Άμεση μετάδοση κίνησης έναντι περιστροφικού σερβοκινητήρα με γρανάζια: Ποσοτικοποίηση του πλεονεκτήματος σχεδιασμού: Μέρος 1

Μαθησιακοί Στόχοι

• Τα πραγματικά περιστροφικά σερβοσυστήματα δεν επιτυγχάνουν 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 άμεσης κίνησης προσφέρουν την καλύτερη απόδοση, αλλά είναι πιο ακριβοί από τους ηλεκτρομειωτήρες.

Για δεκαετίες, οι σερβοκινητήρες με γρανάζια αποτελούν ένα από τα πιο συνηθισμένα εργαλεία στην εργαλειοθήκη του βιομηχανικού αυτοματισμού. Οι σερβοκινητήρες με γρανάζια προσφέρουν εφαρμογές τοποθέτησης, αντιστοίχισης ταχύτητας, ηλεκτρονικής έκκεντρης κίνησης, περιέλιξης, τάνυσης, σύσφιξης και αντιστοιχίζουν αποτελεσματικά την ισχύ ενός σερβοκινητήρα στο φορτίο. Αυτό εγείρει το ερώτημα: είναι ένας σερβοκινητήρας με γρανάζια η καλύτερη επιλογή για την τεχνολογία περιστροφικής κίνησης ή υπάρχει καλύτερη λύση;

Σε έναν ιδανικό κόσμο, ένα περιστροφικό σερβοσύστημα θα είχε ονομαστικές τιμές ροπής και ταχύτητας που ταιριάζουν στην εφαρμογή, επομένως ο κινητήρας δεν είναι ούτε υπερμεγέθης ούτε υπομεγέθης. Ο συνδυασμός κινητήρα, στοιχείων μετάδοσης και φορτίου θα πρέπει να έχει άπειρη στρεπτική ακαμψία και μηδενική αντίστροφη κίνηση. Δυστυχώς, τα πραγματικά περιστροφικά σερβοσυστήματα δεν ανταποκρίνονται σε αυτό το ιδανικό σε διάφορους βαθμούς.

Σε ένα τυπικό σύστημα σερβοκινητήρα, η αντίστροφη κίνηση ορίζεται ως η απώλεια κίνησης μεταξύ του κινητήρα και του φορτίου που προκαλείται από τις μηχανικές ανοχές των στοιχείων μετάδοσης κίνησης. Αυτό περιλαμβάνει οποιαδήποτε απώλεια κίνησης σε κιβώτια ταχυτήτων, ιμάντες, αλυσίδες και συνδέσμους. Όταν ένα μηχάνημα τίθεται αρχικά σε λειτουργία, το φορτίο θα επιπλέει κάπου στη μέση των μηχανικών ανοχών (Σχήμα 1Α).

Πριν το ίδιο το φορτίο μετακινηθεί από τον κινητήρα, ο κινητήρας πρέπει να περιστραφεί για να αναπληρώσει όλο το κενό που υπάρχει στα στοιχεία μετάδοσης (Σχήμα 1Β). Όταν ο κινητήρας αρχίσει να επιβραδύνεται στο τέλος μιας κίνησης, η θέση του 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 να αναπληρώσει ξανά το χαλαρό σημείο προς την αντίθετη κατεύθυνση πριν εφαρμόσει ροπή στο φορτίο για να το επιβραδύνει (Σχήμα 1C). Αυτή η απώλεια κίνησης ονομάζεται οπισθοδρόμηση και συνήθως μετριέται σε λεπτά τόξου, ίσο με το 1/60ο της μοίρας. Τα κιβώτια ταχυτήτων που έχουν σχεδιαστεί για χρήση με σερβοκινητήρες σε βιομηχανικές εφαρμογές συχνά έχουν προδιαγραφές οπισθοδρόμησης που κυμαίνονται από 3 έως 9 λεπτά τόξου.

Η στρεπτική ακαμψία είναι η αντίσταση στην περιστροφή του άξονα του κινητήρα, των στοιχείων μετάδοσης και του φορτίου ως απόκριση στην εφαρμογή ροπής. Ένα άπειρα άκαμπτο σύστημα θα μετέδιδε ροπή στο φορτίο χωρίς γωνιακή παραμόρφωση γύρω από τον άξονα περιστροφής. Ωστόσο, ακόμη και ένας συμπαγής χαλύβδινος άξονας θα περιστραφεί ελαφρώς υπό βαρύ φορτίο. Το μέγεθος της παραμόρφωσης ποικίλλει ανάλογα με τη ροπή που εφαρμόζεται, το υλικό των στοιχείων μετάδοσης και το σχήμα τους. Διαισθητικά, τα μακριά, λεπτά μέρη θα περιστραφούν περισσότερο από τα κοντά, παχιά. Αυτή η αντίσταση στην περιστροφή είναι αυτό που κάνει τα ελικοειδή ελατήρια να λειτουργούν, καθώς η συμπίεση του ελατηρίου περιστρέφει ελαφρώς κάθε στροφή του σύρματος. Το παχύτερο σύρμα δημιουργεί ένα πιο άκαμπτο ελατήριο. Οτιδήποτε λιγότερο από την άπειρη στρεπτική ακαμψία αναγκάζει το σύστημα να λειτουργεί ως ελατήριο, πράγμα που σημαίνει ότι η δυναμική ενέργεια θα αποθηκεύεται στο σύστημα καθώς το φορτίο αντιστέκεται στην περιστροφή.

Όταν συνδυάζονται, η πεπερασμένη στρεπτική ακαμψία και η οπισθοδρόμηση μπορούν να υποβαθμίσουν σημαντικά την απόδοση ενός σερβοσυστήματος. Η οπισθοδρόμηση μπορεί να εισάγει αβεβαιότητα, καθώς ο κωδικοποιητής του κινητήρα υποδεικνύει τη θέση του άξονα του κινητήρα και όχι το σημείο όπου η οπισθοδρόμηση έχει επιτρέψει στο φορτίο να σταθεροποιηθεί. Η οπισθοδρόμηση εισάγει επίσης προβλήματα συντονισμού καθώς το φορτίο συνδέεται και αποσυνδέεται από τον κινητήρα για λίγο όταν το φορτίο και ο κινητήρας αντιστρέφουν τη σχετική τους κατεύθυνση. Εκτός από την οπισθοδρόμηση, 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, προκαλεί συντονισμό, μειώνει τα μέγιστα αξιοποιήσιμα κέρδη συντονισμού και επηρεάζει αρνητικά την απόκριση και τον χρόνο σταθεροποίησης του σερβοσυστήματος. Σε όλες τις περιπτώσεις, η μείωση της οπισθοδρόμησης και η αύξηση της ακαμψίας ενός συστήματος θα αυξήσει την απόδοση του σερβο και θα απλοποιήσει τη ρύθμιση.

Διαμορφώσεις σερβοκινητήρα περιστροφικού άξονα

Η πιο συνηθισμένη διαμόρφωση περιστροφικού άξονα είναι ένας περιστροφικός σερβοκινητήρας με ενσωματωμένο κωδικοποιητή για ανάδραση θέσης και ένα κιβώτιο ταχυτήτων για την αντιστοίχιση της διαθέσιμης ροπής και ταχύτητας 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 την αντιστοίχιση φορτίου.

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