Alegerea unui sistem de servomotor pentru proiectarea unei mașini începe cu înțelegerea componentelor care alcătuiesc servomotorul sau sistemul de servomotor. Sistemele servo sunt sisteme în buclă închisă utilizate pentru a controla anumite mișcări dorite. Acestea includ un dispozitiv de feedback care oferă informații constante între motor și șofer pentru a controla cu precizie poziția, viteza și cuplul mecanismului acţionat.
QXR Servomotor DDR de înaltă performanță
De obicei, modelele de servo sunt sisteme foarte dinamice care implică conducerea unei sarcini pentru a accelera și decelera rapid. Acestea funcționează în patru cadrane, ceea ce înseamnă că pot controla cuplul și viteza, atât pozitive, cât și negative.
Selecția cu servomotor necesită o soluție sistematică. Cu alte cuvinte, o abordare holistică care ia în considerare parametrii generali mecanici, electrici și de programare. Sistemul include determinarea sarcinilor mecanice, curbele de mișcare (inclusiv cerințele de poziționare), caracteristicile servomotorului și mediul în care se află motorul și alte componente; În special, atunci când motorul funcționează la o viteză aproape constantă, are un impact asupra produselor finite, materialelor și/sau procesului în sine.
Sarcina mecanică și parametrii curbei de mișcare
Să începem prin a înțelege ce înseamnă sarcinile mecanice și cerințele de mișcare. Fizica newtoniană de bază afirmă că forța (sau cuplul în direcția de rotație) este proporțională cu masa (inerția de rotație) înmulțită cu accelerația, indiferent dacă accelerația este pozitivă sau negativă. În contextul proiectării în mișcare, construcția de mașini are propria sa calitate și calitatea sarcinii pe care o suportă.
Prin urmare, este important să se determine părțile mecanice - în special calitatea mișcării și curba de mișcare dorită. Metodele de transformare a mișcării de rotație în mișcare liniară variază foarte mult și sunt afectate de factori precum precizia, sarcina, dinamica mișcării și mediul.
Odată ce mecanismul utilizat este înțeles, înțelegerea dinamicii mișcării este importantă pentru a determina cea mai bună soluție de servomotor. Curba de mișcare include nu numai mișcarea de la un punct la altul, ci și funcțiile care pot fi utilizate în acea mișcare, cum ar fi forța asociată cu prelucrarea pieselor. Accelerația, uniformitatea și decelerația, precum și timpii de reședință și pauză, sunt toate incluse în curba generală de mișcare a sistemului. Mișcările de indexare pot fi mișcare triunghiulară simplă, trapez variabil sau 1/3-1/3-1/3 (cea mai eficientă mișcare asociată cu cuplul RMS).
Instrument de selecție și selecție a sistemului servo
Mulți furnizori oferă instrumente de selecție și selecție pentru a ajuta utilizatorii să creeze profiluri de mișcare pe baza cerințelor de mișcare ale aplicațiilor lor. Majoritatea instrumentelor software, cum ar fi platforma Kollmorgen Motioneering, oferă o varietate de descrieri de mișcare pentru a vă ajuta să calculați accelerația, timpul de mișcare, distanța, viteza și timpul de rezidență. Figura 1 prezintă curba de bază 1/3-1/3-1/3, cu o accelerație de 50% introdusă pentru a netezi accelerația. În acest exemplu, am ales să ne mișcăm 8 inchi într-o secundă și să folosim o accelerație de 50% și un timp de așteptare de 2 secunde. Sistemul calculează mișcarea în termeni de 1/3 de timp de accelerație, 1/3 de viteză constantă și 1/3 de decelerație. Viteza maximă calculată de unealtă este de 720 inchi/min. Puteți vedea conturul curbei „S” (bazat pe o accelerație de 50 la sută). În plus, pentru această mișcare, se poate observa că o sarcină de împingere (linia roșie) este aplicată părții transversale a mișcării --, această curbă de mișcare este probabil prelucrată. Timpul de repaus poate fi văzut și ca 3 secunde. Partea de stație este importantă deoarece toți parametrii asociați cu această curbă vor fi utilizați pentru a calcula cuplul RMS, care va fi o măsură pe care o folosim pentru a selecta motorul corect. Pe lângă curbele de mișcare, este, de asemenea, important să înțelegem cerințele reale de poziționare ale sarcinilor în ceea ce privește rezoluția, precizia și repetabilitatea. Acest lucru va fi afectat direct de selecția dispozitivelor de feedback și (mai semnificativ) de impulsul gol al fitingurilor mecanice sub formă de joc și flexibilitate.
