La scelta di un sistema di servomotori per la progettazione di una macchina inizia con la comprensione dei componenti che compongono il servomotore o il sistema di servoazionamento. I servosistemi sono sistemi a circuito chiuso utilizzati per controllare determinati movimenti desiderati. Includono un dispositivo di feedback che fornisce informazioni costanti tra il motore e il conducente per controllare con precisione la posizione, la velocità e la coppia del meccanismo azionato.
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In genere, i progetti servo sono sistemi altamente dinamici che comportano l'azionamento di un carico per accelerare e decelerare rapidamente. Operano in quattro quadranti, il che significa che possono controllare la coppia e la velocità, sia positive che negative.
La selezione servocomandata richiede una soluzione sistematica. In altre parole, un approccio olistico che tiene conto dei parametri complessivi meccanici, elettrici e di programmazione. Il sistema include la determinazione dei carichi meccanici, delle curve di movimento (inclusi i requisiti di posizionamento), delle caratteristiche del servomotore e dell'ambiente in cui si trovano il motore e altri componenti; In particolare, quando il motore gira a velocità quasi costante, ha un impatto sui prodotti finiti, sui materiali e/o sul processo stesso.
Parametri del carico meccanico e della curva di moto
Cominciamo col capire cosa significano i requisiti di carico meccanico e movimento. La fisica newtoniana di base afferma che la forza (o coppia nella direzione di rotazione) è proporzionale alla massa (inerzia rotazionale) moltiplicata per l'accelerazione, indipendentemente dal fatto che l'accelerazione sia positiva o negativa. Nel contesto del motion design, la costruzione della macchina ha una sua qualità e la qualità del carico che trasporta.
Pertanto, è importante determinare le parti meccaniche, in particolare la qualità del movimento e la curva di movimento desiderata. I metodi per convertire il moto rotatorio in moto lineare variano notevolmente e sono influenzati da fattori quali accuratezza, carico, dinamica del movimento e ambiente.
Una volta compreso il meccanismo utilizzato, la comprensione della dinamica del movimento è importante per determinare la migliore soluzione di servomotore. La curva di movimento include non solo il movimento da un punto all'altro, ma anche le funzioni che possono essere utilizzate in quel movimento, come la spinta associata alla lavorazione delle parti. L'accelerazione, l'uniformità e la decelerazione, così come i tempi di permanenza e di pausa, sono tutti inclusi nella curva di movimento complessiva del sistema. I movimenti di indicizzazione possono essere un semplice movimento triangolare, un trapezio variabile o 1/3-1/3-1/3 (il movimento più efficiente associato alla coppia RMS).
Strumento di selezione e selezione del sistema servo
Molti fornitori offrono strumenti di selezione e selezione per aiutare gli utenti a creare profili di movimento in base ai requisiti di movimento delle loro applicazioni. La maggior parte degli strumenti software, come la piattaforma Motioneering di Kollmorgen, fornisce una varietà di descrizioni del movimento per aiutarti a calcolare l'accelerazione, il tempo di movimento, la distanza, la velocità e il tempo di permanenza. La Figura 1 mostra la curva 1/3-1/3-1/3 di base, con un'accelerazione del 50% introdotta per attenuare l'accelerazione. In questo esempio, abbiamo scelto di spostarci di 8 pollici in 1 secondo e di utilizzare un'accelerazione del 50% e un tempo di sosta di 2 secondi. Il sistema calcola il movimento in termini di 1/3 del tempo di accelerazione, 1/3 della velocità costante e 1/3 della decelerazione. La velocità massima calcolata dallo strumento è 720 pollici/min. Puoi vedere il contorno della curva a "S" (basato su un'accelerazione del 50 percento). Inoltre, per questo movimento, si può vedere che un carico di spinta (linea rossa) è applicato alla parte trasversale del movimento -- è probabile che questa curva di movimento sia lavorata. Il tempo di sosta può anche essere visto come 3 secondi. La parte di sosta è importante perché tutti i parametri associati a questa curva verranno utilizzati per calcolare la coppia RMS, che sarà una metrica utilizzata per selezionare il motore corretto. Oltre alle curve di movimento, è anche importante comprendere i reali requisiti di posizionamento dei carichi in termini di risoluzione, accuratezza e ripetibilità. Ciò sarà influenzato direttamente dalla selezione dei dispositivi di retroazione e (più significativamente) dal momento vuoto dei raccordi meccanici sotto forma di gioco e flessibilità.
A meno che il progetto non possa utilizzare una soluzione di motore a trasmissione diretta, includerà un qualche tipo di trasmissione meccanica. La trasmissione di potenza lineare rotante (che converte l'uscita di un motore rotante in corsa dell'albero) può essere ottenuta mediante trasmissione a puleggia o meccanismi a vite, come le viti a ricircolo di sfere. L'azionamento rotativo include un cambio o un gruppo di trasmissione a cinghia in modo che pulegge di varie dimensioni possano essere utilizzate come rallentatori. In alcune applicazioni, le parti in movimento contribuiscono in modo significativo alla massa totale del movimento. Un caso speciale è la massa dell'albero di una macchina che deve essere spostata per cambiare -- come nella distribuzione o nell'elaborazione di un sistema robotico. La variazione di carico totale può essere un fattore nella regolazione del servoazionamento.
