Neposredni pogon v primerjavi z gonilnim rotacijskim servomotorjem: Kvantifikacija prednosti zasnove: 1. del

Učni cilji

• Realni rotacijski servo sistemi zaradi tehničnih omejitev ne dosegajo idealne zmogljivosti.
• Več vrst rotacijskih servomotorjev lahko uporabnikom nudi koristi, vendar ima vsak poseben izziv ali omejitev.
• Rotacijski servomotorji z neposrednim pogonom ponujajo najboljšo zmogljivost, vendar so dražji od motornih reduktorjev.

Že desetletja so bili servomotorji z gonilniki eno najpogostejših orodij v orodju industrijske avtomatizacije. Zobniški sevromotorji ponujajo pozicioniranje, ujemanje hitrosti, elektronsko odmikanje, navijanje, napenjanje, zategovanje in učinkovito prilagajanje moči servomotorja obremenitvi. To postavlja vprašanje: ali je servomotor z gonilom najboljša možnost za tehnologijo rotacijskega gibanja ali obstaja boljša rešitev?

V popolnem svetu bi imel rotacijski servo sistem ocene navora in hitrosti, ki ustrezajo aplikaciji, tako da motor ne bi bil niti prevelik niti premajhen. Kombinacija motorja, prenosnih elementov in obremenitve mora imeti neskončno torzijsko togost in nič zračnosti. Na žalost rotacijski servo sistemi v realnem svetu v različni meri ne dosegajo tega ideala.

V tipičnem servo sistemu je zračnost opredeljena kot izguba gibanja med motorjem in obremenitvijo, ki jo povzročijo mehanske tolerance elementov prenosa; to vključuje kakršno koli izgubo gibanja skozi menjalnike, jermene, verige in sklopke. Ko je stroj prvič vklopljen, bo obremenitev lebdela nekje na sredini mehanskih toleranc (slika 1A).

Preden lahko motor premakne breme, se mora motor zavrteti, da prevzame vso ohlapnost, ki obstaja v elementih prenosa (slika 1B). Ko začne motor na koncu premikanja upočasnjevati, lahko položaj obremenitve dejansko prehiti položaj motorja, saj zagon prenese obremenitev izven položaja motorja.

Motor mora znova prevzeti ohlapnost v nasprotni smeri, preden obremenitev uporabi navor, da jo upočasni (slika 1C). Ta izguba gibanja se imenuje povratni udarec in se običajno meri v ločnih minutah, kar je enako 1/60 stopinje. Menjalniki, zasnovani za uporabo s servomotorji v industrijskih aplikacijah, imajo pogosto specifikacije zračnosti v razponu od 3 do 9 ločnih minut.

Torzijska togost je odpornost na zvijanje gredi motorja, elementov prenosa in obremenitve kot odziv na uporabo navora. Neskončno tog sistem bi prenašal navor na obremenitev brez kotnega odklona okoli osi vrtenja; vendar se bo celo trdna jeklena gred pod veliko obremenitvijo nekoliko zvila. Velikost upogiba se spreminja z uporabljenim navorom, materialom prenosnih elementov in njihovo obliko; intuitivno se bodo dolgi, tanki deli zvijali bolj kot kratki, debeli. Ta odpornost proti zvijanju je tisto, zaradi česar vijačne vzmeti delujejo, saj stiskanje vzmeti rahlo zasuka vsak obrat žice; debelejša žica naredi tršo vzmet. Vse, kar je manj kot neskončna torzijska togost, povzroči, da sistem deluje kot vzmet, kar pomeni, da bo potencialna energija shranjena v sistemu, ko se breme upira vrtenju.

V kombinaciji lahko končna torzijska togost in zračnost znatno poslabšata delovanje servo sistema. Zračnost lahko povzroči negotovost, saj dajalnik motorja kaže položaj gredi motorja, ne pa tam, kjer je zračnost omogočila, da se obremenitev usede. Zračnost povzroča tudi težave pri prilagajanju, saj se obremenitev za kratek čas poveže in odklopi od motorja, ko obremenitev in motor zamenjata relativno smer. Poleg zračnosti končna torzijska togost shranjuje energijo tako, da pretvarja nekaj kinetične energije motorja in obremenitve v potencialno energijo, ki jo kasneje sprosti. To zakasnjeno sproščanje energije povzroči nihanje obremenitve, inducira resonanco, zmanjša največje uporabne nastavitvene dobitke in negativno vpliva na odzivnost in čas uravnavanja servo sistema. V vseh primerih bo zmanjšanje zračnosti in povečanje togosti sistema povečalo zmogljivost servo in poenostavilo nastavitev.

Konfiguracije servomotorja z rotacijsko osjo

Najpogostejša konfiguracija rotacijske osi je rotacijski servomotor z vgrajenim kodirnikom za povratne informacije o položaju in menjalnikom, ki prilagodi razpoložljivi navor in hitrost motorja zahtevanemu navoru in hitrosti obremenitve. Menjalnik je naprava s konstantno močjo, ki je mehanski analog transformatorja za ujemanje obremenitve.

Izboljšana konfiguracija strojne opreme uporablja rotacijski servomotor z neposrednim pogonom, ki odpravlja prenosne elemente z neposrednim priklopom bremena na motor. Medtem ko konfiguracija motornega gonila uporablja sklopko na gred z relativno majhnim premerom, sistem neposrednega pogona obremenitev privije neposredno na veliko večjo prirobnico rotorja. Ta konfiguracija odpravlja zračnost in močno poveča vzvojno togost. Večje število polov in navitja z visokim navorom motorjev z direktnim pogonom se ujemajo z značilnostmi navora in hitrosti motornega gonila z razmerjem 10:1 ali več.