Cu excepția cazului în care proiectul poate folosi o soluție de motor cu acționare directă, va include un anumit tip de transmisie mecanică. Transmisia liniară de putere rotativă (conversia ieșirii unui motor rotativ în cursa arborelui) poate fi realizată prin antrenare cu scripete sau prin mecanisme bazate pe șuruburi, cum ar fi șuruburi cu bile. Acționarea rotativă include o cutie de viteze sau un ansamblu de transmisie prin curea, astfel încât scripetele de diferite dimensiuni să poată fi utilizate ca întârzieri. În unele aplicații, piesele aflate în mișcare contribuie în mod semnificativ la masa totală a mișcării. Un caz special este masa arborelui unei mașini care trebuie mutată pentru a modifica --, cum ar fi în distribuția sau procesarea unui sistem robotizat. Variația totală a sarcinii poate fi un factor în reglarea servomotorului.
Componentele în mișcare trebuie să își însumeze inerția și să o reflecte înapoi la arborele motorului. Pe lângă inerție, trebuie luate în considerare forțele externe, frecarea și ineficiența.
Considerații de mediu în proiectarea servo
Nu s-a terminat inca. La determinarea designului servo, numai anumite mecanisme disponibile pot oferi economic și eficient mișcarea, capacitatea de transport și precizia necesare. O considerație care este adesea trecută cu vederea este mediul în care funcționează servosistemul. Majoritatea servomotoarelor sunt evaluate pentru a funcționa la 40C - un mediu foarte cald, dar tipic în multe setări din fabrică și industriale.
Rezistența la căldură a electronicii de conducere nu este foarte mare și, deoarece sunt evaluate și la 40 de grade C, gestionarea temperaturii ambientale în care funcționează este o provocare. De obicei, răcirea forțată în dulapul de comandă este necesară pentru a menține condițiile de mediu adecvate (temperatură și umiditate). Prin urmare, trebuie luată în considerare locația motorului și a șoferului. Desigur, motorul poate fi instalat sau integrat direct în dispozitiv pentru a antrena mecanismul de transport al sarcinii. În schimb, unitatea într-o soluție centralizată este amplasată într-un dulap de comandă --, de obicei, trebuie să fie răcită.
Producătorii definesc performanța parțială a motorului în funcție de condițiile de mediu în care funcționează motorul. După cum sa menționat mai sus, mulți designeri presupun că motorul este evaluat pentru o temperatură ambientală de 40 de grade C, dar ocazional este furnizată o specificație a motorului de 25 de grade C. Prin urmare, ar trebui să se acorde atenție valorilor de referință publicate atunci când se revizuiesc specificațiile. Dacă temperatura ambientală a mașinii depășește temperatura ambientală nominală, motorul nu va atinge puterea nominală.
Alte condiții de mediu pot afecta vopselele și etanșările motorului și alte subcomponente mecanice. Praful, murdăria, umezeala, clătirea prin pulverizare, cerințele de igienă, mediile explozive, mediile de vid și radiațiile necesită un servomotor special cu caracteristici fizice adaptate mediului dur actual.
Procesul de selecție
În determinarea compoziției motorului/sistemului de acționare necesară, o mare parte a efortului de selecție timpurie este mecanică și de mediu. Acum, când utilizatorul selectează produsul final, trebuie luate în considerare restul componentelor sistemului pe care le conține sistemul. Factorii mecanici și de mediu vor continua să influențeze elementele de feedback, cablarea și alegerea finală a arhitecturii de control.
Considerații de feedback și caracteristicile servomotorului
Prin definiție, sistemele servo au dispozitive de feedback care măsoară viteza, poziția și alți parametri ai sistemului în timpul funcționării. Producătorii pot avea opțiuni limitate, dar este important să se ia în considerare cu atenție parametrii specifici de aplicație, inclusiv sarcina de impact și precizia de poziționare, precum și repetabilitatea. Transformatoarele rotative au adesea performanțe excelente în medii dure, în special pentru sarcini de impact mai mari. Un transformator rotativ este un transformator rotativ format dintr-o bobină de înfășurare cu stator și rotor în jurul miezului. Această construcție permite funcționarea la temperaturi mai ridicate și o toleranță mai mare la sarcinile de impact ridicate decât codificatoarele care pot conține elemente de disc de sticlă.
