Direct Drive vs. Geared Rotary Servomotor: A Quantification of Design Advantage: Del 1

Inlärningsmål

• Rotary Servosystem i verkligheten undviker den ideala prestanda på grund av tekniska begränsningar.
• Flera typer av roterande servomotorer kan ge fördelar för användare, men var och en har en specifik utmaning eller begränsning.
• Direct Drive Rotary Servomotors erbjuder bästa prestanda, men de är dyrare än växelmotorer.

I decennier har växlade servomotorer varit ett av de vanligaste verktygen i den industriella automatiseringsverktygslådan. Geade sevromotors erbjuder positionering, hastighetsmatchning, elektronisk camming, lindning, spänning, skärpning av applikationer och matchar effektivt en servomotors kraft. Detta väcker frågan: Är en växell serviceproduktion för rotationsrörelseteknologi, eller finns det en bättre lösning?

I en perfekt värld skulle ett roterande servosystem ha vridmoment och hastighetsgraderingar som matchar applikationen så att motorn varken är överdimensionerad eller underdimensionerad. Kombinationen av motor, transmissionselement och belastning bör ha oändlig vridstyvhet och noll motreaktion. Tyvärr faller Rotary Servosystem i verkliga världen under detta ideal i varierande grad.

I ett typiskt servosystem definieras motreaktion som förlust av rörelse mellan motorn och belastningen orsakad av de mekaniska toleranserna för transmissionselementen; Detta inkluderar all rörelseförlust i växellådor, bälten, kedjor och kopplingar. När en maskin initialt startas, kommer lasten att flyta någonstans mitt i de mekaniska toleranserna (figur 1A).

Innan själva belastningen kan flyttas av motorn måste motorn rotera för att ta upp allt slack som finns i transmissionselementen (figur 1B). När motorn börjar bromsa i slutet av ett drag, kan lastläget faktiskt överträffa motorläget när momentumet bär lasten bortom motorläget.

Motorn måste igen ta upp slacken i motsatt riktning innan den applicerar vridmoment på lasten för att bromsa den (figur 1C). Denna förlust av rörelse kallas motreaktion och mäts vanligtvis i bågminute, lika med 1/60 grad. Växellådor som är utformade för användning med servon i industriella applikationer har ofta motreaktioner som sträcker sig från 3 till 9 bågminut.

Torsionsstyvhet är motståndet mot vridning av motoraxeln, transmissionselement och belastningen som svar på applicering av vridmoment. Ett oändligt styvt system skulle överföra vridmoment till belastningen utan vinkelavböjning kring rotationsaxeln; Men till och med en fast stålaxel kommer att vrida sig något under tung belastning. Avböjningsstorleken varierar med den applicerade vridmomentet, transmissionselementens material och deras form; Intuitivt kommer långa, tunna delar att vrida sig mer än korta, feta. Detta motstånd mot vridning är det som gör att spolfjädrar fungerar, eftersom komprimering av fjädern vrider sig varje vändning av tråden något; Fatter Wire gör en styvare fjäder. Allt mindre än oändligt vridstyvhet får systemet att fungera som en fjäder, vilket innebär att potentiell energi kommer att lagras i systemet eftersom lasten motstår rotation.

När det kombineras tillsammans kan ändlig vridstyvhet och motreaktion avsevärt försämra prestandan för ett servosystem. Återfall kan införa osäkerhet, eftersom motorkodaren indikerar positionen för motorns axel, inte där motreaktionen har gjort det möjligt för lasten att sätta sig. Bakställs introducerar också inställningsfrågor som lastpar och frikar från motorn kort när lasten och motorisk omvänd relativ riktning. Förutom motreaktion lagrar ändlig vridstyvhet energi genom att konvertera en del av motorns kinetiska energi och belastning till potentiell energi och släpper den senare. Denna försenade energifrisättning orsakar belastningsoscillation, inducerar resonans, minskar maximal användbar inställningsvinster och påverkar servosystemets lyhördhet och sedimenteringstid. I alla fall kommer att minska motreaktionen och öka styvheten hos ett system att öka servoprestanda och förenkla inställningen.

Rotary Axis Servomotor -konfigurationer

Den vanligaste roterande axelkonfigurationen är en roterande servomotor med en inbyggd kodare för positionsåterkoppling och en växellåda som matchar det tillgängliga vridmomentet och motorns hastighet till det nödvändiga vridmomentet och hastigheten på lasten. Växellådan är en konstant kraftanordning som är den mekaniska analogen för en transformator för lastmatchning.

En förbättrad hårdvarukonfiguration använder en Direct Drive Rotary Servomotor, som eliminerar transmissionselementen genom att direkt koppla belastningen till motorn. Medan växelmotorskonfigurationen använder en koppling till en relativt liten diameter axel, bultar det direkta drivsystemet lasten direkt till en mycket större rotorfläns. Denna konfiguration eliminerar motreaktion och ökar kraftigt vridstyvhet. Den högre polantalet och lindningarna med höga vridmoment av direktdrivmotorer matchar vridmomentet och hastighetsegenskaperna för en växelmotor med ett förhållande av 10: 1 eller högre.