Η επιλογή ενός συστήματος σερβοκινητήρα για μια σχεδίαση μηχανής ξεκινά με την κατανόηση των εξαρτημάτων που συνθέτουν τον σερβοκινητήρα ή το σύστημα σερβοκινητήρα. Τα σερβο συστήματα είναι συστήματα κλειστού βρόχου που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο ορισμένων επιθυμητών κινήσεων. Περιλαμβάνουν μια συσκευή ανάδρασης που παρέχει σταθερές πληροφορίες μεταξύ του κινητήρα και του οδηγού για τον ακριβή έλεγχο της θέσης, της ταχύτητας και της ροπής του μηχανισμού που κινείται.
Πρόγραμμα οδήγησης σερβοκινητήρα DDR QXR υψηλής απόδοσης
Συνήθως, οι σερβοσχεδιασμοί είναι εξαιρετικά δυναμικά συστήματα που περιλαμβάνουν οδήγηση ενός φορτίου για γρήγορη επιτάχυνση και επιβράδυνση. Λειτουργούν σε τέσσερα τεταρτημόρια, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να ελέγξουν τη ροπή και την ταχύτητα, τόσο θετικά όσο και αρνητικά.
Η επιλογή που βασίζεται σε σερβομηχανισμό απαιτεί μια συστηματική λύση. Με άλλα λόγια, μια ολιστική προσέγγιση που λαμβάνει υπόψη τις συνολικές μηχανικές, ηλεκτρικές και προγραμματιστικές παραμέτρους. Το σύστημα περιλαμβάνει τον προσδιορισμό των μηχανικών φορτίων, των καμπυλών κίνησης (συμπεριλαμβανομένων των απαιτήσεων τοποθέτησης), των χαρακτηριστικών του σερβοκινητήρα και του περιβάλλοντος στο οποίο βρίσκονται ο κινητήρας και άλλα εξαρτήματα. Ειδικότερα, όταν ο κινητήρας λειτουργεί με σχεδόν σταθερή ταχύτητα, έχει αντίκτυπο στα τελικά προϊόντα, τα υλικά ή/και την ίδια τη διαδικασία.
Παράμετροι μηχανικού φορτίου και καμπύλης κίνησης
Ας ξεκινήσουμε με την κατανόηση του τι σημαίνει μηχανικό φορτίο και απαιτήσεις κίνησης. Η βασική νευτώνεια φυσική υποστηρίζει ότι η δύναμη (ή η ροπή προς την κατεύθυνση της περιστροφής) είναι ανάλογη με τη μάζα (περιστροφική αδράνεια) επί την επιτάχυνση, ανεξάρτητα από το αν η επιτάχυνση είναι θετική ή αρνητική. Στο πλαίσιο του σχεδιασμού κίνησης, η κατασκευή μηχανών έχει τη δική της ποιότητα και την ποιότητα του φορτίου που φέρει.
Επομένως, είναι σημαντικό να προσδιορίσετε τα μηχανικά μέρη - ειδικά την ποιότητα της κίνησης και την επιθυμητή καμπύλη κίνησης. Οι μέθοδοι για τη μετατροπή της περιστροφικής κίνησης σε γραμμική κίνηση ποικίλλουν ευρέως και επηρεάζονται από παράγοντες όπως η ακρίβεια, το φορτίο, η δυναμική κίνησης και το περιβάλλον.
Μόλις γίνει κατανοητός ο μηχανισμός που χρησιμοποιείται, η κατανόηση της δυναμικής κίνησης είναι σημαντική για τον προσδιορισμό της καλύτερης λύσης σερβοκινητήρα. Η καμπύλη κίνησης περιλαμβάνει όχι μόνο την κίνηση από το ένα σημείο στο άλλο, αλλά και τις λειτουργίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αυτήν την κίνηση, όπως η ώθηση που σχετίζεται με την κατεργασία των εξαρτημάτων. Η επιτάχυνση, η ομοιόμορφη και η επιβράδυνση, καθώς και οι χρόνοι παραμονής και παύσης, περιλαμβάνονται στη συνολική καμπύλη κίνησης του συστήματος. Οι κινήσεις ευρετηρίασης μπορεί να είναι απλή τριγωνική κίνηση, μεταβλητό τραπεζοειδές ή 1/3-1/3-1/3 (η πιο αποτελεσματική κίνηση που σχετίζεται με τη ροπή RMS).
