Direkte aandrywing teenoor ratgedrewe roterende servomotor: 'n Kwantifisering van ontwerpvoordeel: Deel 1

Leerdoelwitte

• Werklike roterende servostelsels skiet tekort aan die ideale prestasie as gevolg van tegniese beperkings.
• Verskeie tipes roterende servomotors kan voordele vir gebruikers bied, maar elkeen het 'n spesifieke uitdaging of beperking.
• Direkte-aangedrewe roterende servomotors bied die beste werkverrigting, maar hulle is duurder as ratmotors.

Vir dekades was ratmotors een van die mees algemene gereedskap in die industriële outomatiseringsgereedskapskis. Ratmotors bied posisionering, snelheidsaanpassing, elektroniese nokspanning, wikkeling, spanning en vasdraai-toepassings en pas die krag van 'n servomotor doeltreffend by die las aan. Dit laat die vraag ontstaan: is 'n ratmotor die beste opsie vir roterende bewegingstegnologie, of is daar 'n beter oplossing?

In 'n perfekte wêreld sou 'n roterende servostelsel wringkrag- en spoedgraderings hê wat by die toepassing pas, sodat die motor nie oorgroot of ondergroot is nie. Die kombinasie van motor, transmissie-elemente en las moet oneindige torsiestyfheid en geen terugslag hê nie. Ongelukkig skiet werklike roterende servostelsels in verskillende mate tekort aan hierdie ideaal.

In 'n tipiese servostelsel word speling gedefinieer as die verlies aan beweging tussen die motor en die las wat veroorsaak word deur die meganiese toleransies van die transmissie-elemente; dit sluit enige bewegingsverlies in ratkaste, bande, kettings en koppelings in. Wanneer 'n masjien aanvanklik aangeskakel word, sal die las iewers in die middel van die meganiese toleransies dryf (Figuur 1A).

Voordat die las self deur die motor beweeg kan word, moet die motor draai om alle speling in die transmissie-elemente op te neem (Figuur 1B). Wanneer die motor aan die einde van 'n beweging begin vertraag, kan die lasposisie eintlik die motorposisie verbysteek namate momentum die las verby die motorposisie dra.

Die motor moet weer die speling in die teenoorgestelde rigting opneem voordat wringkrag op die las toegepas word om dit te vertraag (Figuur 1C). Hierdie bewegingsverlies word speling genoem en word tipies gemeet in boogminute, gelyk aan 1/60ste van 'n graad. Ratkaste wat ontwerp is vir gebruik met servo's in industriële toepassings, het dikwels spelingspesifikasies wat wissel van 3 tot 9 boogminute.

Torsiestyfheid is die weerstand teen draaiing van die motoras, transmissie-elemente en die las in reaksie op die toepassing van wringkrag. 'n Oneindig stywe stelsel sal wringkrag na die las oordra sonder hoekige defleksie om die rotasie-as; selfs 'n soliede staalas sal egter effens draai onder swaar las. Die grootte van die defleksie wissel met die toegepaste wringkrag, die materiaal van die transmissie-elemente en hul vorm; intuïtief sal lang, dun dele meer draai as kort, dik dele. Hierdie weerstand teen draaiing is wat spiraalvere laat werk, aangesien die saampersing van die veer elke draai van die draad effens draai; dikker draad maak 'n stywer veer. Enigiets minder as oneindige torsiestyfheid veroorsaak dat die stelsel as 'n veer optree, wat beteken dat potensiële energie in die stelsel gestoor sal word namate die las rotasie weerstaan.

Wanneer dit saam gekombineer word, kan eindige torsiestyfheid en speling die werkverrigting van 'n servostelsel aansienlik verlaag. Speling kan onsekerheid veroorsaak, aangesien die motorkodeerder die posisie van die motor se as aandui, nie waar die speling die las toegelaat het om te vestig nie. Speling veroorsaak ook afstemprobleme aangesien die las kortliks van die motor koppel en ontkoppel wanneer die las en motor relatiewe rigting omkeer. Benewens speling, stoor eindige torsiestyfheid energie deur van die kinetiese energie van die motor en las in potensiële energie om te skakel, wat dit later vrygestel word. Hierdie vertraagde energievrystelling veroorsaak las-ossillasie, veroorsaak resonansie, verminder maksimum bruikbare afstemwinste en beïnvloed die responsiwiteit en vestigingstyd van die servostelsel negatief. In alle gevalle sal die vermindering van speling en die verhoging van die styfheid van 'n stelsel die servowerkverrigting verhoog en afstemning vereenvoudig.

Roterende as servomotor konfigurasies

Die mees algemene roterende as-konfigurasie is 'n roterende servomotor met 'n ingeboude kodeerder vir posisieterugvoer en 'n ratkas om die beskikbare wringkrag en spoed van die motor by die vereiste wringkrag en spoed van die las aan te pas. Die ratkas is 'n konstante kragtoestel wat die meganiese analoog van 'n transformator vir lasaanpassing is.

'n Verbeterde hardeware-konfigurasie gebruik 'n direkte-aangedrewe roterende servomotor, wat die transmissie-elemente uitskakel deur die las direk aan die motor te koppel. Terwyl die ratmotor-konfigurasie 'n koppeling aan 'n relatief klein deursnee-as gebruik, bou die direkte-aandrywingstelsel die las direk aan 'n veel groter rotorflens vas. Hierdie konfigurasie elimineer speling en verhoog torsiestyfheid aansienlik. Die hoër pooltelling en hoë wringkragwikkelings van direkte-aandrywingsmotors stem ooreen met die wringkrag- en spoedeienskappe van 'n ratmotor met 'n verhouding van 10:1 of hoër.