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
- Roterende servosystemen uit de echte wereld voldoen niet aan de ideale prestaties vanwege technische beperkingen.
- Verschillende soorten roterende servomotoren kunnen voordelen bieden voor gebruikers, maar elk heeft een specifieke uitdaging of beperking.
- Roterende servomotoren met directe aandrijving bieden de beste prestaties, maar zijn duurder dan motorreductoren.
Al tientallen jaren zijn servomotoren met tandwieloverbrenging een van de meest voorkomende gereedschappen in de gereedschapskist van de industriële automatisering. Sevromotoren met tandwieloverbrenging bieden toepassingen voor positionering, snelheidsaanpassing, elektronische camming, wikkelen, spannen, vastdraaien 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 draaibewegingstechnologie, of is er een betere oplossing?
In een perfecte wereld zou een roterend servosysteem koppel- en snelheidswaarden hebben die passen bij de toepassing, zodat de motor niet te groot of te klein is. De combinatie van motor, transmissie-elementen en belasting moet een oneindige torsiestijfheid en nulspeling hebben. Helaas voldoen roterende servosystemen in de echte wereld in verschillende mate niet aan dit ideaal.
In een typisch servosysteem wordt speling gedefinieerd als het bewegingsverlies tussen de motor en de belasting veroorzaakt door de mechanische toleranties van de transmissie-elementen; dit omvat elk bewegingsverlies in versnellingsbakken, riemen, kettingen en koppelingen. Wanneer een machine voor het eerst wordt ingeschakeld, zweeft de belasting ergens in het midden van de mechanische toleranties (Figuur 1A).
Voordat de last zelf door de motor kan worden verplaatst, moet de motor draaien om alle aanwezige 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 feitelijk de motorpositie inhalen, aangezien het momentum de last voorbij de motorpositie brengt.
De motor moet opnieuw de speling in de tegenovergestelde richting opvangen voordat 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 torsie van de motoras, transmissie-elementen en de belasting als reactie op de toepassing van koppel. Een oneindig stijf systeem zou koppel op de last overbrengen zonder hoekafwijking rond de rotatieas; zelfs een massieve stalen as zal echter lichtjes verdraaien onder zware belasting. De grootte van de doorbuiging varieert afhankelijk van het uitgeoefende koppel, het materiaal van de transmissie-elementen en hun vorm; intuïtief zullen lange, dunne delen meer verdraaien dan korte, dikke. Deze weerstand tegen draaien zorgt ervoor dat spiraalveren werken, omdat het samendrukken van de veer elke winding van de draad een beetje verdraait; dikkere draad zorgt voor een stijvere veer. Alles minder dan een oneindige torsiestijfheid zorgt ervoor dat het systeem als een veer werkt, wat betekent dat potentiële energie in het systeem wordt opgeslagen als de lading weerstand biedt aan rotatie.
Wanneer ze samen worden gecombineerd, kunnen eindige torsiestijfheid en speling de prestaties van een servosysteem aanzienlijk verslechteren. Speling kan onzekerheid met zich meebrengen, omdat de motor-encoder de positie van de motoras aangeeft, en niet waar de speling ervoor heeft gezorgd dat de belasting zich heeft gevestigd. Speling introduceert ook afstemmingsproblemen omdat de belasting kortstondig wordt gekoppeld en ontkoppeld van de motor wanneer de belasting en de motor van relatieve richting veranderen. Naast speling slaat eindige torsiestijfheid energie op door een deel van de kinetische energie van de motor en belasting om te zetten in potentiële energie, en deze later vrij te geven. Deze vertraagde vrijgave van energie veroorzaakt oscillatie van de belasting, veroorzaakt resonantie, vermindert de maximaal bruikbare afstemwinsten 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 vergroten van de stijfheid van een systeem de servoprestaties verbeteren en het afstemmen vereenvoudigen.
Servomotorconfiguraties met roterende as
De meest voorkomende configuratie van de roterende as is een roterende servomotor met een ingebouwde encoder voor positiefeedback en een versnellingsbak om het beschikbare koppel en toerental van de motor af te stemmen op het vereiste koppel en toerental van de belasting. De versnellingsbak is een apparaat met constant vermogen dat de mechanische analoog is van een transformator voor belastingafstemming.
Een verbeterde hardwareconfiguratie maakt gebruik van een roterende servomotor met directe aandrijving, die de transmissie-elementen elimineert door de belasting rechtstreeks aan de motor te koppelen. Terwijl de configuratie van de reductiemotor gebruik maakt van een koppeling met een as met een relatief kleine diameter, schroeft het directe aandrijfsysteem de lading rechtstreeks op 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 motorreductor met een verhouding van 10:1 of hoger.
Posttijd: 12-nov-2021
