Otseajam vs. käigukastiga pöörlev servomootor: disainieelise kvantifitseerimine: 1. osa

Õppeeesmärgid

• Reaalmaailma pöörlevad servosüsteemid jäävad tehniliste piirangute tõttu ideaalsest jõudlusest alla.
• Mitut tüüpi pöörlevad servomootorid võivad kasutajatele kasu tuua, kuid igaühel neist on konkreetne väljakutse või piirangud.
• Otseajamiga pöörlevad servomootorid pakuvad parimat jõudlust, kuid need on kallimad kui reduktormootorid.

Aastakümneid on käigukastiga servomootorid olnud üks levinumaid tööriistu tööstusautomaatika tööriistakastis. Käigukastiga sevromootorid pakuvad positsioneerimist, kiiruse sobitamist, elektroonilist nukkimist, mähkimist, pingutamist, pingutamist ja sobitavad tõhusalt servomootori võimsust koormusega. See tõstatab küsimuse: kas käigukastiga servomootor on pöörleva liikumise tehnoloogia jaoks parim valik või on mõni parem lahendus?

Täiuslikus maailmas oleks pöörleva servosüsteemi pöördemomendi ja kiiruse väärtused, mis vastavad rakendusele, nii et mootor pole ei liiga suur ega alamõõduline. Mootori, jõuülekande elementide ja koormuse kombinatsioonil peaks olema lõpmatu väändejäikus ja null tagasilöök. Kahjuks jäävad reaalse maailma pöörlevad servosüsteemid sellele ideaalile erineval määral alla.

Tüüpilises servosüsteemis on lõtk defineeritud kui liikumise kadu mootori ja koormuse vahel, mis on põhjustatud ülekandeelementide mehaanilistest tolerantsidest; see hõlmab mis tahes liikumiskadu käigukastides, rihmades, kettides ja haakeseadistes. Kui masin on algselt sisse lülitatud, ujub koormus kuskil mehaaniliste tolerantside keskel (joonis 1A).

Enne kui mootor saab koormat ennast liigutada, peab mootor pöörlema, et täita kõik jõuülekandeelementides olevad lõtkud (joonis 1B). Kui mootor hakkab käigu lõpus aeglustuma, võib koormuse asend mootori asendist tegelikult mööduda, kuna hoog kannab koormuse mootori asendist kaugemale.

Mootor peab enne koormuse pidurdamiseks pöördemomendi rakendamist vastupidises suunas uuesti lõtvuma (joonis 1C). Seda liikumise kadu nimetatakse tagasilöögiks ja seda mõõdetakse tavaliselt kaareminutites, mis on võrdne 1/60 kraadiga. Tööstuslikes rakendustes koos servodega kasutamiseks mõeldud käigukastide lõtku spetsifikatsioonid on sageli vahemikus 3 kuni 9 kaareminutit.

Väändejäikus on vastupidavus mootori võlli, ülekandeelementide ja pöördemomendi rakenduva koormuse keerdumisele. Lõpmatult jäik süsteem edastaks pöördemomendi koormusele ilma nurkläbipaindeta ümber pöörlemistelje; aga isegi tugev terasvõll väändub tugeva koormuse korral veidi. Läbipainde suurus sõltub rakendatud pöördemomendist, ülekandeelementide materjalist ja nende kujust; intuitiivselt väänavad pikad õhukesed osad rohkem kui lühikesed paksud. See vastupidavus keerdumisele paneb vedrud tööle, kuna vedru kokkusurumine keerab traadi iga pööret kergelt; jämedam traat teeb jäigema vedru. Kõik, mis on väiksem kui lõpmatu väändejäikus, paneb süsteemi toimima vedruna, mis tähendab, et potentsiaalne energia salvestatakse süsteemi, kui koormus takistab pöörlemist.

Piiratud väändejäikus ja lõtk võivad koos kombineerituna servosüsteemi jõudlust oluliselt halvendada. Lõtk võib põhjustada ebakindlust, kuna mootori kooder näitab mootori võlli asendit, mitte seda, kus lõtk on lasknud koormusel settida. Tagasilöök toob kaasa ka häälestamise probleemid, kuna koormus ühendub ja eraldub hetkeks mootorist, kui koormus ja mootor pööravad oma suhtelist suunda. Lisaks tagasilöögile salvestab lõplik väändejäikus energiat, muutes osa mootori ja koormuse kineetilisest energiast potentsiaalseks energiaks, vabastades selle hiljem. See viivitatud energia vabanemine põhjustab koormuse võnkumisi, kutsub esile resonantsi, vähendab maksimaalset kasutatavat häälestusvõimendust ja mõjutab negatiivselt servosüsteemi reageerimisvõimet ja settimisaega. Igal juhul suurendab tagasilööke vähendamine ja süsteemi jäikuse suurendamine servo jõudlust ja lihtsustab häälestamist.

Pöördtelje servomootori konfiguratsioonid

Levinuim pöördtelje konfiguratsioon on pöörleva servomootor, millel on sisseehitatud asendi tagasiside andmiseks mõeldud koder ja käigukast, mis sobitab mootori saadaoleva pöördemomendi ja kiiruse vajaliku pöördemomendi ja koormuse kiirusega. Käigukast on pideva võimsusega seade, mis on koormuse sobitamiseks trafo mehaaniline analoog.

Täiustatud riistvarakonfiguratsioon kasutab otseajamiga pöörlevat servomootorit, mis kõrvaldab ülekandeelemendid, ühendades koormuse otse mootoriga. Kui reduktormootori konfiguratsioonis kasutatakse sidurit suhteliselt väikese läbimõõduga võlliga, siis otseajam poltidega kinnitab koormuse otse palju suurema rootori ääriku külge. See konfiguratsioon välistab tagasilöögi ja suurendab oluliselt väände jäikust. Otseajamiga mootorite suurem pooluste arv ja suure pöördemomendi mähised vastavad 10:1 või suurema käigukasti mootori pöördemomendi ja kiiruse omadustele.