Å velge et servomotorsystem for en maskindesign begynner med å forstå komponentene som utgjør servomotoren eller servodrivsystemet. Servosystemer er lukkede sløyfesystemer som brukes til å kontrollere visse ønskede bevegelser. De inkluderer en tilbakemeldingsenhet som gir konstant informasjon mellom motoren og føreren for nøyaktig å kontrollere posisjonen, hastigheten og dreiemomentet til mekanismen som drives.
QXR Høy ytelse DDR motor servodriver
Vanligvis er servodesign svært dynamiske systemer som involverer kjøring av en last for å akselerere og bremse raskt. De opererer i fire kvadranter, noe som betyr at de kan kontrollere dreiemoment og hastighet, både positivt og negativt.
Servodrevet utvalg krever en systematisk løsning. Med andre ord, en helhetlig tilnærming som tar i betraktning overordnede mekaniske, elektriske og programmeringsparametre. Systemet inkluderer å bestemme mekaniske belastninger, bevegelseskurver (inkludert posisjoneringskrav), servomotoregenskaper og miljøet der motoren og andre komponenter er plassert; Spesielt når motoren går med nesten konstant hastighet, har det innvirkning på ferdige produkter, materialer og/eller selve prosessen.
Parametere for mekanisk belastning og bevegelseskurve
La oss starte med å forstå hva krav til mekanisk belastning og bevegelse betyr. Grunnleggende newtonsk fysikk hevder at kraft (eller dreiemoment i rotasjonsretningen) er proporsjonal med masse (rotasjonstreghet) ganger akselerasjon, uavhengig av om akselerasjonen er positiv eller negativ. I sammenheng med bevegelsesdesign har maskinkonstruksjon sin egen kvalitet og kvaliteten på lasten den bærer.
Derfor er det viktig å bestemme de mekaniske delene – spesielt kvaliteten på bevegelsen og ønsket bevegelseskurve. Metoder for å konvertere rotasjonsbevegelse til lineær bevegelse varierer mye og påvirkes av faktorer som nøyaktighet, belastning, bevegelsesdynamikk og miljø.
Når mekanismen som brukes er forstått, er det viktig å forstå bevegelsesdynamikken for å finne den beste servomotorløsningen. Bevegelseskurven inkluderer ikke bare bevegelsen fra ett punkt til et annet, men også funksjonene som kan brukes i den bevegelsen, for eksempel skyvekraften knyttet til maskineringen av delene. Akselerasjon, uniform og retardasjon, samt oppholds- og pausetider, er alle inkludert i systemets samlede bevegelseskurve. Indekseringsbevegelser kan være enkle trekantbevegelser, variabel trapes eller 1/3-1/3-1/3 (den mest effektive bevegelsen assosiert med RMS-moment).
Servosystemvalg og valgverktøy
Mange leverandører tilbyr valg- og utvalgsverktøy for å hjelpe brukere med å bygge bevegelsesprofiler basert på bevegelseskravene til applikasjonene deres. De fleste programvareverktøy, som Kollmorgens Motioneering-plattform, gir en rekke bevegelsesbeskrivelser for å hjelpe deg med å beregne akselerasjon, bevegelsestid, distanse, hastighet og oppholdstid. Figur 1 viser den grunnleggende 1/3-1/3-1/3-kurven, med en 50 prosent akselerasjon innført for å jevne ut akselerasjonen. I dette eksemplet valgte vi å bevege oss 8 tommer på 1 sekund og bruke 50 prosent akselerasjon og 2 sekunders hviletid. Systemet beregner bevegelse i form av 1/3 akselerasjonstid, 1/3 konstant hastighet og 1/3 retardasjon. Maksimal hastighet beregnet av verktøyet er 720in/min. Du kan se "S"-kurveomrisset (basert på 50 prosent akselerasjon). I tillegg, for denne bevegelsen, kan det sees at en skyvelast (rød linje) påføres den tverrgående delen av bevegelsen -- denne bevegelseskurven blir sannsynligvis maskinert. Dveletid kan også sees på som 3 sekunder. Dwell-delen er viktig fordi alle parameterne knyttet til denne kurven vil bli brukt til å beregne RMS-momentet, som vil være en metrikk vi bruker for å velge riktig motor. I tillegg til bevegelseskurver er det også viktig å forstå de faktiske posisjoneringskravene til laster når det gjelder oppløsning, nøyaktighet og repeterbarhet. Dette vil bli direkte påvirket av valget av tilbakemeldingsenheter og (mer betydelig) av det tomme momentumet til mekaniske beslag i form av klaring og fleksibilitet.
