Direkte stasjon vs. Gired Rotary Servomotor: A Quantification of Design Advantage: Del 1

Læringsmål

• Rotasjonssystemer i den virkelige verden kommer ikke til den ideelle ytelsen på grunn av tekniske begrensninger.
• Flere typer roterende servomotorer kan gi fordeler for brukere, men hver har en spesifikk utfordring eller begrensning.
• Direct Drive roterende servomotorer tilbyr den beste ytelsen, men de er dyrere enn girmotorer.

I flere tiår har giret servomotorer vært et av de vanligste verktøyene i industriell automatiseringsverktøykasse. Girede sevromotorer tilbyr posisjonering, hastighetsmatching, elektronisk camming, vikling, spenning, stramming av applikasjoner og samsvarer effektivt til kraften til en servomotor til belastningen. Dette reiser spørsmålet: Er en giret servomotor det beste alternativet for roterende bevegelsesteknologi, eller er det en bedre løsning?

I en perfekt verden ville et roterende servosystem ha dreiemoment og hastighetsvurderinger som samsvarer med applikasjonen, slik at motoren verken er overdimensjonert eller understore. Kombinasjonen av motoriske, transmisjonselementer og belastning skal ha uendelig vridningsstivhet og null tilbakeslag. Dessverre kommer den virkelige verdenens roterende servosystemer til kort etter dette idealet til varierende grad.

I et typisk servosystem er tilbakeslag definert som tap av bevegelse mellom motoren og belastningen forårsaket av de mekaniske toleransene til transmisjonselementene; Dette inkluderer eventuelt bevegelsestap gjennom girkasser, belter, kjeder og koblinger. Når en maskin opprinnelig drives på, vil lasten flyte et sted midt i de mekaniske toleransene (figur 1A).

Før belastningen i seg selv kan flyttes av motoren, må motoren rotere for å ta opp alle slakk eksisterende i transmisjonselementene (figur 1B). Når motoren begynner å bremse på slutten av et trekk, kan lastposisjonen faktisk overhale motorposisjonen når momentum bærer belastningen utover motorposisjonen.

Motoren må igjen ta opp slakken i motsatt retning før du påfører dreiemoment på belastningen for å redusere den (figur 1C). Dette tapet av bevegelse kalles tilbakeslag, og måles vanligvis i bue-minutter, lik 1/60 av en grad. Girkasser designet for bruk med servoer i industrielle applikasjoner har ofte tilbakeslagsspesifikasjoner fra 3 til 9 bue-minutter.

Torsjonsstivhet er motstanden mot vridning av motorakselen, transmisjonselementene og belastningen som respons på påføring av dreiemoment. Et uendelig stivt system ville overføre dreiemoment til belastningen uten vinkelbøyning om rotasjonsaksen; Selv en solid stålaksel vil imidlertid vri seg litt under tung belastning. Størrelsen på avbøyning varierer med det påførte dreiemomentet, materialet til transmisjonselementene og deres form; Intuitivt vil lange, tynne deler vri seg mer enn korte, fete. Denne motstanden mot å vri er det som får spiralfjærer til å fungere, ettersom å komprimere fjærvridningene hver sving på ledningen; Fattertråd gjør en stivere fjær. Noe mindre enn uendelig torsjonsstivhet får systemet til å fungere som en fjær, noe som betyr at potensiell energi vil bli lagret i systemet når belastningen motstår rotasjon.

Når den kombineres sammen, kan endelig vridningsstivhet og tilbakeslag kan forringe ytelsen til et servosystem betydelig. Bakreft kan innføre usikkerhet, ettersom motorkoderen indikerer plasseringen av motorens aksel, ikke der tilbakeslaget har tillatt lasten å legge seg. Bakreft introduserer også innstillingsproblemer som belastningsparer og frakoblinger fra motoren kort når last og motor reverserer relativ retning. I tillegg til tilbakeslag, lagrer begrensede torsjonsstivhetsenergi ved å konvertere noe av den kinetiske energien til motoren og belastningen til potensiell energi og frigjøre den senere. Denne forsinkede energifrigjøringen forårsaker belastningssvingning, induserer resonans, reduserer maksimale brukbare innstillingsgevinster og påvirker reaksjonsevnen og avsetningens tid negativt. I alle tilfeller vil redusere tilbakeslag og øke stivheten til et system øke servoytelsen og forenkle innstilling.

Roterende akse servomotoriske konfigurasjoner

Den vanligste konfigurasjonen av roterende akser er en roterende servomotor med en innebygd koder for tilbakemelding av posisjoner og en girkasse for å matche det tilgjengelige dreiemomentet og hastigheten på motoren til det nødvendige dreiemomentet og hastigheten på belastningen. Girkassen er en konstant strømenhet som er den mekaniske analogen til en transformator for lastematching.

En forbedret maskinvarekonfigurasjon bruker en Direct Drive Rotary Servomotor, som eliminerer transmisjonselementene ved å koble lasten direkte til motoren. Mens Gearmotor -konfigurasjonen bruker en kobling til en relativt liten diameteraksel, bolter direkte drivsystem lasten direkte til en mye større rotorflens. Denne konfigurasjonen eliminerer tilbakeslag og øker torsjonsstivheten sterkt. Det høyere poletallet og det høye dreiemomentviklingene til direkte drivmotorer samsvarer med dreiemomentet og hastighetsegenskapene til en girmotor med et forhold på 10: 1 eller høyere.