Izbira servo motornega sistema za zasnovo stroja se začne z razumevanjem komponent, ki sestavljajo servo motor ali servo pogonski sistem. Servo sistemi so zaprtozančni sistemi, ki se uporabljajo za nadzor določenih želenih gibov. Vključujejo povratno napravo, ki zagotavlja stalne informacije med motorjem in gonilnikom za natančen nadzor položaja, hitrosti in navora poganjanega mehanizma.
QXR Visokozmogljiv servo gonilnik DDR motorja
Običajno so servo zasnove zelo dinamični sistemi, ki vključujejo pogon bremena za hitro pospeševanje in upočasnjevanje. Delujejo v štirih kvadrantih, kar pomeni, da lahko nadzorujejo navor in hitrost, tako pozitivne kot negativne.
Selekcija na servo pogon zahteva sistematično rešitev. Z drugimi besedami, holistični pristop, ki upošteva splošne mehanske, električne in programske parametre. Sistem vključuje določanje mehanskih obremenitev, krivulj gibanja (vključno z zahtevami glede pozicioniranja), značilnosti servo motorja in okolja, v katerem se motor in druge komponente nahajajo; Še posebej, ko motor deluje s skoraj konstantno hitrostjo, to vpliva na končne izdelke, materiale in/ali sam proces.
Parametri krivulje mehanske obremenitve in gibanja
Začnimo z razumevanjem, kaj pomenijo mehanske obremenitve in zahteve glede gibanja. Osnovna Newtonova fizika trdi, da je sila (ali navor v smeri vrtenja) sorazmerna z maso (rotacijsko vztrajnostjo), pomnoženo s pospeškom, ne glede na to, ali je pospešek pozitiven ali negativen. Strojna gradnja ima v kontekstu oblikovanja gibanja svojo kakovost in kakovost obremenitve, ki jo prenaša.
Zato je pomembno določiti mehanske dele – predvsem kakovost gibanja in želeno krivuljo gibanja. Metode za pretvorbo rotacijskega gibanja v linearno gibanje se zelo razlikujejo in nanje vplivajo dejavniki, kot so natančnost, obremenitev, dinamika gibanja in okolje.
Ko razumemo uporabljeni mehanizem, je razumevanje dinamike gibanja pomembno za določitev najboljše rešitve servomotorja. Krivulja gibanja ne vključuje le gibanja od ene točke do druge, ampak tudi funkcije, ki se lahko uporabljajo pri tem gibanju, kot je potisk, povezan z obdelavo delov. Pospešek, enakomernost in pojemek ter časi zadrževanja in premora so vključeni v celotno krivuljo gibanja sistema. Indeksni gibi so lahko preprosto trikotno gibanje, spremenljivi trapez ali 1/3-1/3-1/3 (najučinkovitejše gibanje, povezano z RMS navorom).
Izbira servo sistema in orodje za izbiro
Številni prodajalci ponujajo orodja za izbiro in izbiranje, ki uporabnikom pomagajo zgraditi profile gibanja na podlagi zahtev glede gibanja njihovih aplikacij. Večina programskih orodij, kot je Kollmorgenova platforma Motioneering, ponuja različne opise gibanja, ki vam pomagajo izračunati pospešek, čas gibanja, razdaljo, hitrost in čas zadrževanja. Slika 1 prikazuje osnovno krivuljo 1/3-1/3-1/3 s 50-odstotnim pospeškom, uvedenim za izravnavo pospeška. V tem primeru smo se odločili premakniti 8 palcev v 1 sekundi in uporabiti 50-odstotni pospešek ter 2-sekundni čas zadrževanja. Sistem izračuna gibanje glede na 1/3 časa pospeška, 1/3 konstantne hitrosti in 1/3 pojemka. Največja hitrost, izračunana z orodjem, je 720 in/min. Vidite lahko obris krivulje "S" (na podlagi 50-odstotnega pospeška). Poleg tega je za to gibanje razvidno, da je potisna obremenitev (rdeča črta) uporabljena za prečni del gibanja -- ta krivulja gibanja je verjetno obdelana. Čas zadrževanja lahko vidite tudi kot 3 sekunde. Del zadrževanja je pomemben, ker bodo vsi parametri, povezani s to krivuljo, uporabljeni za izračun RMS navora, ki bo metrika, ki jo bomo uporabili za izbiro pravilnega motorja. Poleg krivulj gibanja je pomembno razumeti tudi dejanske zahteve glede pozicioniranja bremen v smislu ločljivosti, natančnosti in ponovljivosti. Na to bo neposredno vplivala izbira povratnih naprav in (še pomembneje) prazen zagon mehanskih fitingov v obliki zračnosti in prožnosti.
