Απευθείας κίνηση έναντι περιστροφικού σερβοκινητήρα με γρανάζια: Ποσοτικοποίηση του πλεονεκτήματος σχεδιασμού: Μέρος 1

Μαθησιακοί Στόχοι

• Τα συστήματα περιστροφικών σερβομηχανημάτων του πραγματικού κόσμου δεν έχουν την ιδανική απόδοση λόγω τεχνικών περιορισμών.
• Αρκετοί τύποι περιστροφικών σερβοκινητήρων μπορούν να προσφέρουν οφέλη στους χρήστες, αλλά ο καθένας έχει μια συγκεκριμένη πρόκληση ή περιορισμό.
• Οι περιστροφικοί σερβοκινητήρες απευθείας μετάδοσης προσφέρουν την καλύτερη απόδοση, αλλά είναι πιο ακριβοί από τους ηλεκτρομειωτήρες.

Για δεκαετίες, οι σερβοκινητήρες με γρανάζια ήταν ένα από τα πιο κοινά εργαλεία στην εργαλειοθήκη βιομηχανικού αυτοματισμού. Οι ηλεκτροκινητήρες με γρανάζια προσφέρουν τοποθέτηση, αντιστοίχιση ταχύτητας, ηλεκτρονικό έκκεντρο, περιέλιξη, τάνυση, σύσφιξη και ταιριάζουν αποτελεσματικά την ισχύ ενός σερβοκινητήρα με το φορτίο. Αυτό εγείρει το ερώτημα: είναι ο σερβοκινητήρας με γρανάζια η καλύτερη επιλογή για την τεχνολογία περιστροφικής κίνησης ή υπάρχει καλύτερη λύση;

Σε έναν τέλειο κόσμο, ένα περιστροφικό σύστημα σερβομηχανισμού θα έχει ονομασίες ροπής και ταχύτητας που ταιριάζουν με την εφαρμογή, έτσι ώστε ο κινητήρας να μην είναι ούτε μεγάλος ούτε μικρότερος. Ο συνδυασμός κινητήρα, στοιχείων μετάδοσης και φορτίου θα πρέπει να έχει άπειρη στρεπτική ακαμψία και μηδενική οπισθοδρόμηση. Δυστυχώς, τα περιστροφικά σερβο συστήματα του πραγματικού κόσμου υπολείπονται αυτού του ιδανικού σε διάφορους βαθμούς.

Σε ένα τυπικό σύστημα σερβομηχανισμού, η αντίστροφη κίνηση ορίζεται ως η απώλεια κίνησης μεταξύ του κινητήρα και του φορτίου που προκαλείται από τις μηχανικές ανοχές των στοιχείων μετάδοσης. Αυτό περιλαμβάνει οποιαδήποτε απώλεια κίνησης στα κιβώτια ταχυτήτων, τις ζώνες, τις αλυσίδες και τους συνδέσμους. Όταν ένα μηχάνημα είναι αρχικά ενεργοποιημένο, το φορτίο θα επιπλέει κάπου στη μέση των μηχανικών ανοχών (Εικόνα 1Α).

Προτού το ίδιο το φορτίο μπορεί να μετακινηθεί από τον κινητήρα, ο κινητήρας πρέπει να περιστραφεί για να καλύψει όλη τη χαλάρωση που υπάρχει στα στοιχεία μετάδοσης (Εικόνα 1Β). Όταν ο κινητήρας αρχίζει να επιβραδύνεται στο τέλος μιας κίνησης, η θέση φορτίου μπορεί στην πραγματικότητα να ξεπεράσει τη θέση του κινητήρα καθώς η ορμή μεταφέρει το φορτίο πέρα ​​από τη θέση του κινητήρα.

Ο κινητήρας πρέπει και πάλι να απορροφήσει τη χαλάρωση προς την αντίθετη κατεύθυνση πριν εφαρμόσει ροπή στο φορτίο για να το επιβραδύνει (Εικόνα 1C). Αυτή η απώλεια κίνησης ονομάζεται οπισθοδρόμηση και συνήθως μετράται σε λεπτά τόξου, ίσα με το 1/60 της μοίρας. Τα κιβώτια ταχυτήτων που έχουν σχεδιαστεί για χρήση με σερβομηχανισμούς σε βιομηχανικές εφαρμογές συχνά έχουν προδιαγραφές οπισθοδρόμησης που κυμαίνονται από 3 έως 9 λεπτά τόξου.

