność, ponieważ enkoder silnika wskazuje położenie wału silnika, a nie miejsce, w którym luz pozwolił na ustabilizowanie się obciążenia. Luz powoduje również problemy ze strojeniem, ponieważ obciążenie łączy się i rozłącza z silnikiem na krótko, gdy obciążenie i silnik zmieniają kierunek względny. Oprócz luzu, skończona sztywność skrętna magazynuje energię, przekształcając część energii kinetycznej silnika i obciążenia w energię potencjalną, uwalniając ją później. To opóźnione uwalnianie energii powoduje oscylacje obciążenia, wywołuje rezonans, zmniejsza maksymalne użyteczne wzmocnienia strojenia i negatywnie wpływa na reakcję i czas ustalania się układu serwo. We wszystkich przypadkach zmniejszenie luzu i zwiększenie sztywności układu zwiększy wydajność serwomechanizmu i uprości strojenie.

Konfiguracje serwomotorów osi obrotowej

Najczęstszą konfiguracją osi obrotowej jest serwomotor obrotowy ze wbudowanym enkoderem do sprzężenia zwrotnego położenia i przekładnią do dopasowania dostępnego momentu obrotowego i prędkości silnika do wymaganego momentu obrotowego i prędkości obciążenia. Przekładnia jest urządzeniem o stałej mocy, które jest mechanicznym analogiem transformatora do dopasowania obciążenia.

Ulepszona konfiguracja sprzętowa wykorzystuje serwomotor obrotowy z napędem bezpośrednim, który eliminuje elementy przekładni poprzez bezpośrednie sprzęganie obciążenia z silnikiem. Podczas gdy konfiguracja motoreduktora wykorzystuje sprzęgło do wału o stosunkowo małej średnicy, system napędu bezpośredniego przykręca obciążenie bezpośrednio do znacznie większego kołnierza wirnika. Ta konfiguracja eliminuje luz i znacznie zwiększa sztywność skrętną. Większa liczba biegunów i uzwojenia o wysokim momencie obrotowym silników z napędem bezpośrednim odpowiadają charakterystyce momentu obrotowego i prędkości motoreduktora o stosunku 10:1 lub wyższym.