Direkte drev vs. giret roterende servomotor: En kvantifisering av designfordel: Del 1

Læringsmål

• Virkelige roterende servosystemer mangler den ideelle ytelsen på grunn av tekniske begrensninger.
• Flere typer roterende servomotorer kan gi fordeler for brukerne, men hver har en spesifikk utfordring eller begrensning.
• Direkte drevne roterende servomotorer gir den beste ytelsen, men de er dyrere enn girmotorer.

I flere tiår har girede servomotorer vært et av de vanligste verktøyene i industriell automasjonsverktøykasse. Girede sevromotorer tilbyr posisjonering, hastighetstilpasning, elektronisk kaming, vikling, stramming, strammeapplikasjoner og tilpasser effektivt kraften til en servomotor til lasten. Dette reiser spørsmålet: er en giret servomotor det beste alternativet for roterende bevegelsesteknologi, eller finnes det en bedre løsning?

I en perfekt verden vil et roterende servosystem ha dreiemoment- og hastighetsklassifiseringer som matcher applikasjonen, slik at motoren verken er overdimensjonert eller underdimensjonert. Kombinasjonen av motor, transmisjonselementer og last skal ha uendelig vridningsstivhet og null tilbakeslag. Dessverre faller roterende servosystemer fra den virkelige verden til ikke dette idealet i 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 bevegelsestap gjennom girkasser, remmer, kjeder og koplinger. Når en maskin først slås på, vil lasten flyte et sted i midten av de mekaniske toleransene (Figur 1A).

Før selve lasten kan flyttes av motoren, må motoren rotere for å ta opp all slakk som finnes i transmisjonselementene (Figur 1B). Når motoren begynner å bremse ved slutten av en bevegelse, kan lastposisjonen faktisk overta motorposisjonen ettersom momentum fører lasten utover motorposisjonen.

Motoren må igjen ta opp slakk i motsatt retning før det påføres dreiemoment på lasten for å bremse den (Figur 1C). Dette tapet av bevegelse kalles tilbakeslag, og måles vanligvis i bueminutter, lik 1/60 av en grad. Girkasser designet for bruk med servoer i industrielle applikasjoner har ofte tilbakeslagsspesifikasjoner som varierer fra 3 til 9 bueminutter.

Torsjonsstivhet er motstanden mot vridning av motorakselen, transmisjonselementene og belastningen som svar på påføring av dreiemoment. Et uendelig stivt system vil overføre dreiemoment til lasten uten vinkelavbøyning rundt rotasjonsaksen; Selv en solid stålaksel vil imidlertid vri seg litt under tung belastning. Størrelsen på avbøyningen varierer med dreiemomentet som brukes, materialet til transmisjonselementene og deres form; intuitivt vil lange, tynne deler vri seg mer enn korte, fete. Denne motstanden mot vridning er det som får spiralfjærer til å fungere, ettersom komprimering av fjæren vrir litt på hver omdreining av ledningen; fetere wire gjør en stivere fjær. Alt mindre enn uendelig torsjonsstivhet får systemet til å fungere som en fjær, noe som betyr at potensiell energi vil bli lagret i systemet når lasten motstår rotasjon.

Når de kombineres, kan begrenset torsjonsstivhet og tilbakeslag betydelig forringe ytelsen til et servosystem. Slipp kan introdusere usikkerhet, ettersom motorens koder indikerer posisjonen til motorens aksel, ikke der hvor tilbakeslaget har latt lasten sette seg. Tilbakeslag introduserer også innstillingsproblemer når lasten kobles til og fra motoren kort når lasten og motoren snur relativ retning. I tillegg til tilbakeslag, lagrer endelig torsjonsstivhet energi ved å konvertere noe av den kinetiske energien til motoren og belastningen til potensiell energi, og frigjøre den senere. Denne forsinkede energifrigjøringen forårsaker lastoscillasjon, induserer resonans, reduserer maksimale brukbare tuning-forsterkning og påvirker responsen og innstillingstiden til servosystemet negativt. I alle tilfeller vil reduksjon av tilbakeslag og øke stivheten til et system øke servoytelsen og forenkle innstillingen.

Roterende akse servomotor konfigurasjoner

Den vanligste roterende aksekonfigurasjonen er en roterende servomotor med en innebygd koder for posisjonstilbakemelding og en girkasse for å tilpasse det tilgjengelige dreiemomentet og hastigheten til motoren til det nødvendige dreiemomentet og hastigheten til lasten. Girkassen er en enhet med konstant kraft som er den mekaniske analogen til en transformator for lasttilpasning.

En forbedret maskinvarekonfigurasjon bruker en direktedrevet roterende servomotor, som eliminerer transmisjonselementene ved å koble lasten direkte til motoren. Mens girmotorkonfigurasjonen bruker en kobling til en aksel med relativt liten diameter, bolter det direkte drivsystemet lasten direkte til en mye større rotorflens. Denne konfigurasjonen eliminerer tilbakeslag og øker vridningsstivheten betraktelig. Høyere poltall og høye momentviklinger til direktedrevne motorer samsvarer med dreiemoment- og hastighetsegenskapene til en girmotor med et forhold på 10:1 eller høyere.