Codificatoarele sinusoidale pot oferi o rezoluție ridicată, de până la 24 de biți și mai mult, pentru o precizie optimă de poziționare. Unele encodere hibride pot oferi robustețea unui transformator rotativ cu o rezoluție mai bună. Aceste codificatoare inteligente se bazează pe transformatoare rotative cu componente electronice care interpretează semnalele sinus și cosinus și le convertesc într-un semnal digital de înaltă rezoluție care va fi transmis unui servodriver pentru utilizare în feedback-ul de viteză și poziție.
În prezent, cele mai recente codificatoare oferă o varietate de protocoale de comunicație (EnDAT, BiSS și DSL) și oferă capabilități de înaltă rezoluție și zgomot redus pentru a ajuta la obținerea de semnale de feedback optime către servodriver și controlere.
O altă alegere de feedback care depinde de cerințele aplicației este dacă doriți feedback absolut sau incremental. Într-un sistem rotativ, puteți număra de la 0 odată ce ați finalizat o rotație de 360 de grade folosind o singură rotație a echipamentului. Codificatorul absolut multiturn permite sistemului sa cunoasca pozitia sa, nu numai pozitia motorului intr-o rotatie de 360 de grade, ci si numarul de spire pe care le-a parcurs in fiecare directie. Deci știe exact unde se află. Este important să știți acest lucru și unde sunt amplasate sculele și alte axe. Codificatoarele incrementale simple, pe de altă parte, pot determina poziția într-o singură rotație, dar numai după găsirea zero în ciclul de pornire. Drept urmare, utilizatorul nu va ști câte cicluri au fost finalizate sau chiar poziția absolută
într-o rotație de 360 de grade când este pornit.
Pe lângă servomotor și servo-driverul în sine, conexiunea reală dintre cele două este de asemenea importantă. Flexibilitatea cablului (definită de raza de îndoire admisă) este o considerație majoră, mai ales atunci când cablul se mișcă cu arborele.
Lungimea cablului poate fi limitată de tipul de encoder luat în considerare. Parametrii cablului, cum ar fi impedanța și căderea de tensiune, combinați cu puterea semnalului codificatorului, sunt factorii cheie în considerarea lungimii. Unele dintre dispozitivele mai noi oferite pe piață transmit informații seriale către șoferi (cum ar fi DSL, EnDat și BiSS) la rate de transmisie foarte mari, care vor fi afectate de lungime, în special de impedanță și raportul semnal-zgomot. Chiar și conectorul joacă un rol în bucla de „feedback”, deoarece conectorul trebuie să proceseze diferitele semnale generate de aceste dispozitive. Un alt factor de lungime a cablului legat de puterea motorului este legat de frecvențele mari de comutare implicate în driverele PWM de astăzi. Există zgomot în cablul de alimentare al motorului. Când cablul devine mai lung și se apropie de jumătate din lungimea de undă a frecvenței de pe cablu, se va forma o antenă. Antena va trimite sau primi informații (în acest caz generând zgomot) care nu ar trebui să fie prezente într-un sistem de înaltă performanță.
Ultimul parametru: controlul mișcării și rețeaua -- centralizată versus descentralizată
O ultimă considerație care poate provoca duplicarea procesului de proiectare general (și modificarea altor componente specificate ale designului) este arhitectura sistemului. Inginerul trebuie să întrebe: Ar trebui să mă concentrez pe un sistem de control centralizat cu drivere, controlere și electronice de sprijin ambalate într-un dulap centralizat sau este mai profitabil și mai rentabil să distribui driverele pe mașină (o abordare a sistemelor distribuite)? O mașină cu axe multiple, care pot fi împrăștiate pe mașină, ar fi candidatul ideal pentru o soluție distribuită. Această metodă poate reduce semnificativ cerințele de cablu și poate economisi costurile asociate cu cablajul cablurilor lungi și cu fantele și suporturile pentru cabluri care sunt însoțite de aceste cabluri. În plus, mutarea șoferului din mașină reduce dimensiunea dulapului necesară pentru a găzdui componentele electronice de control și suport, reducând din nou costurile și cerințele de răcire din dulap. Pe de altă parte, mașinile care sunt compacte și au mai puține osii nu vor beneficia de un tradițional
abordare centralizată.
concluzie
Există multe lucruri care trebuie luate în considerare atunci când selectați un sistem servo pentru o aplicație, multe dintre acestea fiind descrise în acest articol. O altă alegere care afectează selecția componentelor controlează sistemul. Tipul de control este de obicei specificat într-un stadiu incipient în discuțiile privind proiectarea mașinii și depinde de o varietate de factori, în timp ce alegerea controlului blochează de obicei alegerea standardelor de comunicație fieldbus.