Izravni pogon u odnosu na zupčasti rotacijski servomotor: Kvantifikacija prednosti dizajna: 1. dio

Ciljevi učenja

• Rotacijski servo sustavi u stvarnom svijetu ne postižu idealne performanse zbog tehničkih ograničenja.
• Nekoliko tipova rotacijskih servomotora može pružiti koristi korisnicima, ali svaki ima poseban izazov ili ograničenje.
• Rotacijski servomotori s izravnim pogonom nude najbolje performanse, ali su skuplji od motora s reduktorom.

Desetljećima su zupčasti servomotori bili jedan od najčešćih alata u kutiji alata za industrijsku automatizaciju. Sevromotori s zupčanicima nude pozicioniranje, usklađivanje brzine, elektroničko mjerenje, namotavanje, zatezanje, pritezanje i učinkovito usklađuju snagu servomotora s opterećenjem. Ovo postavlja pitanje: je li servomotor s reduktorom najbolja opcija za tehnologiju rotacijskog gibanja ili postoji bolje rješenje?

U savršenom svijetu, rotacijski servo sustav imao bi okretni moment i brzine koje odgovaraju primjeni tako da motor nije ni predimenzioniran ni premali. Kombinacija motora, prijenosnih elemenata i opterećenja trebala bi imati beskonačnu torzijsku krutost i nulti zazor. Nažalost, rotacijski servo sustavi u stvarnom svijetu u različitim stupnjevima ne ispunjavaju ovaj ideal.

U tipičnom servo sustavu, zazor se definira kao gubitak gibanja između motora i opterećenja uzrokovan mehaničkim tolerancijama elemenata prijenosa; to uključuje bilo kakav gubitak gibanja kroz mjenjače, remene, lance i spojke. Kada se stroj prvi put uključi, opterećenje će lebdjeti negdje u sredini mehaničkih tolerancija (Slika 1A).

Prije nego što se teret može pomaknuti pomoću motora, motor se mora okretati kako bi preuzeo svu labavost koja postoji u elementima prijenosa (Slika 1B). Kada motor počne usporavati na kraju pomaka, položaj tereta može zapravo prestići položaj motora jer zamah nosi teret izvan položaja motora.

Motor mora ponovno preuzeti labavost u suprotnom smjeru prije primjene zakretnog momenta na teret kako bi ga usporio (Slika 1C). Ovaj gubitak gibanja naziva se povratni udar i obično se mjeri u lučnim minutama, što je jednako 1/60 stupnja. Mjenjači dizajnirani za korištenje sa servo motorima u industrijskim primjenama često imaju specifikacije zazora u rasponu od 3 do 9 lučnih minuta.

Torzijska krutost je otpor uvijanju osovine motora, prijenosnih elemenata i opterećenja kao odgovor na primjenu zakretnog momenta. Beskonačno krut sustav prenosio bi okretni moment na opterećenje bez kutnog otklona oko osi rotacije; međutim, čak i čvrsta čelična osovina lagano će se uvrnuti pod velikim opterećenjem. Veličina otklona varira s primijenjenim momentom, materijalom elemenata prijenosa i njihovim oblikom; intuitivno, dugi, tanki dijelovi će se više uvijati od kratkih, debelih. Ova otpornost na uvijanje je ono što omogućuje rad zavojnih opruga, budući da sabijanje opruge lagano uvija svaki zavoj žice; deblja žica čini čvršću oprugu. Sve manje od beskonačne torzijske krutosti uzrokuje da se sustav ponaša kao opruga, što znači da će potencijalna energija biti pohranjena u sustavu dok se teret opire rotaciji.

Kada se kombiniraju zajedno, konačna torzijska krutost i zazor mogu značajno pogoršati performanse servo sustava. Zazor može unijeti nesigurnost, budući da enkoder motora pokazuje položaj osovine motora, a ne gdje je zazor dopustio da se opterećenje smiri. Zazor također dovodi do problema s podešavanjem jer se opterećenje nakratko spaja i odvaja od motora kada opterećenje i motor mijenjaju relativni smjer. Osim zazora, konačna torzijska krutost pohranjuje energiju pretvaranjem dijela kinetičke energije motora i opterećenja u potencijalnu energiju, oslobađajući je kasnije. Ovo odgođeno oslobađanje energije uzrokuje oscilacije opterećenja, izaziva rezonanciju, smanjuje maksimalne korisne dobitke ugađanja i negativno utječe na odziv i vrijeme smirivanja servo sustava. U svim slučajevima, smanjenje zazora i povećanje krutosti sustava će povećati performanse servo i pojednostaviti podešavanje.

Konfiguracije servomotora rotacijske osi

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 izravnim pogonom, koji eliminira prijenosne elemente izravnim spajanjem tereta na motor. Dok konfiguracija motora s reduktorom koristi spojku na osovinu relativno malog promjera, sustav izravnog pogona pričvršćuje teret izravno na mnogo veću prirubnicu rotora. Ova konfiguracija eliminira zazor i znatno povećava torzijsku krutost. Veći broj polova i namoti s visokim zakretnim momentom motora s izravnim pogonom odgovaraju karakteristikama zakretnog momenta i brzine motora s reduktorom s omjerom 10:1 ili većim.