Servomotor rotativ cu acționare directă vs. servomotor cu angrenaj: o cuantificare a avantajului de proiectare: Partea 1

Obiective de învățare

• Sistemele servo rotative din lumea reală nu ating performanța ideală din cauza limitărilor tehnice.
• Mai multe tipuri de servomotoare rotative pot oferi beneficii utilizatorilor, dar fiecare are o provocare sau o limitare specifică.
• Servomotoarele rotative cu acționare directă oferă cele mai bune performanțe, dar sunt mai scumpe decât motoreductoarele.

Timp de decenii, servomotoarele cu angrenaje au fost printre cele mai comune instrumente din setul de instrumente al automatizării industriale. Servomotoarele cu angrenaje oferă aplicații de poziționare, adaptare a vitezei, acționare electronică a camei, înfășurare, tensionare, strângere și adaptează eficient puterea unui servomotor la sarcină. Acest lucru ridică întrebarea: este un servomotor cu angrenaje cea mai bună opțiune pentru tehnologia mișcării rotative sau există o soluție mai bună?

Într-o lume ideală, un sistem servo rotativ ar avea valori nominale de cuplu și viteză care să corespundă aplicației, astfel încât motorul să nu fie nici supradimensionat, nici subdimensionat. Combinația dintre motor, elementele de transmisie și sarcină ar trebui să aibă o rigiditate torsională infinită și zero joc. Din păcate, sistemele servo rotative din lumea reală nu ating acest ideal în grade diferite.

Într-un sistem servo tipic, jocul este definit ca pierderea de mișcare dintre motor și sarcină cauzată de toleranțele mecanice ale elementelor de transmisie; aceasta include orice pierdere de mișcare în cutii de viteze, curele, lanțuri și cuplaje. Când o mașină este pornită inițial, sarcina va fluctua undeva la mijlocul toleranțelor mecanice (Figura 1A).

Înainte ca sarcina în sine să poată fi deplasată de motor, acesta trebuie să se rotească pentru a recupera tot jocul existent în elementele de transmisie (Figura 1B). Când motorul începe să decelereze la sfârșitul unei mișcări, poziția sarcinii poate depăși poziția motorului, deoarece impulsul transportă sarcina dincolo de poziția motorului.

Motorul trebuie să recupereze din nou jocul în direcția opusă înainte de a aplica cuplul asupra sarcinii pentru a o decelera (Figura 1C). Această pierdere de mișcare se numește joc și este de obicei măsurată în minute de arc, egală cu 1/60 de grad. Cutiile de viteze proiectate pentru utilizare cu servomotoare în aplicații industriale au adesea specificații de joc cuprinse între 3 și 9 minute de arc.

Rigiditatea torsională este rezistența la răsucire a arborelui motorului, a elementelor de transmisie și a sarcinii ca răspuns la aplicarea cuplului. Un sistem infinit rigid ar transmite cuplul sarcinii fără deformare unghiulară în jurul axei de rotație; cu toate acestea, chiar și un arbore solid din oțel se va răsuci ușor sub o sarcină mare. Magnitudinea deformării variază în funcție de cuplul aplicat, materialul elementelor de transmisie și forma acestora; intuitiv, piesele lungi și subțiri se vor răsuci mai mult decât cele scurte și groase. Această rezistență la răsucire este ceea ce face ca arcurile elicoidale să funcționeze, deoarece comprimarea arcului răsucește ușor fiecare rotație a firului; un fir mai gros produce un arc mai rigid. Orice valoare mai mică decât rigiditatea torsională infinită face ca sistemul să acționeze ca un arc, ceea ce înseamnă că energia potențială va fi stocată în sistem pe măsură ce sarcina rezistă rotației.

Combinate, rigiditatea torsională finită și jocul pot degrada semnificativ performanța unui servosistem. Jocul poate introduce incertitudine, deoarece encoderul motorului indică poziția arborelui motorului, nu locul în care jocul a permis sarcinii să se stabilizeze. Jocul introduce, de asemenea, probleme de reglare, deoarece sarcina se cuplează și se decuplează scurt de la motor atunci când sarcina și motorul își inversează direcția relativă. Pe lângă joc, rigiditatea torsională finită stochează energie prin convertirea unei părți din energia cinetică a motorului și a sarcinii în energie potențială, eliberând-o ulterior. Această eliberare întârziată a energiei provoacă oscilații ale sarcinii, induce rezonanță, reduce câștigurile maxime utilizabile de reglare și are un impact negativ asupra timpului de răspuns și a timpului de stabilizare al servosistemului. În toate cazurile, reducerea jocului și creșterea rigidității unui sistem vor crește performanța servo și vor simplifica reglarea.

Configurații servomotoare cu ax rotativ

Cea mai comună configurație a axei rotative este un servomotor rotativ cu un encoder încorporat pentru feedback de poziție și o cutie de viteze pentru a adapta cuplul și viteza disponibile ale motorului la cuplul și viteza necesare ale sarcinii. Cutia de viteze este un dispozitiv de putere constantă, analogul mecanic al unui transformator pentru adaptarea sarcinii.

O configurație hardware îmbunătățită utilizează un servomotor rotativ cu acționare directă, care elimină elementele de transmisie prin cuplarea directă a sarcinii la motor. În timp ce configurația motoreductoarelor utilizează o cuplare la un arbore cu diametru relativ mic, sistemul de acționare directă fixează sarcina direct pe o flanșă a rotorului mult mai mare. Această configurație elimină jocul și crește considerabil rigiditatea torsională. Numărul mai mare de poli și înfășurările cu cuplu ridicat ale motoarelor cu acționare directă se potrivesc cu caracteristicile de cuplu și viteză ale unui motoreductor cu un raport de 10:1 sau mai mare.