Редукторный серводвигатель может быть полезен для технологии вращательного движения, но существуют проблемы и ограничения, о которых пользователи должны знать.
Автор: Дакота Миллер и Брайан Найт
Цели обучения
- Реальные роторные сервосистемы не достигают идеальной производительности из-за технических ограничений.
- Несколько типов поворотных серводвигателей могут принести пользу пользователям, но каждый из них имеет определенные проблемы или ограничения.
- Поворотные серводвигатели с прямым приводом обеспечивают наилучшие характеристики, но они дороже мотор-редукторов.
На протяжении десятилетий серводвигатели с редуктором были одним из наиболее распространенных инструментов в наборе инструментов промышленной автоматизации.Серводвигатели с редуктором обеспечивают позиционирование, согласование скорости, электронный кулачок, намотку, натяжение, затяжку и эффективно согласовывают мощность серводвигателя с нагрузкой.Возникает вопрос: является ли серводвигатель с редуктором лучшим вариантом для технологии вращательного движения или есть лучшее решение?
В идеальном мире роторная сервосистема имела бы номинальные крутящий момент и скорость, соответствующие конкретному применению, поэтому двигатель не был бы ни слишком большим, ни заниженным.Комбинация двигателя, элементов трансмиссии и нагрузки должна иметь бесконечную жесткость на кручение и нулевой люфт.К сожалению, реальные роторные сервосистемы в той или иной степени не соответствуют этому идеалу.
В типичной сервосистеме люфт определяется как потеря движения между двигателем и нагрузкой, вызванная механическими допусками элементов передачи;сюда входят любые потери движения в редукторах, ремнях, цепях и муфтах.При первом включении машины нагрузка будет плавать где-то посередине механических допусков (рис. 1А).
Прежде чем двигатель сможет перемещать саму нагрузку, двигатель должен вращаться, чтобы компенсировать весь люфт, имеющийся в элементах передачи (рис. 1B).Когда двигатель начинает замедляться в конце движения, положение нагрузки может фактически обогнать положение двигателя, поскольку импульс выносит нагрузку за пределы положения двигателя.
Двигатель должен снова компенсировать слабину в противоположном направлении, прежде чем прикладывать крутящий момент к нагрузке для ее замедления (рис. 1C).Эта потеря движения называется люфтом и обычно измеряется в угловых минутах, что равно 1/60 градуса.Редукторы, предназначенные для использования с сервоприводами в промышленности, часто имеют характеристики люфта от 3 до 9 угловых минут.
Жесткость на кручение – это сопротивление скручиванию вала двигателя, элементов трансмиссии и нагрузки в ответ на приложение крутящего момента.Бесконечно жесткая система будет передавать крутящий момент на нагрузку без углового отклонения вокруг оси вращения;однако даже прочный стальной вал слегка скручивается под большой нагрузкой.Величина отклонения зависит от приложенного крутящего момента, материала элементов трансмиссии и их формы;интуитивно длинные и тонкие детали будут скручиваться сильнее, чем короткие и толстые.Именно это сопротивление скручиванию заставляет винтовые пружины работать, поскольку при сжатии пружины каждый виток проволоки слегка скручивается;более толстая проволока делает пружину более жесткой.Все, что меньше бесконечной крутильной жесткости, заставляет систему действовать как пружина, а это означает, что потенциальная энергия будет накапливаться в системе, поскольку нагрузка сопротивляется вращению.
В сочетании друг с другом конечная жесткость на кручение и люфт могут значительно ухудшить производительность сервосистемы.Люфт может внести неопределенность, поскольку энкодер двигателя указывает положение вала двигателя, а не то место, где люфт позволил нагрузке установиться.Люфт также создает проблемы с настройкой, поскольку нагрузка на короткое время соединяется и отсоединяется от двигателя, когда нагрузка и двигатель меняют относительное направление.Помимо люфта, конечная крутильная жесткость сохраняет энергию, преобразуя часть кинетической энергии двигателя и нагрузки в потенциальную энергию, высвобождая ее позже.Это задержанное высвобождение энергии вызывает колебания нагрузки, вызывает резонанс, снижает максимально полезный коэффициент усиления настройки и отрицательно влияет на отзывчивость и время стабилизации сервосистемы.Во всех случаях уменьшение люфта и увеличение жесткости системы повысят производительность сервопривода и упростят настройку.
Конфигурации серводвигателя поворотной оси
Наиболее распространенной конфигурацией поворотной оси является поворотный серводвигатель со встроенным энкодером для обратной связи по положению и редуктором, который согласовывает доступный крутящий момент и скорость двигателя с требуемым крутящим моментом и скоростью нагрузки.Редуктор представляет собой устройство постоянной мощности, являющееся механическим аналогом трансформатора согласования нагрузки.
В улучшенной аппаратной конфигурации используется роторный серводвигатель с прямым приводом, который исключает элементы передачи за счет прямого подключения нагрузки к двигателю.В то время как в конфигурации мотор-редуктора используется соединение с валом относительно небольшого диаметра, система прямого привода прикрепляет нагрузку непосредственно к фланцу ротора гораздо большего размера.Такая конфигурация устраняет люфт и значительно увеличивает жесткость на кручение.Обмотки двигателей с прямым приводом с большим количеством полюсов и высоким крутящим моментом соответствуют характеристикам крутящего момента и скорости мотор-редуктора с передаточным числом 10:1 или выше.
Время публикации: 12 ноября 2021 г.
