Otseülekanne vs. hammasrattaga pöörlev servomootor: disainieelise kvantifitseerimine: 1. osa

Õpieesmärgid

• Reaalses maailmas kasutatavad pöörlevad servosüsteemid ei saavuta ideaalset jõudlust tehniliste piirangute tõttu.
• Kasutajatele eeliseid pakuvad mitut tüüpi pöörlevad servomootorid, kuid igal neist on omad väljakutsed või piirangud.
• Otseülekandega pöörlevad servomootorid pakuvad parimat jõudlust, kuid need on kallimad kui reduktormootorid.

Aastakümneid on käigukastiga servomootorid olnud tööstusautomaatika tööriistakastis ühed levinumad tööriistad. Käigukastiga servomootorid pakuvad positsioneerimise, kiiruse sobitamise, elektroonilise nukkvõlli, mähise, pingutuse ja karmistamise rakendusi ning sobitavad servomootori võimsuse tõhusalt koormusega. See tõstatab küsimuse: kas käigukastiga servomootor on pöördliikumise tehnoloogia jaoks parim valik või on olemas parem lahendus?

Ideaalses maailmas peaksid pöörleva servosüsteemi pöördemomendi ja kiiruse nimiväärtused vastama rakendusele, nii et mootor ei oleks ei üle- ega aladimensioneeritud. Mootori, ülekandeelementide ja koormuse kombinatsioonil peaks olema lõpmatu väändejäikus ja null lõtku. Kahjuks jäävad reaalse maailma pöörlevad servosüsteemid sellest ideaalist erineval määral maha.

Tüüpilises servosüsteemis defineeritakse lõtku kui liikumiskadu mootori ja koormuse vahel, mis on põhjustatud ülekandeelementide mehaanilistest tolerantsidest; see hõlmab igasugust liikumiskadu käigukastides, rihmades, kettides ja haakeseadistes. Masina esmakordsel sisselülitamisel jääb koormus kuskile mehaaniliste tolerantside keskele (joonis 1A).

Enne kui mootor koormat ennast liigutama saab, peab mootor pöörlema, et ülekandeelementides olev lõtk kompenseerida (joonis 1B). Kui mootor hakkab liikumise lõpus aeglustuma, võib koorma asend tegelikult mootori asukohast ette jõuda, kuna hoog kannab koormat mootori asukohast kaugemale.

Enne koormusele pöördemomendi rakendamist selle aeglustamiseks peab mootor lõtku vastassuunas uuesti üle võtma (joonis 1C). Seda liikumiskaotust nimetatakse lõtkuks ja seda mõõdetakse tavaliselt kaareminutites, mis on võrdne 1/60 kraadiga. Tööstuslikes rakendustes servomootoritega kasutamiseks mõeldud käigukastidel on lõtkuspetsifikatsioonid sageli vahemikus 3 kuni 9 kaareminutit.

Väändjäikus on mootori võlli, ülekandeelementide ja koormuse vastupanu keerdumisele pöördemomendi rakendamisel. Lõpmatult jäik süsteem edastaks pöördemomenti koormusele ilma pöörlemistelje ümber nurkläbipaindeta; aga isegi tahke terasest võll väändub suure koormuse all veidi. Läbipainde suurus varieerub sõltuvalt rakendatavast pöördemomendist, ülekandeelementide materjalist ja nende kujust; intuitiivselt väänduvad pikad ja õhukesed osad rohkem kui lühikesed ja paksud. See väändumistakistus paneb vedrud tööle, kuna vedru kokkusurumine väänab traadi iga pööret veidi; paksema traadi vedru on jäigem. Kõik, mis on väiksem kui lõpmatu väändjäikus, paneb süsteemi toimima vedruna, mis tähendab, et potentsiaalne energia salvestub süsteemis, kuna koormus takistab pöörlemist.

Koosmõjul võivad lõplik väändejäikus ja tagasilöök oluliselt halvendada servosüsteemi jõudlust. Tagasilöök võib tekitada ebakindlust, kuna mootori enkooder näitab mootori võlli asendit, mitte kohta, kus tagasilöök on võimaldanud koormusel settida. Tagasilöök tekitab ka häälestamisprobleeme, kuna koormus ühendub mootoriga ja eraldub sellest lühikeseks ajaks, kui koormus ja mootor vahetavad oma suunda. Lisaks tagasilöögile salvestab lõplik väändejäikus energiat, muutes osa mootori ja koormuse kineetilisest energiast potentsiaalseks energiaks ja vabastades selle hiljem. See hilinenud energia vabanemine põhjustab koormuse võnkumist, tekitab resonantsi, vähendab maksimaalset kasutatavat häälestamisvõimendust ning mõjutab negatiivselt servosüsteemi reageerimisvõimet ja stabiliseerumisaega. Kõigil juhtudel suurendab tagasilöögi vähendamine ja süsteemi jäikuse suurendamine servo jõudlust ja lihtsustab häälestamist.

Pöördtelje servomootori konfiguratsioonid

Kõige levinum pöördtelje konfiguratsioon on pöörlev servomootor, millel on sisseehitatud enkooder positsiooni tagasiside jaoks ja käigukast, mis sobitab mootori saadaoleva pöördemomendi ja kiiruse koormuse vajaliku pöördemomendi ja kiirusega. Käigukast on konstantse võimsusega seade, mis on koormuse sobitamiseks mõeldud trafo mehaaniline analoog.

Täiustatud riistvarakonfiguratsioon kasutab otseülekandega pöörlevat servomootorit, mis välistab ülekandeelemendid, ühendades koormuse otse mootoriga. Kui reduktormootori konfiguratsioon kasutab sidet suhteliselt väikese läbimõõduga võlliga, siis otseülekandesüsteem poltidega kinnitab koormuse otse palju suurema rootori ääriku külge. See konfiguratsioon välistab lõtku ja suurendab oluliselt väändejäikust. Otseülekandemootorite suurem pooluste arv ja suure pöördemomendiga mähised vastavad reduktormootori pöördemomendi ja kiiruse omadustele suhtega 10:1 või rohkem.