Razen če lahko zasnova uporablja rešitev motorja z neposrednim pogonom, bo vključevala neko vrsto mehanskega prenosa. Rotacijski linearni prenos moči (pretvarjanje izhodne moči vrtečega se motorja v hod gredi) je mogoče doseči s pogonom jermenice ali z vijačnimi mehanizmi, kot so kroglična vretena. Rotacijski pogon vključuje sklop menjalnika ali jermenskega pogona, tako da se lahko kot zaviralci uporabljajo jermenice različnih velikosti. V nekaterih aplikacijah premaknjeni deli znatno prispevajo k skupni masi gibanja. Poseben primer je masa strojne gredi, ki jo je treba premakniti, da se spremeni --, na primer pri distribuciji ali obdelavi robotskega sistema. Celotna sprememba obremenitve je lahko dejavnik pri prilagajanju servo pogona.
Komponente v gibanju morajo sešteti svojo vztrajnost in jo odbiti nazaj na gred motorja. Poleg vztrajnosti je treba upoštevati zunanje sile, trenje in neučinkovitost.
Okoljski vidiki pri načrtovanju servo
Ni še konec. Pri določanju zasnove servo lahko le določeni razpoložljivi mehanizmi ekonomično in učinkovito zagotavljajo zahtevano gibanje, nosilnost in natančnost. En dejavnik, ki je pogosto spregledan, je okolje, v katerem deluje servo sistem. Večina servomotorjev je ocenjena za delovanje pri 40C – zelo toplo okolje, vendar tipično v številnih tovarniških in industrijskih nastavitvah.
Toplotna odpornost pogonske elektronike ni zelo visoka, in ker so ocenjene tudi na 40 stopinj C, je upravljanje temperature okolja, kjer delujejo, izziv. Običajno je potrebno prisilno hlajenje v krmilni omarici za vzdrževanje ustreznih okoljskih pogojev (temperatura in vlažnost). Zato je treba upoštevati lokacijo motorja in pogona. Seveda je motor lahko nameščen ali integriran neposredno v napravo za pogon nosilnega mehanizma. V nasprotju s tem je pogon v centralizirani rešitvi nameščen v nadzorni omari -- običajno ga je treba ohladiti.
Proizvajalci definirajo delno zmogljivost motorja glede na okoljske pogoje, v katerih motor deluje. Kot je navedeno zgoraj, mnogi načrtovalci predvidevajo, da je motor ocenjen za temperaturo okolja 40 stopinj C, vendar je občasno navedena specifikacija motorja 25 stopinj C. Zato je treba biti pri pregledu specifikacij pozoren na objavljene referenčne vrednosti. Če temperatura okolja stroja presega nazivno temperaturo okolja, motor ne bo dosegel nazivne moči.
Drugi okoljski pogoji lahko vplivajo na motorne barve in tesnila ter druge mehanske podkomponente. Prah, umazanija, vlaga, izpiranje z razpršilom, higienske zahteve, eksplozivna okolja, vakuumska okolja in sevanje zahtevajo poseben servomotor s fizikalnimi lastnostmi, prilagojenimi trenutnemu težkemu okolju.
Izbirni postopek
Pri določanju zahtevane sestave motorja/pogonskega sistema je velik del zgodnjega izbirnega truda mehanski in okoljski. Zdaj, ko uporabnik izbere končni izdelek, je treba upoštevati preostale sistemske komponente, ki jih sistem vsebuje. Mehanski in okoljski dejavniki bodo še naprej vplivali na povratne elemente, ožičenje in končno izbiro nadzorne arhitekture.
Upoštevanje povratnih informacij in značilnosti servo motorja
Po definiciji imajo servo sistemi povratne naprave, ki merijo hitrost, položaj in druge sistemske parametre med delovanjem. Proizvajalci imajo morda omejene možnosti, vendar je pomembno skrbno preučiti posebne parametre uporabe, vključno z udarno obremenitvijo in natančnostjo pozicioniranja ter ponovljivostjo. Rotacijski transformatorji imajo pogosto odlično delovanje v težkih okoljih, zlasti pri večjih udarnih obremenitvah. Rotacijski transformator je rotacijski transformator, sestavljen iz navitja z deli statorja in rotorja okoli jedra. Ta konstrukcija omogoča delovanje pri višjih temperaturah in večjo toleranco na velike udarne obremenitve kot kodirniki, ki lahko vsebujejo elemente steklene plošče.
