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

Učni cilji

• Zaradi tehničnih omejitev rotacijski servo sistemi v resničnem svetu ne dosegajo idealne zmogljivosti.
• Več vrst rotacijskih servomotorjev lahko uporabnikom nudi prednosti, vendar ima vsaka svoj specifičen izziv ali omejitev.
• Rotacijski servomotorji z direktnim pogonom ponujajo najboljšo zmogljivost, vendar so dražji od motorjev z gonilom.

Servomotorji z gonilniki so že desetletja eno najpogostejših orodij v industrijski avtomatizaciji. Servomotorji z gonilniki ponujajo pozicioniranje, prilagajanje hitrosti, elektronsko odmično krmiljenje, navijanje, napenjanje, zategovanje ter učinkovito prilagajajo moč servomotorja obremenitvi. To postavlja vprašanje: ali je servomotor z gonilniki najboljša možnost za tehnologijo rotacijskega gibanja ali obstaja boljša rešitev?

V idealnem svetu bi imel rotacijski servo sistem nazivni navor in hitrost, ki ustrezata uporabi, tako da motor ni niti prevelik niti premajhen. Kombinacija motorja, elementov prenosa in obremenitve bi morala imeti neskončno torzijsko togost in ničelno zračnost. Žal pa rotacijski servo sistemi v resničnem svetu v različni meri ne dosegajo tega ideala.

V tipičnem servo sistemu je zračnost opredeljena kot izguba gibanja med motorjem in bremenom, ki jo povzročajo mehanske tolerance prenosnih elementov; to vključuje kakršno koli izgubo gibanja v menjalnikih, jermenih, verigah in sklopkah. Ko je stroj prvič vklopljen, bo breme lebdelo nekje na sredini mehanskih toleranc (slika 1A).

Preden motor lahko premakne breme, se mora ta zavrteti, da prevzame vso ohlapnost v prenosnih elementih (slika 1B). Ko se motor na koncu premika začne upočasnjevati, lahko položaj bremena dejansko prehiti položaj motorja, saj zagon prenese breme onkraj položaja motorja.

Motor mora ponovno zapreti ohlapnost v nasprotni smeri, preden na breme deluje navor, da ga upočasni (slika 1C). Ta izguba gibanja se imenuje zračnost 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 od 3 do 9 ločnih minut.

Torzijska togost je upor proti zvijanju gredi motorja, prenosnih elementov in obremenitve kot odziv na delovanje navora. Neskončno tog sistem bi prenašal navor na obremenitev brez kotnega odklona okoli osi vrtenja; vendar se bo tudi trdna jeklena gred pod veliko obremenitvijo rahlo zvila. Velikost odklona se spreminja glede na uporabljeni navor, material prenosnih elementov in njihovo obliko; intuitivno se bodo dolgi, tanki deli zvili bolj kot kratki, debeli. Ta upor proti zvijanju je tisto, zaradi česar delujejo vijačne vzmeti, saj stiskanje vzmeti rahlo zvije vsak zavoj žice; debelejša žica ustvari togo vzmet. Karkoli je manjše od neskončne torzijske togosti, povzroči, da sistem deluje kot vzmet, kar pomeni, da se bo v sistemu shranila potencialna energija, ko se obremenitev upira vrtenju.

V kombinaciji lahko končna torzijska togost in zračnost znatno poslabšata delovanje servo sistema. Zračnost lahko povzroči negotovost, saj dajalnik motorja prikazuje položaj gredi motorja, ne pa mesta, kjer je zračnost omogočila, da se je breme ustalilo. Zračnost povzroča tudi težave pri uglaševanju, saj se breme za kratek čas priklopi in odklopi z motorja, ko breme in motor obrneta relativno smer. Poleg zračnosti končna torzijska togost shranjuje energijo tako, da del kinetične energije motorja in bremena pretvori v potencialno energijo, ki jo kasneje sprosti. To zakasnjeno sproščanje energije povzroča nihanje bremena, povzroča resonanco, zmanjšuje največje uporabne ojačanja pri uglaševanju in negativno vpliva na odzivnost in čas ustalitve servo sistema. V vseh primerih bo zmanjšanje zračnosti in povečanje togosti sistema povečalo delovanje servo sistema in poenostavilo uglaševanje.

Konfiguracije servomotorjev rotacijske osi

Najpogostejša konfiguracija rotacijske osi je rotacijski servomotor z vgrajenim dajalnikom za povratno informacijo o položaju in menjalnikom za usklajevanje razpoložljivega navora in hitrosti motorja z zahtevanim navorom in hitrostjo bremena. Menjalnik je naprava s konstantno močjo, ki je mehanski analog transformatorja za usklajevanje bremena.

Izboljšana strojna konfiguracija uporablja rotacijski servomotor z direktnim pogonom, ki odpravlja prenosne elemente z neposredno sklopitvijo bremena na motor. Medtem ko konfiguracija z motorjem z zobnikom uporablja sklopko na gred relativno majhnega premera, sistem direktnega pogona breme pritrdi neposredno na veliko večjo prirobnico rotorja. Ta konfiguracija odpravlja zračnost in močno poveča torzijsko togost. Večje število polov in navitja z visokim navorom motorjev z direktnim pogonom se ujemajo z značilnostmi navora in hitrosti motorja z zobnikom z razmerjem 10:1 ali več.