Directe aandrijving versus versnelde roterende servomotor: een kwantificering van ontwerpvoordeel: deel 1

Leerdoelen

• Real-world roterende servo-systemen vallen niet aan de ideale prestaties vanwege technische beperkingen.
• Verschillende soorten roterende servomotoren kunnen gebruikers voordelen bieden, maar elk heeft een specifieke uitdaging of beperking.
• Direct drive roterende servomotoren bieden de beste prestaties, maar ze zijn duurder dan tandwielmotoren.

Al tientallen jaren zijn gerichte servomotoren een van de meest voorkomende tools in de toolbox voor industriële automatisering. Gerichte sevromotoren bieden positionering, snelheid matching, elektronische camming, wikkeling, spanning, aanscherpingstoepassingen en efficiënt overeenkomen met het vermogen van een servomotor op de belasting. Dit roept de vraag op: is een gerichte servomotor de beste optie voor Rotary Motion -technologie, of is er een betere oplossing?

In een perfecte wereld zou een roterend servosysteem koppel- en snelheidsbeoordelingen hebben die overeenkomen met de toepassing, zodat de motor noch te groot noch onder de grootte is. De combinatie van motor, transmissie -elementen en belasting moet oneindige torsiestijfheid en nul terugslag hebben. Helaas vallen echte roterende servo -systemen niet in dit ideaal in verschillende mate.

In een typisch servosysteem wordt speling gedefinieerd als het verlies van beweging tussen de motor en de belasting veroorzaakt door de mechanische toleranties van de transmissie -elementen; Dit omvat elk bewegingsverlies in versnellingsbakken, riemen, ketens en koppelingen. Wanneer een machine aanvankelijk wordt ingeschakeld, drijft de belasting ergens in het midden van de mechanische toleranties (figuur 1A).

Voordat de belasting zelf door de motor kan worden verplaatst, moet de motor roteren om alle speling in de transmissie -elementen op te nemen (Afbeelding 1B). Wanneer de motor begint te vertragen aan het einde van een beweging, kan de laadpositie de motorpositie inhalen omdat het momentum de belasting buiten de motorpositie draagt.

De motor moet opnieuw de speling in de tegenovergestelde richting opnemen voordat het koppel op de belasting wordt aangebracht om deze te vertragen (figuur 1c). Dit bewegingsverlies wordt terugslag genoemd en wordt meestal gemeten in boog-minutes, gelijk aan 1/60e van een graad. Gearboxen die zijn ontworpen voor gebruik met servo's in industriële toepassingen hebben vaak spelingspecificaties variërend van 3 tot 9 boog-minutes.

Torsiestijfheid is de weerstand tegen draaien van de motoras, transmissie -elementen en de belasting in reactie op de toepassing van het koppel. Een oneindig stijf systeem zou het koppel naar de belasting overbrengen zonder hoekafbuiging rond de rotatieas; Zelfs een massieve stalen as zal echter iets onder zware belasting draaien. De grootte van de afbuiging varieert met het toegepaste koppel, het materiaal van de transmissie -elementen en hun vorm; Intuïtief zullen lange, dunne delen meer dan korte, dikke, dikke delen draaien. Deze weerstand tegen draaien is wat de spoelveren werken, terwijl het comprimeren van de veerwendingen elke draai van de draad enigszins; Dikke draad maakt een stijvere veer. Alles minder dan oneindige torsiestijfheid zorgt ervoor dat het systeem als een veer fungeert, wat betekent dat potentiële energie in het systeem wordt opgeslagen, aangezien de belasting zich op rotatie bestand heeft.

In combinatie kan eindige torsiestijfheid en terugslag de prestaties van een servosysteem aanzienlijk afbreken. Backlash kan onzekerheid introduceren, omdat de motorcoder de positie van de as van de motor aangeeft, niet waar de speling de belasting heeft kunnen bezinken. Backlash introduceert ook afstemmingsproblemen als de laadparen en ontkoppelt kort uit de motor wanneer de lading en motorische omgekeerde relatieve richting. Naast terugslag slaat eindige torsiestijfheid energie op door een deel van de kinetische energie van de motor om te zetten en in potentiële energie te laden, deze later vrij te geven. Deze vertraagde energie -afgifte veroorzaakt load -oscillatie, veroorzaakt resonantie, vermindert maximale bruikbare afstemmingswinsten en heeft een negatieve invloed op de responsiviteit en de vestigingstijd van het servosysteem. In alle gevallen zal het verminderen van de speling en het vergroten van de stijfheid van een systeem de servo -prestaties verhogen en afstemming vereenvoudigen.

Rotary Axis Servomotor -configuraties

De meest voorkomende roterende asconfiguratie is een roterende servomotor met een ingebouwde encoder voor positiefeedback en een versnellingsbak die overeenkomt met het beschikbare koppel en snelheid van de motor met het vereiste koppel en snelheid van de belasting. De versnellingsbak is een constant vermogensapparaat dat het mechanische analoog is van een transformator voor load matching.

Een verbeterde hardwareconfiguratie maakt gebruik van een Direct Drive Rotary Servomotor, die de transmissie -elementen elimineert door de belasting rechtstreeks aan de motor te koppelen. Terwijl de versnellingsmotorconfiguratie een koppeling gebruikt met een relatief kleine diameteras, bakt het directe aandrijfsysteem de belasting rechtstreeks naar een veel grotere rotorflens. Deze configuratie elimineert terugslag en verhoogt de torsiestijfheid aanzienlijk. De hogere pooltelling en hoge koppelwikkelingen van directe aandrijfmotoren komen overeen met het koppel en de snelheidskenmerken van een tandwielmotor met een verhouding van 10: 1 of hoger.