Napęd bezpośredni a serwomotor z przekładnią obrotową: kwantyfikacja zalet konstrukcyjnych: część 1

Cele nauczania

• Rzeczywiste systemy serwomechanizmów obrotowych nie osiągają idealnej wydajności ze względu na ograniczenia techniczne.
• Kilka typów serwomotorów obrotowych może zapewnić użytkownikom korzyści, ale każdy z nich wiąże się z konkretnym wyzwaniem lub ograniczeniem.
• Serwomotory obrotowe z napędem bezpośrednim zapewniają najlepszą wydajność, ale są droższe niż motoreduktory.

Od dziesięcioleci serwomotory przekładniowe są jednym z najpopularniejszych narzędzi w zestawie narzędzi automatyki przemysłowej. Sewromotory z przekładnią umożliwiają pozycjonowanie, dopasowywanie prędkości, elektroniczne krzywki, nawijanie, napinanie, dokręcanie i skutecznie dopasowują moc serwomotoru do obciążenia. Rodzi się pytanie: czy serwomotor z przekładnią jest najlepszą opcją dla technologii ruchu obrotowego, czy też istnieje lepsze rozwiązanie?

W idealnym świecie obrotowy układ serwomechanizmu miałby moment obrotowy i prędkość odpowiednie do zastosowania, dzięki czemu silnik nie byłby ani za duży, ani za mały. Połączenie silnika, elementów przekładni i obciążenia powinno charakteryzować się nieskończoną sztywnością skrętną i zerowym luzem. Niestety, rzeczywiste systemy serwomechanizmów obrotowych w różnym stopniu nie spełniają tego ideału.

W typowym układzie serwo luz definiuje się jako utratę ruchu pomiędzy silnikiem a obciążeniem spowodowaną tolerancjami mechanicznymi elementów przekładni; obejmuje to wszelkie straty ruchu w skrzyniach biegów, paskach, łańcuchach i sprzęgłach. Kiedy maszyna jest włączana po raz pierwszy, obciążenie będzie unosić się gdzieś pośrodku tolerancji mechanicznych (rysunek 1A).

Zanim sam ładunek będzie mógł zostać przeniesiony przez silnik, silnik musi się obrócić, aby skompensować cały luz występujący w elementach przekładni (Rysunek 1B). Kiedy silnik zaczyna zwalniać pod koniec ruchu, położenie obciążenia może w rzeczywistości wyprzedzić położenie silnika, ponieważ pęd przenosi obciążenie poza położenie silnika.

Silnik musi ponownie skompensować luz w przeciwnym kierunku, zanim przekaże moment obrotowy na obciążenie w celu jego spowolnienia (Rysunek 1C). Ta utrata ruchu nazywana jest luzem i jest zwykle mierzona w minutach łuku, równych 1/60 stopnia. Przekładnie zaprojektowane do użytku z serwomechanizmami w zastosowaniach przemysłowych często mają specyfikacje dotyczące luzu w zakresie od 3 do 9 minut kątowych.

Sztywność skrętna to odporność na skręcanie wału silnika, elementów przekładni i obciążenia w odpowiedzi na przyłożony moment obrotowy. Nieskończenie sztywny układ przekazywałby moment obrotowy na obciążenie bez odchylenia kątowego wokół osi obrotu; jednakże nawet wał z litej stali będzie lekko skręcał się 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 skręcać bardziej niż krótkie, grube. Ta odporność na skręcanie sprawia, że ​​sprężyny śrubowe działają, ponieważ ściskanie sprężyny powoduje lekkie skręcanie każdego zwoju drutu; grubszy drut powoduje sztywniejszą sprężynę. Wszystko, co jest mniejsze niż nieskończona sztywność skrętna, powoduje, że system działa jak sprężyna, co oznacza, że ​​energia potencjalna będzie magazynowana w systemie, ponieważ obciążenie stawia opór obrotowi.

W połączeniu skończona sztywność skrętna i luz mogą znacznie pogorszyć wydajność serwomechanizmu. Luz może powodować niepewność, ponieważ enkoder silnika wskazuje położenie wału silnika, a nie miejsce, w którym luz pozwolił na osiadanie obciążenia. Luz powoduje również problemy z dostrojeniem, ponieważ obciążenie łączy się i odłącza od silnika na krótko, gdy obciążenie i silnik odwracają względny kierunek. Oprócz luzów, 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, indukuje rezonans, zmniejsza maksymalne użyteczne wzmocnienia strojenia i negatywnie wpływa na responsywność i czas ustalania się serwomechanizmu. We wszystkich przypadkach zmniejszenie luzu i zwiększenie sztywności systemu zwiększy wydajność serwomechanizmu i uprości strojenie.

Konfiguracje serwomotorów z osią obrotową

Najpopularniejszą konfiguracją osi obrotowej jest serwomotor obrotowy z wbudowanym enkoderem do przekazywania informacji zwrotnej o położeniu oraz przekładnią dopasowującą dostępny moment obrotowy i prędkość silnika do wymaganego momentu obrotowego i prędkości obciążenia. Skrzynia biegów jest urządzeniem o stałej mocy, będącym mechanicznym analogiem transformatora do dopasowywania obciążenia.

Ulepszona konfiguracja sprzętowa wykorzystuje serwomotor obrotowy z napędem bezpośrednim, co eliminuje elementy przekładni poprzez bezpośrednie sprzężenie obciążenia z silnikiem. Podczas gdy konfiguracja motoreduktora wykorzystuje sprzęgło z wałem o stosunkowo małej średnicy, system napędu bezpośredniego przykręca obciążenie bezpośrednio do znacznie większego kołnierza wirnika. Taka 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 przełożeniu 10:1 lub wyższym.