Εργαλείο επιλογής και επιλογής συστήματος σερβομηχανισμού
Πολλοί προμηθευτές προσφέρουν εργαλεία επιλογής και επιλογής για να βοηθήσουν τους χρήστες να δημιουργήσουν προφίλ κίνησης με βάση τις απαιτήσεις κίνησης των εφαρμογών τους. Τα περισσότερα εργαλεία λογισμικού, όπως η πλατφόρμα Motioneering της Kollmorgen, παρέχουν μια ποικιλία περιγραφών κίνησης για να σας βοηθήσουν να υπολογίσετε την επιτάχυνση, τον χρόνο κίνησης, την απόσταση, την ταχύτητα και τον χρόνο παραμονής. Το σχήμα 1 δείχνει τη βασική καμπύλη 1/3-1/3-1/3, με επιτάχυνση 50 τοις εκατό που εισάγεται για εξομάλυνση της επιτάχυνσης. Σε αυτό το παράδειγμα, επιλέξαμε να μετακινήσουμε 8 ίντσες σε 1 δευτερόλεπτο και να χρησιμοποιήσουμε επιτάχυνση 50 τοις εκατό και χρόνο παραμονής 2 δευτερολέπτων. Το σύστημα υπολογίζει την κίνηση με όρους 1/3 χρόνου επιτάχυνσης, 1/3 σταθερής ταχύτητας και 1/3 επιβράδυνσης. Η μέγιστη ταχύτητα που υπολογίζεται από το εργαλείο είναι 720 in/min. Μπορείτε να δείτε το περίγραμμα της καμπύλης "S" (με βάση την επιτάχυνση 50 τοις εκατό). Επιπλέον, για αυτήν την κίνηση, μπορεί να φανεί ότι εφαρμόζεται ένα φορτίο ώθησης (κόκκινη γραμμή) στο εγκάρσιο τμήμα της κίνησης -- αυτή η καμπύλη κίνησης πιθανότατα υποβάλλεται σε μηχανική επεξεργασία. Ο χρόνος παραμονής μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως 3 δευτερόλεπτα. Το τμήμα παραμονής είναι σημαντικό επειδή όλες οι παράμετροι που σχετίζονται με αυτήν την καμπύλη θα χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό της ροπής RMS, η οποία θα είναι μια μέτρηση που χρησιμοποιούμε για να επιλέξουμε τον σωστό κινητήρα. Εκτός από τις καμπύλες κίνησης, είναι επίσης σημαντικό να κατανοήσουμε τις πραγματικές απαιτήσεις τοποθέτησης των φορτίων όσον αφορά την ανάλυση, την ακρίβεια και την επαναληψιμότητα. Αυτό θα επηρεαστεί άμεσα από την επιλογή των συσκευών ανάδρασης και (πιο σημαντικά) από την κενή ορμή των μηχανικών εξαρτημάτων με τη μορφή διάκενου και ευελιξίας.
Εκτός εάν ο σχεδιασμός μπορεί να χρησιμοποιήσει μια λύση κινητήρα άμεσης μετάδοσης κίνησης, θα περιλαμβάνει κάποιο είδος μηχανικής μετάδοσης. Η περιστρεφόμενη γραμμική μετάδοση ισχύος (μετατροπή της εξόδου ενός περιστρεφόμενου κινητήρα σε διαδρομή άξονα) μπορεί να επιτευχθεί με κίνηση τροχαλίας ή με μηχανισμούς που βασίζονται σε βίδες, όπως σφαιρικές βίδες. Η περιστροφική κίνηση περιλαμβάνει ένα κιβώτιο ταχυτήτων ή ένα συγκρότημα κίνησης ιμάντα έτσι ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν τροχαλίες διαφόρων μεγεθών ως επιβραδυντές. Σε ορισμένες εφαρμογές, τα μέρη που μετακινούνται συμβάλλουν σημαντικά στη συνολική μάζα κίνησης. Μια ειδική περίπτωση είναι η μάζα ενός άξονα μηχανής που πρέπει να μετακινηθεί για να αλλάξει -- όπως κατά τη διανομή ή την επεξεργασία ενός ρομποτικού συστήματος. Η διακύμανση του συνολικού φορτίου μπορεί να είναι ένας παράγοντας για τη ρύθμιση της μονάδας σερβομηχανισμού.
Τα εξαρτήματα σε κίνηση πρέπει να αθροίζουν την αδράνειά τους και να την ανακλούν πίσω στον άξονα του κινητήρα. Εκτός από την αδράνεια, πρέπει να ληφθούν υπόψη οι εξωτερικές δυνάμεις, η τριβή και η αναποτελεσματικότητα.
