En gearet servomotor kan være nyttig til roterende bevægelsesteknologi, men der er udfordringer og begrænsninger, som brugerne skal være opmærksomme på.
Af: Dakota Miller og Bryan Knight
Læringsmål
- Roterende servosystemer fra den virkelige verden lever ikke op til den ideelle ydeevne på grund af tekniske begrænsninger.
- Flere typer roterende servomotorer kan give fordele for brugerne, men hver har en specifik udfordring eller begrænsning.
- Direkte drevne roterende servomotorer giver den bedste ydeevne, men de er dyrere end gearmotorer.
I årtier har gearede servomotorer været et af de mest almindelige værktøjer i den industrielle automationsværktøjskasse. Gearede sevromotorer tilbyder positionering, hastighedstilpasning, elektronisk kamning, vikling, spænding, tilspænding og matcher effektivt en servomotors kraft til belastningen. Dette rejser spørgsmålet: er en gearet servomotor den bedste mulighed for roterende bevægelsesteknologi, eller er der en bedre løsning?
I en perfekt verden ville et roterende servosystem have drejningsmoment og hastighedsklassificeringer, der matcher applikationen, så motoren hverken er overdimensioneret eller underdimensioneret. Kombinationen af motor, transmissionselementer og belastning skal have uendelig vridningsstivhed og nul slør. Desværre mangler den virkelige verden roterende servosystemer i varierende grad dette ideal.
I et typisk servosystem er tilbageslag defineret som tab af bevægelse mellem motoren og belastningen forårsaget af transmissionselementernes mekaniske tolerancer; dette inkluderer ethvert bevægelsestab i gearkasser, remme, kæder og koblinger. Når en maskine først tændes, vil lasten flyde et sted midt mellem de mekaniske tolerancer (Figur 1A).
Før selve lasten kan flyttes af motoren, skal motoren rotere for at optage al slæk, der findes i transmissionselementerne (Figur 1B). Når motoren begynder at decelerere ved slutningen af en bevægelse, kan belastningspositionen faktisk overhale motorpositionen, da momentum fører belastningen ud over motorpositionen.
Motoren skal igen tage sløret op i den modsatte retning, før der påføres drejningsmoment på belastningen for at bremse den (Figur 1C). Dette bevægelsestab kaldes tilbageslag og måles typisk i bueminutter, svarende til 1/60 af en grad. Gearkasser designet til brug med servoer i industrielle applikationer har ofte slørspecifikationer, der spænder fra 3 til 9 bueminutter.
Torsionsstivhed er modstanden mod vridning af motorakslen, transmissionselementerne og belastningen som reaktion på påføringen af drejningsmoment. Et uendeligt stift system ville overføre drejningsmoment til lasten uden vinkelafbøjning omkring rotationsaksen; selv en solid stålaksel vil dog vride sig lidt under hård belastning. Afbøjningens størrelse varierer med det påførte drejningsmoment, materialet af transmissionselementerne og deres form; intuitivt vil lange, tynde dele vride sig mere end korte, fede dele. Denne modstand mod vridning er det, der får spiralfjedre til at fungere, da komprimering af fjederen vrider hver omdrejning af wiren lidt; tykkere wire gør en stivere fjeder. Alt mindre end uendelig torsionsstivhed får systemet til at fungere som en fjeder, hvilket betyder, at potentiel energi vil blive lagret i systemet, når belastningen modstår rotation.
Når de kombineres sammen, kan begrænset vridningsstivhed og tilbageslag betydeligt forringe et servosystems ydeevne. Slæb kan medføre usikkerhed, da motorencoderen angiver positionen af motorens aksel, ikke hvor sløret har ladet belastningen falde til ro. Backlash introducerer også tuning problemer, da belastningen kobles til og fra motoren kortvarigt, når belastningen og motoren vender relativ retning. Ud over tilbageslag lagrer endelig torsionsstivhed energi ved at omdanne noget af motorens og belastningens kinetiske energi til potentiel energi og frigive den senere. Denne forsinkede energifrigivelse forårsager belastningsoscillation, inducerer resonans, reducerer maksimale brugbare tuning-forstærkninger og har en negativ indvirkning på servosystemets reaktionsevne og afviklingstid. I alle tilfælde vil reduktion af tilbageslag og øge stivheden af et system øge servoydelsen og forenkle tuning.
Roterende akse servomotor konfigurationer
Den mest almindelige roterende akse-konfiguration er en roterende servomotor med en indbygget encoder til positionsfeedback og en gearkasse, der matcher det tilgængelige drejningsmoment og hastigheden af motoren til det nødvendige drejningsmoment og hastigheden af belastningen. Gearkassen er en konstant effektanordning, der er den mekaniske analog af en transformer til belastningstilpasning.
En forbedret hardwarekonfiguration bruger en direkte drevet roterende servomotor, som eliminerer transmissionselementerne ved direkte at koble belastningen til motoren. Mens gearmotorkonfigurationen bruger en kobling til en aksel med relativt lille diameter, bolter det direkte drivsystem lasten direkte til en meget større rotorflange. Denne konfiguration eliminerer tilbageslag og øger vridningsstivheden markant. Det højere poltal og høje drejningsmomentviklinger af direkte drevne motorer matcher drejningsmoment og hastighedskarakteristika for en gearmotor med et forhold på 10:1 eller højere.
Indlægstid: 12-november 2021
