Direct Drive vs. Προσανατολισμένη περιστροφική σερβοκινητήρα: Ποσοτικοποίηση του πλεονεκτήματος σχεδιασμού: Μέρος 1

Μαθησιακοί στόχοι

• Τα περιστροφικά σερβο-σερβο συστήματα πραγματικού κόσμου υπολείπονται της ιδανικής απόδοσης 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 ακριβά από τα γρανάζια.

Για δεκαετίες, οι προσανατολισμένοι σερβοκινητήρες ήταν ένα από τα πιο κοινά εργαλεία στην εργαλειοθήκη βιομηχανικού αυτοματισμού. Οι προσανατολισμένοι σειρντεμμινώροι προσφέρουν τοποθέτηση, αντιστοίχιση ταχύτητας, ηλεκτρονική γαρνιτούρα, περιέλιξη, τάνυση, εφαρμογές σύσφιξης και αντιστοιχούν αποτελεσματικά στη δύναμη ενός σερβοκινητήρα στο φορτίο. Αυτό εγείρει το ερώτημα: Είναι ένα σερβοκινητήρα που έχει προσβληθεί από την καλύτερη επιλογή για την τεχνολογία περιστροφικής κίνησης ή υπάρχει καλύτερη λύση;

Σε έναν τέλειο κόσμο, ένα περιστροφικό σύστημα σερβο σερβοκίνου θα έχει ροπή και ταχύτητες που ταιριάζουν με την εφαρμογή, έτσι ώστε ο κινητήρας να μην είναι ούτε υπερβολικός ούτε κάτω από το μέγεθος. Ο συνδυασμός του κινητήρα, των στοιχείων μετάδοσης και του φορτίου θα πρέπει να έχει άπειρη στρεπτική δυσκαμψία και μηδενική αντίδραση. Δυστυχώς, τα περιστροφικά σερβο -σερβο συστήματα του πραγματικού κόσμου υπολείπονται από αυτό το ιδανικό για ποικίλους βαθμούς.

Σε ένα τυπικό σύστημα σερβο -αντίδρασης 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 σε όλα τα κιβώτια ταχυτήτων, τις ζώνες, τις αλυσίδες και τις συζεύξεις. Όταν αρχικά ενεργοποιείται ένα μηχάνημα, το φορτίο θα επιπλέει κάπου στη μέση των μηχανικών ανοχών (Σχήμα 1Α).

Πριν από το ίδιο το φορτίο μπορεί να μετακινηθεί από τον κινητήρα, ο κινητήρας πρέπει να περιστρέφεται για να πάρει όλα τα χαλαρά που υπάρχουν στα στοιχεία μετάδοσης (Εικόνα 1Β). Όταν ο κινητήρας αρχίζει να επιβραδύνεται στο τέλος μιας κίνησης, η θέση φορτίου μπορεί να ξεπεράσει την θέση του κινητήρα καθώς η ορμή μεταφέρει το φορτίο πέρα ​​από τη θέση του κινητήρα.

Ο κινητήρας πρέπει να πάρει και πάλι το χαλαρό προς την αντίθετη κατεύθυνση πριν εφαρμόσει ροπή στο φορτίο για να το επιβραδύνει (Εικόνα 1C). Αυτή η απώλεια κίνησης ονομάζεται αντίδραση και συνήθως μετράται σε τόξο, ίση με το 1/60 του βαθμού. Τα κιβώτια ταχυτήτων που έχουν σχεδιαστεί για χρήση με σερβο σε βιομηχανικές εφαρμογές συχνά διαθέτουν προδιαγραφές αντίδρασης που κυμαίνονται από 3 έως 9 τόξους.

Η στρεπτική δυσκαμψία είναι η αντίσταση στην συστροφή του άξονα του κινητήρα, των στοιχείων μετάδοσης και του φορτίου σε απόκριση της εφαρμογής της ροπής. Ένα απείρως άκαμπτο σύστημα θα μεταδίδει ροπή στο φορτίο χωρίς γωνιακή εκτροπή γύρω από τον άξονα περιστροφής. Ωστόσο, ακόμη και ένας συμπαγής άξονας χάλυβα θα στρίψει ελαφρώς κάτω από βαρύ φορτίο. Το μέγεθος της παραμόρφωσης ποικίλλει ανάλογα με τη ροπή που εφαρμόζεται, το υλικό των στοιχείων μετάδοσης και το σχήμα τους. Διαισθητικά, μακρά, λεπτά μέρη θα στρίβουν περισσότερο από σύντομα, λιπαρά. Αυτή η αντίσταση στη συστροφή είναι αυτό που κάνει το πηνίο Springs να λειτουργεί, καθώς συμπιέζοντας τις περιστροφές του ελατηρίου κάθε στροφή του καλωδίου ελαφρώς. Το Fatter Wire κάνει ένα πιο σκληρό ελατήριο. Οτιδήποτε λιγότερο από την άπειρη στρεπτική ακαμψία αναγκάζει το σύστημα να ενεργεί ως ελατήριο, που σημαίνει ότι η πιθανή ενέργεια θα αποθηκευτεί στο σύστημα καθώς το φορτίο αντιστέκεται στην περιστροφή.

Όταν συνδυάζονται μαζί, η πεπερασμένη στρεπτική δυσκαμψία και η αντίδραση μπορούν να υποβαθμίσουν σημαντικά την απόδοση ενός σερβο συστήματος. Η αντίδραση μπορεί να εισαγάγει αβεβαιότητα, καθώς ο κωδικοποιητής του κινητήρα υποδεικνύει τη θέση του άξονα του κινητήρα, όχι όπου η αντίδραση επέτρεψε να εγκατασταθεί το φορτίο. Η αντίδραση εισάγει επίσης ζητήματα συντονισμού ως ζευγάρια φορτίου και αποσυνδέεται από τον κινητήρα για λίγο όταν το φορτίο και η αντίστροφη σχετική κατεύθυνση του κινητήρα. Εκτός από την αντίδραση, η πεπερασμένη στρεπτική δυσκαμψία αποθηκεύει ενέργεια μετατρέποντας κάποια από την κινητική ενέργεια του κινητήρα και το φορτίο σε δυνητική ενέργεια, απελευθερώνοντάς την αργότερα. Αυτή η καθυστερημένη απελευθέρωση ενέργειας προκαλεί ταλάντωση φορτίου, προκαλεί συντονισμό, μειώνει τα μέγιστα χρησιμοποιήσιμα κέρδη ρύθμισης και επηρεάζει αρνητικά την ανταπόκριση και τον χρόνο καθίζησης του σερβο -συστήματος. Σε όλες τις περιπτώσεις, η μείωση της αντίδρασης και η αύξηση της δυσκαμψίας ενός συστήματος θα αυξήσει την απόδοση σερβο και θα απλοποιήσει τον συντονισμό.

Σερτσοκινητικές διαμορφώσεις περιστροφικού άξονα

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

Μια βελτιωμένη διαμόρφωση υλικού χρησιμοποιεί έναν περιστροφικό σερβοκινητήρα άμεσης μονάδας, η οποία εξαλείφει τα στοιχεία μετάδοσης, συνδέοντας άμεσα το φορτίο στον κινητήρα. Ενώ η διαμόρφωση του γρανάζι χρησιμοποιεί μια σύζευξη σε έναν άξονα σχετικά μικρού διαμέτρου, το σύστημα άμεσης 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 κίνησης ταιριάζουν με τα χαρακτηριστικά ροπής και ταχύτητας ενός γρανάζι με αναλογία 10: 1 ή υψηλότερη.