Директен погон наспроти ротационен сервомотор со запчаник: Квантификација на дизајнерската предност: Дел 1

Цели на учење

• Ротационите серво системи во реалниот свет не ги достигнуваат идеалните перформанси поради технички ограничувања.
• Неколку видови ротациони сервомотори можат да обезбедат придобивки за корисниците, но секој од нив има специфичен предизвик или ограничување.
• Ротационите сервомотори со директен погон нудат најдобри перформанси, но се поскапи од запчаниците.

Со децении, запчаниците со сервомотори се едни од најчестите алатки во комплетот со алатки за индустриска автоматизација. Запчаниците со сервомотори нудат позиционирање, усогласување на брзината, електронско брегасто намотување, намотување, затегнување, затегнување и ефикасно усогласување на моќноста на сервомоторот со оптоварувањето. Ова го поставува прашањето: дали запчаникот со сервомотор е најдобрата опција за технологијата на ротационо движење или постои подобро решение?

Во совршен свет, ротационен серво систем би имал вртежен момент и брзина што одговараат на примената, така што моторот не е ниту преголем ниту премал. Комбинацијата од мотор, елементи на пренос и оптоварување треба да има бесконечна торзиона цврстина и нулта реакција. За жал, реалните ротациони серво системи не го исполнуваат овој идеал во различен степен.

Во типичен серво систем, обратниот удар се дефинира како губење на движење помеѓу моторот и товарот предизвикано од механичките толеранции на елементите на преносот; ова вклучува какво било губење на движење низ менувачите, ремените, синџирите и спојките. Кога машината првично се вклучува, товарот ќе лебди некаде во средината на механичките толеранции (Слика 1А).

Пред самиот товар да може да се помести од моторот, моторот мора да ротира за да го пополни целиот лабав простор што постои во елементите на преносот (Слика 1Б). Кога моторот ќе почне да забавува на крајот од движењето, положбата на оптоварувањето всушност може да ја престигне положбата на моторот бидејќи импулсот го носи оптоварувањето надвор од положбата на моторот.

Моторот мора повторно да го надомести застојот во спротивна насока пред да примени вртежен момент на товарот за да го забави (Слика 1C). Ова губење на движење се нарекува обратен удар и обично се мери во лачни минути, еднакво на 1/60-тина од степен. Менувачите дизајнирани за употреба со серво мотори во индустриски апликации често имаат спецификации за обратен удар кои се движат од 3 до 9 лачни минути.

Торзионата крутост е отпорноста на извиткување на вратилото на моторот, елементите на преносот и оптоварувањето како одговор на примената на вртежниот момент. Бесконечно крут систем би пренесувал вртежен момент на оптоварувањето без аголно отклонување околу оската на ротација; сепак, дури и цврсто челично вратило ќе се извитка малку под големо оптоварување. Големината на отклонувањето варира во зависност од применетиот вртежен момент, материјалот на елементите на преносот и нивната форма; интуитивно, долгите, тенки делови ќе се извиткаат повеќе од кратките, дебели. Оваа отпорност на извиткување е она што ги прави спиралните пружини да работат, бидејќи компресијата на пружината малку го извиткува секое вртење на жицата; подебелата жица прави поцврста пружина. Сè што е помало од бесконечната торзиона крутост предизвикува системот да дејствува како пружина, што значи дека потенцијалната енергија ќе се складира во системот бидејќи оптоварувањето се спротивставува на ротацијата.

Кога се комбинираат заедно, конечната торзиона крутост и обратниот удар можат значително да ги деградираат перформансите на серво системот. Неповратниот удар може да внесе неизвесност, бидејќи енкодерот на моторот ја покажува положбата на вратилото на моторот, а не каде обратниот удар дозволил товарот да се смири. Неповратниот удар, исто така, воведува проблеми со подесување бидејќи товарот накратко се спојува и одвојува од моторот кога товарот и моторот ја менуваат релативната насока. Покрај обратниот удар, конечната торзиона крутост складира енергија со претворање на дел од кинетичката енергија на моторот и товарот во потенцијална енергија, ослободувајќи ја подоцна. Ова одложено ослободување на енергија предизвикува осцилација на оптоварувањето, индуцира резонанца, ги намалува максималните употребливи добивки од подесувањето и негативно влијае на одзивот и времето на смирување на серво системот. Во сите случаи, намалувањето на обратниот удар и зголемувањето на крутоста на системот ќе ги зголемат перформансите на сервото и ќе го поедностават подесувањето.

Конфигурации на сервомотори со ротациона оска

Најчестата конфигурација на ротациона оска е ротационен сервомотор со вграден енкодер за повратна информација за положбата и менувач за усогласување на достапниот вртежен момент и брзината на моторот со потребниот вртежен момент и брзина на товарот. Менувачот е уред со константна моќност кој е механички аналог на трансформатор за усогласување на оптоварувањето.

Подобрената хардверска конфигурација користи ротационен сервомотор со директен погон, кој ги елиминира елементите на преносот со директно поврзување на оптоварувањето со моторот. Додека конфигурацијата на менувачот користи спојка со вратило со релативно мал дијаметар, системот за директен погон го прицврстува оптоварувањето директно на многу поголема прирабница на роторот. Оваа конфигурација го елиминира обратниот удар и значително ја зголемува торзионата цврстина. Поголемиот број на полови и намотките со висок вртежен момент на моторите со директен погон се совпаѓаат со карактеристиките на вртежниот момент и брзината на менувачот со сооднос од 10:1 или поголем.