Med mindre designet kan bruke en direktedrevet motorløsning, vil den inkludere en eller annen type mekanisk girkasse. Roterende lineær kraftoverføring (konvertering av utgangen fra en roterende motor til akselbevegelse) kan oppnås ved remskivedrift, eller ved skruebaserte mekanismer, for eksempel kuleskruer. Rotasjonsdrevet inkluderer en girkasse eller remdrift slik at trinser av forskjellige størrelser kan brukes som retardere. I noen applikasjoner bidrar delene som flyttes betydelig til den totale bevegelsesmassen. Et spesielt tilfelle er massen til en maskinaksel som må flyttes for å endre --, for eksempel ved distribusjon eller prosessering av et robotsystem. Den totale lastvariasjonen kan være en faktor for justering av servodrevet.
Komponenter i bevegelse må summere sin treghet og reflektere den tilbake til motorakselen. I tillegg til treghet må ytre krefter, friksjon og ineffektivitet vurderes.
Miljøhensyn ved servodesign
Det er ikke over ennå. Når du bestemmer servodesignet, kan bare visse tilgjengelige mekanismer økonomisk og effektivt gi den nødvendige bevegelsen, bæreevnen og nøyaktigheten. Et hensyn som ofte blir oversett er miljøet som servosystemet opererer i. De fleste servomotorer er vurdert til å fungere ved 40C - et veldig varmt miljø, men typisk i mange fabrikk- og industriinnstillinger.
Varmemotstanden til kjøreelektronikken er ikke særlig høy, og siden de også er vurdert til 40 grader C, er det en utfordring å håndtere omgivelsestemperaturen der de opererer. Vanligvis kreves tvungen kjøling i styreskapet for å opprettholde riktige miljøforhold (temperatur og fuktighet). Derfor må plasseringen av motor og driver vurderes. Selvfølgelig kan motoren installeres eller integreres direkte i enheten for å drive den lastbærende mekanismen. I motsetning til dette er stasjonen i en sentralisert løsning plassert i et styreskap -- det må vanligvis avkjøles.
Produsenter definerer delvis motorytelse i henhold til miljøforholdene som motoren fungerer under. Som nevnt ovenfor, antar mange designere at motoren er klassifisert for en omgivelsestemperatur på 40 grader C, men noen ganger er det gitt en motorspesifikasjon på 25 grader C. Derfor bør det tas hensyn til de publiserte referanseverdiene ved gjennomgang av spesifikasjoner. Hvis omgivelsestemperaturen til maskinen overstiger den nominelle omgivelsestemperaturen, vil ikke motoren nå merkeeffekten.
Andre miljøforhold kan påvirke motormaling og tetninger og andre mekaniske underkomponenter. Støv, smuss, fuktighet, sprayskylling, hygienekrav, eksplosive miljøer, vakuummiljøer og stråling krever alle en spesiell servomotor med fysiske egenskaper skreddersydd for det nåværende tøffe miljøet.
Utvelgelsesprosess
Ved å bestemme den nødvendige sammensetningen av motor/drivsystem er en stor del av den tidlige seleksjonsinnsatsen mekanisk og miljømessig. Nå, når brukeren velger det endelige produktet, må de resterende systemkomponentene som systemet inneholder vurderes. Mekaniske og miljømessige faktorer vil fortsette å påvirke tilbakemeldingselementer, kabling og det ultimate valget av kontrollarkitektur.
Tilbakemeldingshensyn og servomotoregenskaper
Per definisjon har servosystemer tilbakemeldingsenheter som måler hastighet, posisjon og andre systemparametere under drift. Produsenter kan ha begrensede muligheter, men det er viktig å nøye vurdere spesifikke applikasjonsparametere, inkludert slagbelastning og posisjoneringsnøyaktighet samt repeterbarhet. Roterende transformatorer har ofte utmerket ytelse i tøffe miljøer, spesielt for høyere støtbelastninger. En roterende transformator er en roterende transformator som består av en viklingsspole med stator- og rotordeler rundt kjernen. Denne konstruksjonen tillater drift med høyere temperatur og større toleranse for høye støtbelastninger enn kodere som kan inneholde glassplateelementer.
