Direktan pogon u odnosu na rotacijski servomotor sa zupčanikom: kvantifikacija dizajnerske prednosti: 1. dio

Ciljevi učenja

• Realni rotacijski servo sistemi ne zadovoljavaju idealne performanse zbog tehničkih ograničenja.
• Nekoliko tipova rotacionih servomotora može pružiti prednosti korisnicima, ali svaki ima poseban izazov ili ograničenje.
• Rotacioni servomotori sa direktnim pogonom nude najbolje performanse, ali su skuplji od motora sa reduktorima.

Desetljećima su servomotori sa zupčanicima jedan od najčešćih alata u kutiji alata za industrijsku automatizaciju. Sevromotori sa zupčanicima nude pozicioniranje, usklađivanje brzine, elektronsko okretanje, namotavanje, zatezanje, zatezanje i efikasno usklađivanje snage servomotora sa opterećenjem. Ovo postavlja pitanje: da li je servomotor sa zupčanikom najbolja opcija za tehnologiju rotacionog pokreta ili postoji bolje rješenje?

U savršenom svijetu, rotacijski servo sistem bi imao ocjenu obrtnog momenta i brzine koja odgovara primjeni, tako da motor nije ni prevelik ni premali. Kombinacija motora, transmisionih elemenata i opterećenja treba da ima beskonačnu torzionu krutost i nula zazora. Nažalost, rotacijski servo sistemi u stvarnom svijetu u različitim stepenima ne ispunjavaju ovaj ideal.

U tipičnom servo sistemu, zazor se definiše kao gubitak kretanja između motora i opterećenja uzrokovan mehaničkim tolerancijama elemenata prijenosa; ovo uključuje svaki gubitak kretanja kroz mjenjače, kaiševe, lance i spojnice. Kada se mašina u početku uključi, opterećenje će plutati negdje u sredini mehaničkih tolerancija (slika 1A).

Prije nego što motor može pomjeriti sam teret, motor se mora rotirati kako bi preuzeo svu labavost koja postoji u elementima prijenosa (slika 1B). Kada motor počne usporavati na kraju pokreta, položaj opterećenja može zapravo nadmašiti položaj motora jer zamah nosi opterećenje izvan položaja motora.

Motor mora ponovo povući labavost u suprotnom smjeru prije nego što primijeni zakretni moment na opterećenje kako bi ga usporio (slika 1C). Ovaj gubitak kretanja naziva se zazor i obično se mjeri u lučnim minutama, jednakim 1/60 stepena. Mjenjači dizajnirani za upotrebu sa servo u industrijskim aplikacijama često imaju specifikacije zazora u rasponu od 3 do 9 lučnih minuta.

Torziona krutost je otpornost na uvijanje osovine motora, elemenata prijenosa i opterećenja kao odgovor na primjenu momenta. Beskonačno krut sistem bi prenosio obrtni moment na teret bez ugaonog otklona oko ose rotacije; međutim, čak i čvrsta čelična osovina će se lagano uvrnuti pod velikim opterećenjem. Veličina otklona varira ovisno o primijenjenom momentu, materijalu elemenata prijenosa i njihovom obliku; intuitivno, dugi, tanki dijelovi će se uvrnuti više od kratkih, debelih. Ova otpornost na uvijanje je ono zbog čega opruge rade, jer kompresija opruge lagano uvija svaki zavoj žice; deblja žica čini čvršću oprugu. Sve što je manje od beskonačne torzijske krutosti uzrokuje da sistem djeluje kao opruga, što znači da će potencijalna energija biti pohranjena u sistemu dok se opterećenje opire rotaciji.

Kada se kombinuju zajedno, konačna torziona krutost i zazor mogu značajno smanjiti performanse servo sistema. Zazor može unijeti nesigurnost, jer enkoder motora pokazuje položaj osovine motora, a ne mjesto gdje je zazor omogućio da se opterećenje slegne. Zazor također uvodi probleme podešavanja jer se opterećenje spaja i nakratko odvaja od motora kada se opterećenje i motor obrnu relativni smjer. Osim zazora, konačna torzijska krutost pohranjuje energiju pretvarajući dio kinetičke energije motora i opterećenja u potencijalnu energiju, oslobađajući je kasnije. Ovo odgođeno oslobađanje energije uzrokuje oscilacije opterećenja, inducira rezonanciju, smanjuje maksimalne upotrebljive dobitke podešavanja i negativno utiče na odziv i vrijeme mirovanja servo sistema. U svim slučajevima, smanjenje zazora i povećanje krutosti sistema će povećati performanse servo sistema i pojednostaviti podešavanje.

Konfiguracije servomotora s rotacijskom osovinom

Najčešća konfiguracija rotacijske osi je rotacijski servomotor s ugrađenim enkoderom za povratnu informaciju o položaju i mjenjačem za usklađivanje raspoloživog momenta i brzine motora sa potrebnim momentom i brzinom opterećenja. Mjenjač je uređaj konstantne snage koji je mehanički analog transformatora za usklađivanje opterećenja.

Poboljšana hardverska konfiguracija koristi rotacijski servomotor s direktnim pogonom, koji eliminiše elemente prijenosa direktnim spajanjem opterećenja na motor. Dok konfiguracija motora sa reduktorom koristi spojnicu na vratilo relativno malog prečnika, sistem direktnog pogona pričvršćuje teret direktno na mnogo veću prirubnicu rotora. Ova konfiguracija eliminira zazor i uvelike povećava torzionu krutost. Veći broj polova i namotaji velikog momenta motora s direktnim pogonom odgovaraju karakteristikama momenta i brzine motora s reduktorom u omjeru od 10:1 ili više.