Direktedrift vs. roterende servomotor med gir: En kvantifisering av designfordel: Del 1

Læringsmål

• Roterende servosystemer i den virkelige verden når ikke opp 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.
• Direktedrevne roterende servomotorer tilbyr best ytelse, men de er dyrere enn girmotorer.

I flere tiår har girmotorer vært et av de vanligste verktøyene i verktøykassen for industriell automatisering. Girmotorer tilbyr posisjonering, hastighetstilpasning, elektronisk kamstyring, vikling, spenning og tiltrekking, og tilpasser effektivt effekten til en servomotor til lasten. Dette reiser spørsmålet: er en girmotor det beste alternativet for rotasjonsbevegelsesteknologi, eller finnes 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 underdimensjonert. Kombinasjonen av motor, transmisjonselementer og last bør ha uendelig torsjonsstivhet og null tilbakeslag. Dessverre når roterende servosystemer i den virkelige verden ikke opp til dette idealet i varierende grad.

I et typisk servosystem defineres tilbakeslag som tap av bevegelse mellom motoren og lasten forårsaket av de mekaniske toleransene til transmisjonselementene. Dette inkluderer ethvert bevegelsestap i girkasser, belter, kjeder og koblinger. Når en maskin slås på for første gang, vil lasten flyte et sted midt i de mekaniske toleransene (figur 1A).

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

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

Torsjonsstivhet er motstanden mot vridning av motorakselen, transmisjonselementene og lasten som respons på påføring av dreiemoment. Et uendelig stivt system ville overføre dreiemoment til lasten uten vinkelavbøyning rundt rotasjonsaksen. Imidlertid vil selv en solid stålaksel vri seg litt under tung belastning. Størrelsen på avbøyningen varierer med det påførte dreiemomentet, materialet i transmisjonselementene og deres form. Intuitivt vil lange, tynne deler vri seg mer enn korte, tykke. Denne motstanden mot vridning er det som får spiralfjærer til å fungere, ettersom komprimering av fjæren vrir hver omdreining av tråden litt. Tykkere tråd gir 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 sammen, kan endelig torsjonsstivhet og tilbakeslag forringe ytelsen til et servosystem betydelig. Tilbakeslag kan føre til usikkerhet, ettersom motorkoderen indikerer posisjonen til motorakselen, ikke hvor tilbakeslaget har tillatt lasten å sette seg. Tilbakeslag introduserer også tuningproblemer ettersom lasten kobles og frakobles fra motoren kortvarig når lasten og motoren reverserer relativ retning. I tillegg til tilbakeslag lagrer endelig torsjonsstivhet energi ved å konvertere noe av den kinetiske energien til motoren og lasten til potensiell energi, og frigjøre den senere. Denne forsinkede energifrigjøringen forårsaker lastoscillasjon, induserer resonans, reduserer maksimal brukbar tuninggevinst og påvirker servosystemets responsivitet og innstillingstid negativt. I alle tilfeller vil reduksjon av tilbakeslag og økning av stivheten til et system øke servoytelsen og forenkle tuning.

Konfigurasjoner av servomotorer for roterende akse

Den vanligste konfigurasjonen for roterende akser er en roterende servomotor med en innebygd giver for posisjonstilbakemelding og en girkasse for å matche tilgjengelig dreiemoment og hastighet på motoren med det nødvendige dreiemomentet og hastigheten på lasten. Girkassen er en enhet med konstant effekt 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 direktedrevet system lasten direkte til en mye større rotorflens. Denne konfigurasjonen eliminerer tilbakeslag og øker torsjonsstivheten betraktelig. Det høyere poltallet og høye dreiemomentviklingene til direktedrevne motorer samsvarer med dreiemoment- og hastighetsegenskapene til en girmotor med et forhold på 10:1 eller høyere.