Sinusformede kodere kan gi høy oppløsning, opptil 24 biter og mer, for optimal posisjoneringsnøyaktighet. Noen hybridkodere kan gi robustheten til en roterende transformator med bedre oppløsning. Disse smarte koderne er basert på roterende transformatorer med elektroniske komponenter som tolker sinus- og cosinussignaler og konverterer dem til et høyoppløselig digitalt signal som sendes videre til en servodriver for bruk i hastighets- og posisjonsfeedback.
For øyeblikket tilbyr de nyeste koderne en rekke kommunikasjonsprotokoller (EnDAT, BiSS og DSL) og gir høy oppløsning og lav støyfunksjoner for å bidra til å oppnå optimale tilbakemeldingssignaler til servodrivere og kontrollere.
Et annet tilbakemeldingsvalg som avhenger av søknadskravene er om du ønsker absolutt eller inkrementell tilbakemelding. I et roterende system kan du telle fra 0 når du har fullført en 360 graders rotasjon ved hjelp av en enkelt sving med utstyr. Multiturn absolutt encoder lar systemet vite sin posisjon, ikke bare posisjonen til motoren i en 360 graders rotasjon, men også antall omdreininger den har fullført i hver retning. Så den vet nøyaktig hvor den er. Det er viktig å vite dette og hvor verktøyene og andre akser befinner seg. Enkle inkrementelle kodere, derimot, kan bestemme posisjonen i en enkelt rotasjon, men først etter å ha funnet null i oppstartssyklusen. Som et resultat vil brukeren ikke vite hvor mange sykluser som er fullført eller til og med den absolutte posisjonen
i en 360 graders rotasjon når den er slått på.
I tillegg til servomotoren og selve servodriveren er også selve forbindelsen mellom de to viktig. Kabelfleksibilitet (definert av dens tillatte bøyeradius) er en viktig faktor, spesielt når kabelen beveger seg med akselen.
Kabellengden kan være begrenset av typen koder som vurderes. Kabelparametere som impedans og spenningsfall, kombinert med signalstyrken til koderen, er nøkkelfaktorene i lengden. Noen av de nyere enhetene som tilbys på markedet overfører seriell informasjon til drivere (som DSL, EnDat og BiSS) med svært høye overføringshastigheter, som vil bli påvirket av lengde, spesielt impedans og signal-til-støy-forhold. Til og med kontakten spiller en rolle i "feedback"-sløyfen, da kontakten trenger å behandle de forskjellige signalene som genereres fra disse enhetene. En annen kabellengdefaktor relatert til motorkraft er relatert til de høye svitsjefrekvensene som er involvert i dagens PWM-drivere. Det er støy i strømledningen til motoren. Når kabelen blir lengre og nærmer seg halvparten av frekvensbølgelengden på kabelen, vil det dannes en antenne. Antennen vil sende eller motta informasjon (i dette tilfellet genererer støy) som ikke bør være tilstede i et høyytelsessystem.
Siste parameter: bevegelseskontroll og nettverk -- sentralisert versus desentralisert
En siste vurdering som kan forårsake duplisering av den generelle designprosessen (og endre andre spesifiserte komponenter i designet) er systemarkitekturen. Ingeniøren må spørre: Bør jeg fokusere på et sentralisert kontrollsystem med drivere, kontrollere og støtteelektronikk pakket i et sentralisert kabinett, eller er det mer lønnsomt og kostnadseffektivt å distribuere driverne på tvers av maskinen (en distribuert systemtilnærming)? En maskin med flere akser, som kan være spredt utover maskinen, vil være en ideell kandidat for en distribuert løsning. Denne metoden kan redusere kabelkravene betydelig og spare kostnader forbundet med kabling av lange kabler og kabelsporene og støttene som følger med disse kablene. I tillegg reduserer det å flytte driveren ut av maskinen størrelsen på kabinettet som kreves for å huse kontroll- og støtte elektroniske komponenter, noe som igjen reduserer kostnadene og kjølekravene i kabinettet. På den annen side vil ikke maskiner som er kompakte og har færre aksler tjene på en tradisjonell
sentralisert tilnærming.
konklusjon
Det er mange ting som må vurderes når du velger et servosystem for en applikasjon, mange av dem er beskrevet i denne artikkelen. Et annet valg som påvirker utvalget av komponenter styrer systemet. Kontrolltypen spesifiseres vanligvis på et tidlig stadium i diskusjoner om maskindesign og avhenger av en rekke faktorer, mens kontrollvalget vanligvis låser valget av feltbusskommunikasjonsstandarder.