Περιβαλλοντικές εκτιμήσεις στον σερβοσχεδιασμό
Δεν έχει τελειώσει ακόμα. Κατά τον προσδιορισμό της σχεδίασης σερβομηχανισμού, μόνο ορισμένοι διαθέσιμοι μηχανισμοί μπορούν να παρέχουν οικονομικά και αποτελεσματικά την απαιτούμενη κίνηση, φέρουσα ικανότητα και ακρίβεια. Ένα θέμα που συχνά παραβλέπεται είναι το περιβάλλον στο οποίο λειτουργεί το σερβο σύστημα. Οι περισσότεροι σερβοκινητήρες αξιολογούνται ότι λειτουργούν στους 40 C - ένα πολύ ζεστό περιβάλλον, αλλά τυπικό σε πολλές εργοστασιακές και βιομηχανικές ρυθμίσεις.
Η αντίσταση στη θερμότητα των ηλεκτρονικών κινητήρων δεν είναι πολύ υψηλή και δεδομένου ότι είναι επίσης βαθμολογημένα στους 40 βαθμούς C, η διαχείριση της θερμοκρασίας περιβάλλοντος όπου λειτουργούν είναι μια πρόκληση. Συνήθως, απαιτείται εξαναγκασμένη ψύξη στον πίνακα ελέγχου για τη διατήρηση των κατάλληλων περιβαλλοντικών συνθηκών (θερμοκρασία και υγρασία). Επομένως, πρέπει να ληφθεί υπόψη η θέση του κινητήρα και του οδηγού. Φυσικά, ο κινητήρας μπορεί να εγκατασταθεί ή να ενσωματωθεί απευθείας στη συσκευή για να κινήσει τον μηχανισμό μεταφοράς φορτίου. Αντίθετα, η μονάδα δίσκου σε μια κεντρική λύση βρίσκεται σε έναν πίνακα ελέγχου -- συνήθως χρειάζεται ψύξη.
Οι κατασκευαστές ορίζουν τη μερική απόδοση του κινητήρα σύμφωνα με τις περιβαλλοντικές συνθήκες υπό τις οποίες λειτουργεί ο κινητήρας. Όπως σημειώθηκε παραπάνω, πολλοί σχεδιαστές υποθέτουν ότι ο κινητήρας είναι βαθμολογημένος για θερμοκρασία περιβάλλοντος 40 βαθμών C, αλλά περιστασιακά παρέχεται μια προδιαγραφή κινητήρα 25 βαθμών C. Επομένως, πρέπει να δίνεται προσοχή στις δημοσιευμένες τιμές αναφοράς κατά την αναθεώρηση των προδιαγραφών. Εάν η θερμοκρασία περιβάλλοντος του μηχανήματος υπερβαίνει την ονομαστική θερμοκρασία περιβάλλοντος, ο κινητήρας δεν θα φτάσει την ονομαστική ισχύ.
Άλλες περιβαλλοντικές συνθήκες μπορεί να επηρεάσουν τα χρώματα και τις στεγανοποιήσεις κινητήρα και άλλα μηχανικά υποεξαρτήματα. Η σκόνη, η βρωμιά, η υγρασία, το ξέπλυμα με ψεκασμό, οι απαιτήσεις υγιεινής, τα εκρηκτικά περιβάλλοντα, τα περιβάλλοντα κενού και η ακτινοβολία απαιτούν ειδικό σερβοκινητήρα με φυσικά χαρακτηριστικά προσαρμοσμένα στο τρέχον σκληρό περιβάλλον.
Διαδικασία επιλογής
Κατά τον προσδιορισμό της απαιτούμενης σύνθεσης κινητήρα/συστήματος μετάδοσης κίνησης, ένα μεγάλο μέρος της προσπάθειας πρώιμης επιλογής είναι μηχανικό και περιβαλλοντικό. Τώρα, όταν ο χρήστης επιλέγει το τελικό προϊόν, πρέπει να ληφθούν υπόψη τα υπόλοιπα στοιχεία του συστήματος που περιέχει το σύστημα. Μηχανικοί και περιβαλλοντικοί παράγοντες θα συνεχίσουν να επηρεάζουν τα στοιχεία ανάδρασης, την καλωδίωση και την τελική επιλογή αρχιτεκτονικής ελέγχου.
