Директан погон у односу на ротациони сервомотор са зупчаником: Квантификација предности дизајна: Део 1

Циљеви учења

• Реални ротациони серво системи не достижу идеалне перформансе због техничких ограничења.
• Неколико типова ротационих сервомотора може пружити предности корисницима, али сваки има специфичан изазов или ограничење.
• Ротациони сервомотори са директним погоном нуде најбоље перформансе, али су скупљи од мотора са редукторима.

Деценијама су сервомотори са зупчаницима један од најчешћих алата у кутији алата за индустријску аутоматизацију. Севромотори са зупчаницима нуде апликације за позиционирање, усклађивање брзине, електронско окретање, намотавање, затезање, затезање и ефикасно усклађују снагу сервомотора са оптерећењем. Ово поставља питање: да ли је сервомотор са зупчаником најбоља опција за технологију ротационог кретања или постоји боље решење?

У савршеном свету, ротациони серво систем би имао оцене обртног момента и брзине које одговарају примени, тако да мотор није ни превелик ни премали. Комбинација мотора, трансмисионих елемената и оптерећења треба да има бесконачну торзиону крутост и нулти зазор. Нажалост, ротациони серво системи у стварном свету у различитим степенима не испуњавају овај идеал.

У типичном серво систему, зазор се дефинише као губитак кретања између мотора и оптерећења узрокован механичким толеранцијама елемената преноса; ово укључује сваки губитак кретања кроз мењаче, каишеве, ланце и спојнице. Када се машина у почетку укључи, оптерећење ће плутати негде у средини механичких толеранција (слика 1А).

Пре него што мотор може да помери сам терет, мотор мора да се окреће да би преузео сву лабавост која постоји у елементима преноса (Слика 1Б). Када мотор почне да успорава на крају покрета, положај оптерећења може заправо да престигне положај мотора пошто замах носи оптерећење изван положаја мотора.

Мотор мора поново да повуче лабавост у супротном смеру пре него што примени обртни момент на оптерећење да би га успорио (слика 1Ц). Овај губитак кретања назива се зазор и обично се мери у лучним минутама, једнаким 1/60 степена. Мењачи дизајнирани за употребу са серво у индустријским апликацијама често имају спецификације зазора у распону од 3 до 9 лучних минута.

Торзиона крутост је отпорност на увртање осовине мотора, елемената преноса и оптерећења као одговор на примену обртног момента. Бесконачно крут систем би преносио обртни момент на терет без угаоног отклона око осе ротације; међутим, чак и чврста челична осовина ће се мало уврнути под великим оптерећењем. Величина отклона варира у зависности од примењеног обртног момента, материјала трансмисионих елемената и њиховог облика; интуитивно, дуги, танки делови ће се уврнути више од кратких, дебелих. Ова отпорност на увијање је оно што чини завојне опруге да раде, јер компресија опруге лагано увија сваки завој жице; дебља жица чини чвршћу опругу. Све што је мање од бесконачне торзионе крутости узрокује да систем делује као опруга, што значи да ће потенцијална енергија бити ускладиштена у систему док се оптерећење опире ротацији.

Када се комбинују заједно, коначна торзиона крутост и зазор могу значајно смањити перформансе серво система. Зазор може да унесе несигурност, пошто енкодер мотора показује положај осовине мотора, а не где је зазор омогућио да се оптерећење слегне. Зазор такође доводи до проблема са подешавањем јер се оптерећење спаја и накратко одваја од мотора када се оптерећење и мотор обрну релативни смер. Поред зазора, коначна торзиона крутост складишти енергију тако што претвара део кинетичке енергије мотора и оптерећења у потенцијалну енергију, ослобађајући је касније. Ово одложено ослобађање енергије изазива осцилације оптерећења, индукује резонанцију, смањује максималне употребљиве добитке подешавања и негативно утиче на одзив и време мировања серво система. У свим случајевима, смањење зазора и повећање крутости система ће повећати перформансе серво система и поједноставити подешавање.

Конфигурације сервомотора са ротационом осовином

Најчешћа конфигурација ротационе осе је ротациони сервомотор са уграђеним енкодером за повратну информацију о положају и мењачем за усклађивање расположивог обртног момента и брзине мотора са потребним обртним моментом и брзином оптерећења. Мењач је уређај константне снаге који је механички аналог трансформатора за усклађивање оптерећења.

Побољшана хардверска конфигурација користи ротациони сервомотор са директним погоном, који елиминише елементе преноса директним спајањем оптерећења на мотор. Док конфигурација мотора са редуктором користи спојницу са вратилом релативно малог пречника, систем директног погона причвршћује оптерећење директно на много већу прирубницу ротора. Ова конфигурација елиминише зазор и значајно повећава торзиону крутост. Већи број полова и велики обртни момент намотаја мотора са директним погоном одговарају карактеристикама обртног момента и брзине мотора са редуктором у односу 10:1 или више.