Een servomotor met tandwieloverbrenging kan nuttig zijn voor roterende bewegingstechnologie, maar er zijn uitdagingen en beperkingen waar gebruikers zich bewust van moeten zijn.
Door: Dakota Miller en Bryan Knight
Leerdoelen
- Echte roterende servosystemen leveren vanwege technische beperkingen niet de ideale prestaties.
- Er zijn verschillende typen roterende servomotoren die voordelen kunnen bieden voor gebruikers, maar elk type kent zijn eigen specifieke uitdagingen of beperkingen.
- Rotatieservomotoren met directe aandrijving bieden de beste prestaties, maar zijn duurder dan tandwielmotoren.
Servomotoren met tandwieloverbrenging zijn al tientallen jaren een van de meest gebruikte hulpmiddelen in de industriële automatisering. Servomotoren met tandwieloverbrenging bieden toepassingen voor positionering, snelheidsaanpassing, elektronische nokken, wikkelen, spannen en aandraaien, en stemmen het vermogen van een servomotor efficiënt af op de belasting. Dit roept de vraag op: is een servomotor met tandwieloverbrenging de beste optie voor roterende bewegingstechnologie, of is er een betere oplossing?
In een ideale wereld zou een roterend servosysteem koppel- en toerentalwaarden hebben die passen bij de toepassing, zodat de motor niet te groot of te klein is. De combinatie van motor, transmissie-elementen en belasting zou oneindige torsiestijfheid en nul speling moeten hebben. Helaas schieten roterende servosystemen in de praktijk in verschillende mate tekort.
In een typisch servosysteem wordt speling gedefinieerd als het bewegingsverlies tussen de motor en de last, veroorzaakt door de mechanische toleranties van de transmissie-elementen; dit omvat elk bewegingsverlies in tandwielkasten, riemen, kettingen en koppelingen. Wanneer een machine voor het eerst wordt ingeschakeld, zal de last ergens in het midden van de mechanische toleranties zweven (Figuur 1A).
Voordat de last zelf door de motor kan worden verplaatst, moet de motor draaien om alle speling in de transmissie-elementen op te vangen (Figuur 1B). Wanneer de motor aan het einde van een beweging begint te vertragen, kan de lastpositie de motorpositie zelfs inhalen, omdat het momentum de last voorbij de motorpositie brengt.
De motor moet de speling weer in de tegenovergestelde richting opvangen voordat er koppel op de belasting wordt uitgeoefend om deze te vertragen (Figuur 1C). Dit bewegingsverlies wordt speling genoemd en wordt doorgaans gemeten in boogminuten, gelijk aan 1/60e van een graad. Tandwielkasten die zijn ontworpen voor gebruik met servo's in industriële toepassingen hebben vaak spelingsspecificaties variërend van 3 tot 9 boogminuten.
Torsiestijfheid is de weerstand tegen verdraaiing van de motoras, transmissie-elementen en de belasting als reactie op de toepassing van koppel. Een oneindig stijf systeem zou koppel overbrengen op de belasting zonder hoekverdraaiing om de rotatieas; echter, zelfs een massieve stalen as zal licht verdraaien onder zware belasting. De grootte van de verdraaiing varieert afhankelijk van het toegepaste koppel, het materiaal van de transmissie-elementen en hun vorm; intuïtief zullen lange, dunne onderdelen meer verdraaien dan korte, dikke onderdelen. Deze weerstand tegen verdraaiing is wat schroefveren laat werken, omdat het indrukken van de veer elke winding van de draad licht verdraait; dikkere draad zorgt voor een stijvere veer. Alles minder dan oneindige torsiestijfheid zorgt ervoor dat het systeem als een veer werkt, wat betekent dat potentiële energie in het systeem wordt opgeslagen terwijl de belasting weerstand biedt aan de rotatie.
Eindige torsiestijfheid en speling kunnen, wanneer ze samen worden gebruikt, de prestaties van een servosysteem aanzienlijk verslechteren. Speling kan onzekerheid veroorzaken, omdat de motorencoder de positie van de motoras aangeeft, niet waar de speling de belasting heeft laten stabiliseren. Speling veroorzaakt ook afstemmingsproblemen, omdat de belasting kortstondig aan- en afkoppelt van de motor wanneer de belasting en de motor van richting veranderen. Naast speling slaat eindige torsiestijfheid energie op door een deel van de kinetische energie van de motor en de belasting om te zetten in potentiële energie, die later wordt vrijgegeven. Deze vertraagde energieafgifte veroorzaakt belastingsoscillatie, induceert resonantie, vermindert de maximaal bruikbare afstemmingswinst en heeft een negatieve invloed op de responsiviteit en de insteltijd van het servosysteem. In alle gevallen zal het verminderen van de speling en het verhogen van de stijfheid van een systeem de servoprestaties verbeteren en het afstemmen vereenvoudigen.
Configuraties van roterende as-servomotoren
De meest voorkomende configuratie met een roterende as is een roterende servomotor met een ingebouwde encoder voor positiefeedback en een tandwielkast om het beschikbare koppel en de snelheid van de motor af te stemmen op het vereiste koppel en de snelheid van de belasting. De tandwielkast is een apparaat met constant vermogen dat de mechanische tegenhanger is van een transformator voor belastingsaanpassing.
Een verbeterde hardwareconfiguratie maakt gebruik van een roterende servomotor met directe aandrijving, waardoor de transmissie-elementen overbodig zijn door de belasting rechtstreeks aan de motor te koppelen. Waar de tandwielmotorconfiguratie gebruikmaakt van een koppeling met een as met een relatief kleine diameter, bevestigt het directe aandrijfsysteem de belasting rechtstreeks aan een veel grotere rotorflens. Deze configuratie elimineert speling en verhoogt de torsiestijfheid aanzienlijk. Het hogere aantal polen en de hoge koppelwikkelingen van motoren met directe aandrijving komen overeen met de koppel- en snelheidskarakteristieken van een tandwielmotor met een overbrengingsverhouding van 10:1 of hoger.
Plaatsingstijd: 12-11-2021