Θεωρήσεις ανατροφοδότησης και χαρακτηριστικά σερβοκινητήρα
Εξ ορισμού, τα σερβο συστήματα διαθέτουν συσκευές ανάδρασης που μετρούν την ταχύτητα, τη θέση και άλλες παραμέτρους του συστήματος κατά τη λειτουργία. Οι κατασκευαστές μπορεί να έχουν περιορισμένες επιλογές, αλλά είναι σημαντικό να εξετάζονται προσεκτικά συγκεκριμένες παραμέτρους εφαρμογής, συμπεριλαμβανομένου του φορτίου κρούσης και της ακρίβειας τοποθέτησης καθώς και της επαναληψιμότητας. Οι περιστροφικοί μετασχηματιστές έχουν συχνά εξαιρετική απόδοση σε σκληρά περιβάλλοντα, ειδικά για υψηλότερα φορτία κρούσης. Ένας περιστρεφόμενος μετασχηματιστής είναι ένας περιστρεφόμενος μετασχηματιστής που αποτελείται από ένα πηνίο περιέλιξης με μέρη στάτορα και ρότορα γύρω από τον πυρήνα. Αυτή η κατασκευή επιτρέπει τη λειτουργία υψηλότερης θερμοκρασίας και μεγαλύτερη ανοχή σε υψηλά φορτία κρούσης από τους κωδικοποιητές που μπορεί να περιέχουν στοιχεία γυάλινου δίσκου.
Οι ημιτονοειδείς κωδικοποιητές μπορούν να παρέχουν υψηλή ανάλυση, έως και 24 bit και άνω, για βέλτιστη ακρίβεια τοποθέτησης. Ορισμένοι υβριδικοί κωδικοποιητές μπορούν να παρέχουν τη στιβαρότητα ενός περιστρεφόμενου μετασχηματιστή με καλύτερη ανάλυση. Αυτοί οι έξυπνοι κωδικοποιητές βασίζονται σε περιστρεφόμενους μετασχηματιστές με ηλεκτρονικά εξαρτήματα που ερμηνεύουν σήματα ημιτονοειδούς και συνημιτονοειδούς και τα μετατρέπουν σε ψηφιακό σήμα υψηλής ανάλυσης που θα μεταβιβαστεί σε ένα πρόγραμμα οδήγησης σερβομηχανισμού για χρήση στην ανάδραση ταχύτητας και θέσης.
Επί του παρόντος, οι πιο πρόσφατοι κωδικοποιητές προσφέρουν μια ποικιλία πρωτοκόλλων επικοινωνίας (EnDAT, BiSS και DSL) και παρέχουν δυνατότητες υψηλής ανάλυσης και χαμηλού θορύβου που βοηθούν στην επίτευξη βέλτιστων σημάτων ανάδρασης σε προγράμματα οδήγησης και ελεγκτές σερβομηχανισμού.
Μια άλλη επιλογή ανατροφοδότησης που εξαρτάται από τις απαιτήσεις της εφαρμογής είναι αν θέλετε απόλυτη ή σταδιακή ανατροφοδότηση. Σε ένα περιστρεφόμενο σύστημα, μπορείτε να μετρήσετε από το 0 μόλις ολοκληρώσετε μια περιστροφή 360 μοιρών χρησιμοποιώντας μία μόνο περιστροφή του εξοπλισμού. Ο κωδικοποιητής απολύτων πολλαπλών στροφών επιτρέπει στο σύστημα να γνωρίζει τη θέση του, όχι μόνο τη θέση του κινητήρα σε περιστροφή 360 μοιρών, αλλά και τον αριθμό των στροφών που έχει ολοκληρώσει προς κάθε κατεύθυνση. Άρα ξέρει ακριβώς πού βρίσκεται. Είναι σημαντικό να το γνωρίζουμε αυτό και πού βρίσκονται τα εργαλεία και οι άλλοι άξονες. Οι απλοί επαυξητικοί κωδικοποιητές, από την άλλη πλευρά, μπορούν να καθορίσουν τη θέση σε μία μόνο περιστροφή, αλλά μόνο αφού βρουν το μηδέν στον κύκλο ενεργοποίησης. Ως αποτέλεσμα, ο χρήστης δεν θα γνωρίζει πόσοι κύκλοι έχουν ολοκληρωθεί ή ακόμη και την απόλυτη θέση
σε περιστροφή 360 μοιρών όταν είναι ενεργοποιημένο.
Εκτός από τον σερβοκινητήρα και τον ίδιο τον σερβοκινητήρα, η πραγματική σύνδεση μεταξύ των δύο είναι επίσης σημαντική. Η ευελιξία του καλωδίου (που ορίζεται από την επιτρεπόμενη ακτίνα κάμψης) είναι ένα σημαντικό στοιχείο, ειδικά όταν το καλώδιο κινείται με τον άξονα.