Η στρεπτική ακαμψία είναι η αντίσταση στη συστροφή του άξονα του κινητήρα, των στοιχείων μετάδοσης και του φορτίου ως απόκριση στην εφαρμογή της ροπής. Ένα απείρως άκαμπτο σύστημα θα μεταδώσει ροπή στο φορτίο χωρίς γωνιακή απόκλιση γύρω από τον άξονα περιστροφής. Ωστόσο, ακόμη και ένας συμπαγής άξονας από χάλυβα θα στρίψει ελαφρώς υπό βαρύ φορτίο. Το μέγεθος της απόκλισης ποικίλλει ανάλογα με τη ροπή που εφαρμόζεται, το υλικό των στοιχείων μετάδοσης και το σχήμα τους. Διαισθητικά, τα μακριά, λεπτά μέρη θα στρίβουν περισσότερο από τα κοντά, παχιά. Αυτή η αντίσταση στη συστροφή είναι που κάνει τα σπειροειδή ελατήρια να λειτουργούν, καθώς η συμπίεση του ελατηρίου στρίβει ελαφρά κάθε στροφή του σύρματος. Το παχύτερο σύρμα κάνει ένα πιο άκαμπτο ελατήριο. Οτιδήποτε λιγότερο από άπειρη στρεπτική ακαμψία αναγκάζει το σύστημα να λειτουργεί ως ελατήριο, που σημαίνει ότι η δυναμική ενέργεια θα αποθηκευτεί στο σύστημα καθώς το φορτίο αντιστέκεται στην περιστροφή.

Όταν συνδυάζονται μαζί, η πεπερασμένη στρεπτική ακαμψία και η οπισθοχώρηση μπορούν να υποβαθμίσουν σημαντικά την απόδοση ενός σερβο συστήματος. Η παλινδρόμηση μπορεί να δημιουργήσει αβεβαιότητα, καθώς ο κωδικοποιητής κινητήρα υποδεικνύει τη θέση του άξονα του κινητήρα και όχι εκεί που η αντίστροφη κίνηση έχει επιτρέψει στο φορτίο να κατακαθίσει. Το Backlash εισάγει επίσης προβλήματα συντονισμού καθώς το φορτίο ζευγαρώνει και αποσυνδέεται από τον κινητήρα για λίγο όταν το φορτίο και ο κινητήρας αντιστρέφουν τη σχετική κατεύθυνση. Εκτός από την αντίδραση, η πεπερασμένη στρεπτική ακαμψία αποθηκεύει ενέργεια μετατρέποντας μέρος της κινητικής ενέργειας του κινητήρα και του φορτίου σε δυναμική ενέργεια, απελευθερώνοντάς την αργότερα. Αυτή η καθυστερημένη απελευθέρωση ενέργειας προκαλεί ταλάντωση φορτίου, επάγει συντονισμό, μειώνει τα μέγιστα χρησιμοποιήσιμα κέρδη συντονισμού και επηρεάζει αρνητικά την απόκριση και τον χρόνο καθίζησης του σερβο συστήματος. Σε όλες τις περιπτώσεις, η μείωση της αντίδρασης και η αύξηση της ακαμψίας ενός συστήματος θα αυξήσει την απόδοση του σερβομηχανισμού και θα απλοποιήσει τον συντονισμό.

Διαμορφώσεις σερβοκινητήρα περιστροφικού άξονα

Η πιο κοινή διαμόρφωση περιστροφικού άξονα είναι ένας περιστροφικός σερβοκινητήρας με ενσωματωμένο κωδικοποιητή για ανάδραση θέσης και κιβώτιο ταχυτήτων που ταιριάζει με τη διαθέσιμη ροπή και ταχύτητα του κινητήρα με την απαιτούμενη ροπή και ταχύτητα του φορτίου. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι μια συσκευή σταθερής ισχύος που είναι το μηχανικό ανάλογο ενός μετασχηματιστή για αντιστοίχιση φορτίου.

Μια βελτιωμένη διαμόρφωση υλικού χρησιμοποιεί έναν περιστροφικό σερβοκινητήρα άμεσης μετάδοσης κίνησης, ο οποίος εξαλείφει τα στοιχεία μετάδοσης συνδέοντας απευθείας το φορτίο στον κινητήρα. Ενώ η διαμόρφωση του ηλεκτρομειωτήρα χρησιμοποιεί έναν σύνδεσμο σε έναν άξονα σχετικά μικρής διαμέτρου, το σύστημα άμεσης μετάδοσης κίνησης βιδώνει το φορτίο απευθείας σε μια πολύ μεγαλύτερη φλάντζα ρότορα. Αυτή η διαμόρφωση εξαλείφει την αντίδραση και αυξάνει σημαντικά τη στρεπτική ακαμψία. Ο υψηλότερος αριθμός πόλων και οι περιελίξεις υψηλής ροπής των κινητήρων άμεσης μετάδοσης ταιριάζουν με τα χαρακτηριστικά ροπής και ταχύτητας ενός ηλεκτρομειωτήρα με αναλογία 10:1 ή μεγαλύτερη.