Сервомотор с редуктор може да бъде полезен за технологията на въртеливо движение, но има предизвикателства и ограничения, за които потребителите трябва да са наясно.
От: Дакота Милър и Брайън Найт
Цели на обучението
- Реалните ротационни серво системи не постигат идеалната производителност поради технически ограничения.
- Няколко вида ротационни сервомотори могат да осигурят предимства за потребителите, но всеки има специфично предизвикателство или ограничение.
- Ротационните серводвигатели с директно задвижване предлагат най-добра производителност, но са по-скъпи от мотор-редукторите.
В продължение на десетилетия, сервомоторите с редуктор са едни от най-разпространените инструменти в инструментариума за индустриална автоматизация. Сервомоторите с редуктор предлагат приложения за позициониране, съгласуване на скоростта, електронно гърбично задвижване, навиване, опъване, затягане и ефективно съгласуват мощността на сервомотора с товара. Това повдига въпроса: сервомоторът с редуктор най-добрият вариант ли е за технология на въртеливо движение или има по-добро решение?
В идеалния свят, ротационната серво система би имала номинални стойности на въртящия момент и скоростта, които съответстват на приложението, така че двигателят да не е нито прекалено голям, нито прекалено малък. Комбинацията от двигател, трансмисионни елементи и товар трябва да има безкрайна торсионна твърдост и нулев луфт. За съжаление, реалните ротационни серво системи не отговарят на този идеал в различна степен.
В типична серво система, луфтът се определя като загуба на движение между двигателя и товара, причинена от механичните допуски на трансмисионните елементи; това включва всяка загуба на движение в скоростните кутии, ремъците, веригите и съединителите. Когато машината се включи за първи път, товарът ще се движи някъде по средата на механичните допуски (Фигура 1А).
Преди самият товар да може да бъде преместен от двигателя, той трябва да се завърти, за да компенсира всички хлабини, съществуващи в трансмисионните елементи (Фигура 1B). Когато двигателят започне да намалява скоростта си в края на движението, позицията на товара може действително да изпревари позицията на двигателя, тъй като инерцията пренася товара отвъд позицията на двигателя.
Двигателят трябва отново да компенсира хлабината в обратната посока, преди да приложи въртящ момент към товара, за да го забави (Фигура 1C). Тази загуба на движение се нарича луфт и обикновено се измерва в дъгови минути, равни на 1/60 от градуса. Скоростните кутии, проектирани за използване със сервомотори в промишлени приложения, често имат спецификации за луфт, вариращи от 3 до 9 дъгови минути.
Торсионната коравина е съпротивлението на усукване на вала на двигателя, трансмисионните елементи и товара в отговор на прилагането на въртящ момент. Безкрайно твърда система би предавала въртящ момент на товара без ъглово отклонение около оста на въртене; въпреки това, дори солиден стоманен вал ще се усуква леко при голямо натоварване. Големината на отклонението варира в зависимост от приложения въртящ момент, материала на трансмисионните елементи и тяхната форма; интуитивно, дългите, тънки части ще се усукват повече от късите, дебели. Тази съпротива на усукване е това, което кара пружините да работят, тъй като компресирането на пружината усуква леко всяко завъртане на телта; по-дебелата тел прави пружината по-твърда. Всичко по-малко от безкрайната торсионна коравина кара системата да действа като пружина, което означава, че потенциалната енергия ще се съхранява в системата, тъй като товарът се съпротивлява на въртенето.
Когато се комбинират заедно, ограничената торсионна твърдост и хлабината могат значително да влошат производителността на серво системата. Хлабината може да доведе до несигурност, тъй като енкодерът на двигателя показва позицията на вала на двигателя, а не къде хлабината е позволила на товара да се установи. Хлабината също така води до проблеми с настройката, тъй като товарът се свързва и разединява от двигателя за кратко, когато товарът и двигателят обърнат относителната си посока. В допълнение към хлабината, ограничената торсионна твърдост съхранява енергия, като преобразува част от кинетичната енергия на двигателя и товара в потенциална енергия, освобождавайки я по-късно. Това забавено освобождаване на енергия причинява трептене на товара, индуцира резонанс, намалява максималните използваеми усилвания на настройката и влияе отрицателно върху реакцията и времето за установяване на серво системата. Във всички случаи намаляването на хлабината и увеличаването на твърдостта на системата ще увеличи производителността на сервото и ще опрости настройката.
Конфигурации на сервомотори с въртяща се ос
Най-често срещаната конфигурация на въртящата се ос е ротационен сервомотор с вграден енкодер за обратна връзка за позицията и скоростна кутия, която съгласува наличния въртящ момент и скоростта на двигателя с необходимия въртящ момент и скорост на товара. Скоростната кутия е устройство за постоянна мощност, което е механичен аналог на трансформатор за съгласуване на товара.
Подобрена хардуерна конфигурация използва ротационен сервомотор с директно задвижване, който елиминира трансмисионните елементи чрез директно свързване на товара към двигателя. Докато конфигурацията с редукторен мотор използва съединител към вал с относително малък диаметър, системата за директно задвижване закрепва товара директно към много по-голям фланец на ротора. Тази конфигурация елиминира луфта и значително увеличава торсионната якост. По-големият брой полюси и намотките с висок въртящ момент на двигателите с директно задвижване съответстват на характеристиките на въртящия момент и скоростта на редукторен мотор със съотношение 10:1 или по-високо.
Време на публикуване: 12 ноември 2021 г.