Το μήκος του καλωδίου μπορεί να περιορίζεται από τον τύπο του κωδικοποιητή που εξετάζεται. Οι παράμετροι του καλωδίου όπως η σύνθετη αντίσταση και η πτώση τάσης, σε συνδυασμό με την ισχύ του σήματος του κωδικοποιητή, είναι οι βασικοί παράγοντες για την εξέταση του μήκους. Ορισμένες από τις νεότερες συσκευές που προσφέρονται στην αγορά μεταδίδουν σειριακές πληροφορίες σε προγράμματα οδήγησης (όπως DSL, EnDat και BiSS) με πολύ υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης, οι οποίοι θα επηρεαστούν από το μήκος, ιδίως την αντίσταση και τον λόγο σήματος προς θόρυβο. Ακόμη και ο σύνδεσμος παίζει ρόλο στον βρόχο "ανάδρασης", καθώς ο σύνδεσμος πρέπει να επεξεργαστεί τα διάφορα σήματα που παράγονται από αυτές τις συσκευές. Ένας άλλος παράγοντας μήκους καλωδίου που σχετίζεται με την ισχύ του κινητήρα σχετίζεται με τις υψηλές συχνότητες μεταγωγής που εμπλέκονται στα σημερινά προγράμματα οδήγησης PWM. Υπάρχει θόρυβος στο καλώδιο τροφοδοσίας του κινητήρα. Όταν το καλώδιο γίνει μακρύτερο και πλησιάσει το μισό του μήκους κύματος συχνότητας στο καλώδιο, θα σχηματιστεί μια κεραία. Η κεραία θα στείλει ή θα λάβει πληροφορίες (στην περίπτωση αυτή δημιουργεί θόρυβο) που δεν θα πρέπει να υπάρχουν σε ένα σύστημα υψηλής απόδοσης.
Τελευταία παράμετρος: έλεγχος κίνησης και δίκτυο -- συγκεντρωμένο έναντι αποκεντρωμένο
Ένα τελευταίο στοιχείο που μπορεί να προκαλέσει διπλασιασμό της συνολικής διαδικασίας σχεδιασμού (και να αλλάξει άλλα καθορισμένα στοιχεία του σχεδιασμού) είναι η αρχιτεκτονική του συστήματος. Ο μηχανικός πρέπει να ρωτήσει: Πρέπει να εστιάσω σε ένα κεντρικό σύστημα ελέγχου με προγράμματα οδήγησης, ελεγκτές και υποστηρικτικά ηλεκτρονικά συσκευασμένα σε ένα κεντρικό ερμάριο ή είναι πιο κερδοφόρο και οικονομικό να διανέμω τα προγράμματα οδήγησης σε όλο το μηχάνημα (προσέγγιση κατανεμημένων συστημάτων); Ένα μηχάνημα με πολλούς άξονες, οι οποίοι μπορεί να είναι διάσπαρτοι σε όλο το μηχάνημα, θα ήταν ιδανικός υποψήφιος για μια κατανεμημένη λύση. Αυτή η μέθοδος μπορεί να μειώσει σημαντικά τις απαιτήσεις καλωδίων και να εξοικονομήσει κόστος που σχετίζεται με την καλωδίωση μακριών καλωδίων και τις υποδοχές και τα στηρίγματα καλωδίων που συνοδεύουν αυτά τα καλώδια. Επιπλέον, η μετακίνηση του οδηγού έξω από το μηχάνημα μειώνει το μέγεθος του ντουλαπιού που απαιτείται για τη στέγαση των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων ελέγχου και υποστήριξης, μειώνοντας και πάλι το κόστος και τις απαιτήσεις ψύξης εντός του ντουλαπιού. Από την άλλη πλευρά, τα μηχανήματα που είναι συμπαγή και έχουν λιγότερους άξονες δεν θα επωφεληθούν από ένα παραδοσιακό
κεντρική προσέγγιση.
συμπέρασμα
Υπάρχουν πολλά πράγματα που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά την επιλογή ενός σερβο συστήματος για μια εφαρμογή, πολλά από τα οποία έχουν περιγραφεί σε αυτό το άρθρο. Μια άλλη επιλογή που επηρεάζει την επιλογή των στοιχείων ελέγχει το σύστημα. Ο τύπος ελέγχου καθορίζεται συνήθως σε πρώιμο στάδιο στις συζητήσεις σχεδιασμού μηχανών και εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, ενώ η επιλογή ελέγχου συνήθως κλειδώνει την επιλογή των προτύπων επικοινωνίας fieldbus.