Sinusni kodirniki lahko zagotovijo visoko ločljivost, do 24 bitov in več, za optimalno natančnost pozicioniranja. Nekateri hibridni dajalniki lahko zagotovijo robustnost rotacijskega transformatorja z boljšo ločljivostjo. Ti pametni kodirniki temeljijo na rotacijskih transformatorjih z elektronskimi komponentami, ki interpretirajo sinusne in kosinusne signale in jih pretvorijo v digitalni signal visoke ločljivosti, ki bo posredovan servo gonilniku za uporabo v povratnih informacijah o hitrosti in položaju.
Trenutno najnovejši kodirniki ponujajo različne komunikacijske protokole (EnDAT, BiSS in DSL) ter zagotavljajo zmogljivosti visoke ločljivosti in nizkega hrupa, da pomagajo doseči optimalne povratne signale za servo gonilnike in krmilnike.
Druga izbira povratnih informacij, ki je odvisna od zahtev aplikacije, je, ali želite absolutne ali inkrementalne povratne informacije. V rotacijskem sistemu lahko štejete od 0, ko opravite 360-stopinjsko rotacijo z enim obratom opreme. Večobratni absolutni kodirnik omogoča sistemu vedeti svoj položaj, ne le položaj motorja pri 360-stopinjskem vrtenju, ampak tudi število obratov, ki jih je opravil v vsako smer. Tako točno ve, kje je. Pomembno je vedeti to in kje se nahajajo orodja in druge osi. Preprosti inkrementalni dajalniki pa lahko določijo položaj v eni sami rotaciji, vendar šele potem, ko najdejo ničlo v ciklu vklopa. Posledično uporabnik ne bo vedel, koliko ciklov je bilo opravljenih ali niti absolutnega položaja
v vrtenju za 360 stopinj, ko je vklopljen.
Poleg servo motorja in samega servo gonilnika je pomembna tudi dejanska povezava med obema. Fleksibilnost kabla (opredeljena z njegovim dovoljenim radijem upogiba) je pomembna točka, zlasti ko se kabel premika skupaj z gredjo.
Dolžina kabla je lahko omejena z vrsto obravnavanega kodirnika. Parametri kabla, kot sta impedanca in padec napetosti, skupaj z močjo signala kodirnika, so ključni dejavniki pri upoštevanju dolžine. Nekatere novejše naprave, ki so na voljo na trgu, prenašajo serijske informacije gonilnikom (kot so DSL, EnDat in BiSS) pri zelo visokih hitrostih prenosa, na kar bo vplivala dolžina, zlasti impedanca in razmerje med signalom in šumom. Tudi konektor igra vlogo v zanki "povratne informacije", saj mora konektor obdelati različne signale, ki jih ustvarijo te naprave. Drug dejavnik dolžine kabla, povezan z močjo motorja, je povezan z visokimi preklopnimi frekvencami, vključenimi v današnje gonilnike PWM. V napajalnem kablu motorja je hrup. Ko se kabel podaljša in se približa polovici frekvence valovne dolžine na kablu, se oblikuje antena. Antena bo poslala ali sprejela informacije (v tem primeru ustvarjanje hrupa), ki ne bi smele biti prisotne v visoko zmogljivem sistemu.
Zadnji parameter: nadzor gibanja in omrežje -- centralizirano v primerjavi z decentraliziranim
Zadnji dejavnik, ki lahko povzroči podvajanje celotnega procesa oblikovanja (in spremeni druge določene komponente načrta), je sistemska arhitektura. Inženir se mora vprašati: Ali naj se osredotočim na centraliziran krmilni sistem z gonilniki, krmilniki in podporno elektroniko, pakirano v centralizirani omari, ali je bolj donosno in stroškovno učinkovito porazdeliti gonilnike po stroju (pristop porazdeljenih sistemov)? Stroj z več osmi, ki so lahko razpršene po stroju, bi bil idealen kandidat za porazdeljeno rešitev. Ta metoda lahko bistveno zmanjša zahteve po kablih in prihrani stroške, povezane z ožičenjem dolgih kablov ter režami za kable in nosilci, ki so priloženi tem kablom. Poleg tega premik gonilnika iz stroja zmanjša velikost omare, ki je potrebna za namestitev nadzornih in podpornih elektronskih komponent, kar ponovno zmanjša stroške in zahteve po hlajenju znotraj omare. Po drugi strani pa stroji, ki so kompaktni in imajo manj osi, ne bodo imeli koristi od tradicionalnih
centraliziran pristop.
sklep
Pri izbiri servo sistema za aplikacijo je treba upoštevati veliko stvari, mnoge od njih so bile opisane v tem članku. Druga izbira, ki vpliva na izbiro komponent, nadzoruje sistem. Vrsta krmiljenja je običajno določena v zgodnji fazi razprav o načrtovanju stroja in je odvisna od različnih dejavnikov, medtem ko je izbira krmiljenja običajno odvisna od izbire komunikacijskih standardov fieldbus.