Suoraveto vs. vaihdemoottorilla varustettu pyörivä servomoottori: Suunnitteluedun kvantifiointi: Osa 1

oppimistavoitteet

• Todellisuudessa pyörivät servojärjestelmät eivät saavuta ihanteellista suorituskykyä teknisten rajoitusten vuoksi.
• Useat pyörivät servomoottorityypit voivat tarjota etuja käyttäjille, mutta jokaisella on omat haasteensa tai rajoituksensa.
• Suoravetoiset pyörivät servomoottorit tarjoavat parhaan suorituskyvyn, mutta ne ovat kalliimpia kuin vaihdemoottorit.

Vaihdeservomoottorit ovat olleet vuosikymmenten ajan yksi yleisimmistä työkaluista teollisuusautomaation työkalupakissa. Vaihdeservomoottorit tarjoavat paikannus-, nopeudensovitus-, elektroninen nokka-akselisto-, käämitys-, kiristys- ja kiristyssovelluksia sekä sovittavat servomoottorin tehon tehokkaasti kuormaan. Tämä herättää kysymyksen: onko vaihdeservomoottori paras vaihtoehto pyörimisliikkeen teknologiaan, vai onko olemassa parempi ratkaisu?

Ideaalitilanteessa pyörivän servojärjestelmän vääntömomentti ja nopeus vastaisivat sovellusta, joten moottori ei ole ylimitoitettu eikä liian pieni. Moottorin, voimansiirtoelementtien ja kuorman yhdistelmällä tulisi olla ääretön vääntöjäykkyys ja nolla välystä. Valitettavasti todelliset pyörivät servojärjestelmät jäävät tästä ihanteesta vaihtelevassa määrin jälkeen.

Tyypillisessä servojärjestelmässä välys määritellään moottorin ja kuorman väliseksi liikehäviöksi, joka johtuu voimansiirtoelementtien mekaanisista toleransseista. Tähän sisältyvät kaikki liikehäviöt vaihteistoissa, hihnoissa, ketjuissa ja kytkimissä. Kun kone käynnistetään ensimmäisen kerran, kuorma kelluu jossain mekaanisten toleranssien puolivälissä (kuva 1A).

Ennen kuin moottori voi liikuttaa itse kuormaa, moottorin on pyörittävä paikatakseen voimansiirtoelementeissä olevan löysyyden (kuva 1B). Kun moottori alkaa hidastua liikkeen lopussa, kuorman sijainti voi itse asiassa ohittaa moottorin sijainnin, kun liikemäärä kuljettaa kuormaa moottorin sijainnin ulkopuolelle.

Moottorin on jälleen kurottava löysyys umpeen vastakkaiseen suuntaan ennen kuin se kohdistaa vääntömomentin kuormaan hidastaakseen sitä (kuva 1C). Tätä liikehäviötä kutsutaan välykseksi, ja se mitataan tyypillisesti kaariminuuteissa, jotka ovat 1/60 astetta. Teollisuussovelluksissa servomoottoreiden kanssa käytettäväksi suunnitelluissa vaihteistoissa välys on usein 3–9 kaariminuuttia.

Vääntöjäykkyys on moottorin akselin, voimansiirtoelementtien ja kuorman vääntömomentin aiheuttama vastustuskyky. Äärettömän jäykkä järjestelmä välittäisi vääntömomentin kuormaan ilman kulmapoikkeamaa pyörimisakselin ympäri. Kuitenkin jopa umpiteräksinen akseli vääntyy hieman raskaan kuormituksen alla. Taipuman suuruus vaihtelee käytetyn vääntömomentin, voimansiirtoelementtien materiaalin ja niiden muodon mukaan. Intuitiivisesti pitkät ja ohuet osat vääntyvät enemmän kuin lyhyet ja paksut osat. Tämä vääntövastus saa kierrejouset toimimaan, sillä jousen puristaminen kiertää langan jokaista kierrosta hieman. Paksumpi lanka tekee jousesta jäykemmän. Mikä tahansa alle äärettömän vääntöjäykkyyden saa järjestelmän toimimaan jousena, mikä tarkoittaa, että potentiaalienergiaa varastoituu järjestelmään, kun kuorma vastustaa pyörimistä.

Yhdessä äärellinen vääntöjäykkyys ja välys voivat heikentää merkittävästi servojärjestelmän suorituskykyä. Välys voi aiheuttaa epävarmuutta, koska moottorin enkooderi osoittaa moottorin akselin asennon, ei sitä, mihin välys on antanut kuorman asettua. Välys aiheuttaa myös viritysongelmia, kun kuorma kytkeytyy ja irtoaa moottorista hetkellisesti, kun kuorma ja moottori vaihtavat suuntia. Välyksen lisäksi äärellinen vääntöjäykkyys varastoi energiaa muuntamalla osan moottorin ja kuorman liike-energiasta potentiaalienergiaksi ja vapauttamalla sen myöhemmin. Tämä viivästynyt energian vapautuminen aiheuttaa kuorman värähtelyä, indusoi resonanssia, vähentää maksimaaleja käytettävissä olevia viritysvahvistuksia ja vaikuttaa negatiivisesti servojärjestelmän reagointikykyyn ja asettumisaikaan. Kaikissa tapauksissa välyksen vähentäminen ja järjestelmän jäykkyyden lisääminen parantavat servon suorituskykyä ja yksinkertaistavat viritystä.

Pyörivän akselin servomoottorin kokoonpanot

Yleisin pyörivän akselin kokoonpano on pyörivä servomoottori, jossa on sisäänrakennettu enkooderi asentotakaisinkytkentää varten ja vaihteisto, joka sovittaa moottorin käytettävissä olevan vääntömomentin ja nopeuden kuorman vaadittuun vääntömomenttiin ja nopeuteen. Vaihteisto on vakiotehoinen laite, joka on muuntajan mekaaninen vastine kuorman sovitusta varten.

Parannettu laitteistokokoonpano käyttää suoravetoista pyörivää servomoottoria, joka eliminoi voimansiirtoelementit kytkemällä kuorman suoraan moottoriin. Vaihdemoottorikokoonpanossa kuorma on kytketty suhteellisen pienihalkaisijaiseen akseliin, kun taas suoravetojärjestelmässä kuorma pultataan suoraan paljon suurempaan roottorin laippaan. Tämä kokoonpano poistaa välyksen ja lisää huomattavasti vääntöjäykkyyttä. Suoravetomoottoreiden suurempi napaluku ja suuren vääntömomentin käämit vastaavat vaihdemoottorin vääntömomentti- ja nopeusominaisuuksia, kun välityssuhde on 10:1 tai suurempi.