Suorakäyttö vs. pyörivä servomoottori: Suunnitteluedun kvantifiointi: Osa 1

Oppimistavoitteet

• Todellisen maailman pyörivät servojärjestelmät eivät ole ihanteellisia teknisten rajoitusten vuoksi.
• Useat pyörivät servomoottorityypit voivat tarjota etuja käyttäjille, mutta jokaisella on oma haaste tai rajoitus.
• Suoravetoiset pyörivät servomoottorit tarjoavat parhaan suorituskyvyn, mutta ne ovat kalliimpia kuin vaihdemoottorit.

Vaihdeservomoottorit ovat vuosikymmenten ajan olleet yksi yleisimmistä työkaluista teollisuusautomaation työkalupakkissa. Vaihdetetut sevromoottorit tarjoavat paikannusta, nopeuden sovitusta, elektronista ohjausta, käämitystä, kiristystä, kiristyssovelluksia ja sovittavat tehokkaasti servomoottorin tehon kuormaan. Tämä herättää kysymyksen: onko vaihdella varustettu servomoottori paras vaihtoehto pyörivälle liiketekniikalle vai onko olemassa parempaa ratkaisua?

Täydellisessä maailmassa pyörivän servojärjestelmän vääntö- ja nopeusarvot vastaavat käyttötarkoitusta, joten moottori ei ole yli- eikä alikokoinen. Moottorin, voimansiirtoelementtien ja kuorman yhdistelmällä tulee olla ääretön vääntöjäykkyys ja nolla välys. Valitettavasti todellisen maailman pyörivät servojärjestelmät jäävät tästä ihanteesta vaihtelevissa määrin.

Tyypillisessä servojärjestelmässä välys määritellään liikkeen menetykseksi moottorin ja voimansiirtoelementtien mekaanisten toleranssien aiheuttaman kuormituksen välillä; tämä sisältää kaikki vaihteiston, hihnojen, ketjujen ja kytkimien liikehäviöt. Kun kone käynnistetään alun perin, kuorma kelluu jossain mekaanisten toleranssien keskellä (kuva 1A).

Ennen kuin moottori voi liikuttaa itse kuormaa, moottorin täytyy pyöriä ottamaan vastaan ​​kaikki voimansiirtoelementtien löysyys (kuva 1B). Kun moottori alkaa hidastua liikkeen lopussa, kuormitusasento voi itse asiassa ohittaa moottorin asennon, kun liikemäärä kuljettaa kuormaa moottorin asennon ulkopuolelle.

Moottorin on jälleen otettava löysyys vastakkaiseen suuntaan ennen kuin se kohdistaa vääntömomentin kuormaan sen hidastamiseksi (kuva 1C). Tätä liikkeen menetystä kutsutaan vastaiskuksi, ja se mitataan tyypillisesti kaariminuutteina, mikä vastaa 1/60 astetta. Vaihteistojen, jotka on suunniteltu käytettäviksi servojen kanssa teollisissa sovelluksissa, välysarvot ovat usein 3–9 kaariminuuttia.

Vääntöjäykkyys on moottorin akselin, voimansiirtoelementtien ja vääntömomentin aiheuttaman kuormituksen vääntymiskestävyys. Äärettömän jäykkä järjestelmä välittäisi vääntömomentin kuormaan ilman kulmapoikkeamaa pyörimisakselin ympäri; Kuitenkin jopa kiinteä teräsakseli vääntyy hieman raskaan kuormituksen alaisena. Taivutuksen suuruus vaihtelee käytetyn vääntömomentin, voimansiirtoelementtien materiaalin ja muodon mukaan; intuitiivisesti pitkät, ohuet osat vääntyvät enemmän kuin lyhyet, paksut osat. Tämä kiertymisen vastustus saa kierrejouset toimimaan, sillä jousen puristaminen kiertää langan jokaista kierrosta hieman; paksumpi lanka tekee jäykemmästä jousesta. Kaikki vähemmän kuin ääretön vääntöjäykkyys saa järjestelmän toimimaan jousena, mikä tarkoittaa, että potentiaalienergia varastoituu järjestelmään, kun kuorma vastustaa pyörimistä.

Yhdessä rajallinen vääntöjäykkyys ja välys voivat heikentää merkittävästi servojärjestelmän suorituskykyä. Välys voi aiheuttaa epävarmuutta, koska moottorin anturi ilmaisee moottorin akselin asennon, ei sitä, missä välys on antanut kuorman asettua. Jäykkyys aiheuttaa myös viritysongelmia, kun kuorma kytkeytyy ja irtoaa moottorista hetken, kun kuorma ja moottori vaihtavat suhteellista suuntaa. Vääntöjäykkyyden lisäksi rajallinen vääntöjäykkyys varastoi energiaa muuntamalla osan moottorin ja kuorman liike-energiasta potentiaalienergiaksi, vapauttaen sen myöhemmin. Tämä viivästynyt energian vapautuminen aiheuttaa kuormituksen värähtelyä, indusoi resonanssia, vähentää maksimikäyttökelpoisia viritysvahvistuksia ja vaikuttaa negatiivisesti servojärjestelmän herkkyyteen ja asettumisaikaan. Kaikissa tapauksissa välyksen vähentäminen ja järjestelmän jäykkyyden lisääminen lisää servon suorituskykyä ja yksinkertaistaa viritystä.

Pyörimisakselin servomoottorikokoonpanot

Yleisin pyörivän akselin konfiguraatio on pyörivä servomoottori, jossa on sisäänrakennettu anturi asennon takaisinkytkentää varten ja vaihdelaatikko, joka sovittaa moottorin käytettävissä olevan vääntömomentin ja nopeuden vaadittuun vääntömomenttiin ja kuorman nopeuteen. Vaihteisto on jatkuvatehoinen laite, joka on muuntajan mekaaninen analogi kuormituksen sovittamiseksi.

Parannettu laitteistokokoonpano käyttää suorakäyttöistä pyörivää servomoottoria, joka eliminoi voimansiirtoelementit kytkemällä kuorman suoraan moottoriin. Vaihdemoottorikokoonpanossa käytetään kytkintä halkaisijaltaan suhteellisen pieneen akseliin, kun taas suorakäyttöjärjestelmä pulttaa kuorman suoraan paljon suurempaan roottorin laippaan. Tämä kokoonpano eliminoi välyksen ja lisää huomattavasti vääntöjäykkyyttä. Suorakäyttöisten moottoreiden suurempi napaluku ja korkea vääntömomenttikäämitys vastaavat vaihdemoottorin vääntömomentti- ja nopeusominaisuuksia, joiden suhde on 10:1 tai suurempi.