I componenti in movimento devono sommare la loro inerzia e rifletterla sull'albero motore. Oltre all'inerzia, devono essere considerate le forze esterne, l'attrito e l'inefficienza.
Considerazioni ambientali nella progettazione dei servocomandi
Non è ancora finita. Quando si determina il design del servo, solo alcuni meccanismi disponibili possono fornire in modo economico ed efficiente il movimento, la capacità di carico e la precisione richiesti. Una considerazione spesso trascurata è l'ambiente in cui opera il servosistema. La maggior parte dei servomotori è classificata per funzionare a 40°C, un ambiente molto caldo, ma tipico di molte fabbriche e ambienti industriali.
La resistenza al calore dell'elettronica di pilotaggio non è molto elevata e, poiché anch'essi sono classificati a 40 gradi C, gestire la temperatura ambiente in cui operano è una sfida. Di solito, il raffreddamento forzato nel quadro elettrico è necessario per mantenere condizioni ambientali adeguate (temperatura e umidità). Pertanto, è necessario considerare la posizione del motore e del driver. Naturalmente, il motore può essere installato o integrato direttamente nel dispositivo per azionare il meccanismo di carico. Al contrario, l'azionamento in una soluzione centralizzata si trova in un armadio di controllo -- di solito ha bisogno di essere raffreddato.
I produttori definiscono le prestazioni parziali del motore in base alle condizioni ambientali in cui opera il motore. Come notato sopra, molti progettisti presumono che il motore sia classificato per una temperatura ambiente di 40 gradi C, ma occasionalmente viene fornita una specifica del motore di 25 gradi C. Pertanto, è necessario prestare attenzione ai valori di riferimento pubblicati durante la revisione delle specifiche. Se la temperatura ambiente della macchina supera la temperatura ambiente nominale, il motore non raggiungerà la potenza nominale.
Altre condizioni ambientali possono influenzare le vernici e le guarnizioni del motore e altri sottocomponenti meccanici. Polvere, sporcizia, umidità, risciacquo spray, requisiti igienici, ambienti esplosivi, ambienti sottovuoto e radiazioni richiedono tutti servomotori speciali con caratteristiche fisiche adattate all'attuale ambiente difficile.
Processo di selezione
Nel determinare la composizione richiesta del sistema motore/azionamento, gran parte dello sforzo di selezione iniziale è meccanico e ambientale. Ora, quando l'utente seleziona il prodotto finale, devono essere considerati i restanti componenti del sistema che il sistema contiene. I fattori meccanici e ambientali continueranno a influenzare gli elementi di feedback, il cablaggio e la scelta definitiva dell'architettura di controllo.
Considerazioni sul feedback e caratteristiche del servomotore
Per definizione, i servosistemi dispongono di dispositivi di feedback che misurano velocità, posizione e altri parametri di sistema durante il funzionamento. I produttori possono avere opzioni limitate, ma è importante considerare attentamente i parametri specifici dell'applicazione, inclusi il carico d'urto e la precisione di posizionamento, nonché la ripetibilità. I trasformatori rotanti hanno spesso prestazioni eccellenti in ambienti difficili, in particolare per carichi di impatto più elevati. Un trasformatore rotante è un trasformatore rotante costituito da una bobina di avvolgimento con parti di statore e rotore attorno al nucleo. Questa costruzione consente un funzionamento a temperature più elevate e una maggiore tolleranza a carichi di impatto elevati rispetto agli encoder che possono contenere elementi a disco di vetro.
Gli encoder sinusoidali possono fornire un'alta risoluzione, fino a 24 bit e oltre, per una precisione di posizionamento ottimale. Alcuni encoder ibridi possono fornire la robustezza di un trasformatore rotante con una migliore risoluzione. Questi encoder intelligenti si basano su trasformatori rotanti con componenti elettronici che interpretano i segnali seno e coseno e li convertono in un segnale digitale ad alta risoluzione che verrà passato a un servoazionamento per l'utilizzo nel feedback di velocità e posizione.
Attualmente, gli encoder più recenti offrono una varietà di protocolli di comunicazione (EnDAT, BiSS e DSL) e forniscono funzionalità ad alta risoluzione e basso rumore per aiutare a ottenere segnali di feedback ottimali per servoazionamenti e controller.
Un'altra scelta di feedback che dipende dai requisiti dell'applicazione è se si desidera un feedback assoluto o incrementale. In un sistema rotante, puoi contare da 0 dopo aver completato una rotazione di 360 gradi utilizzando un singolo giro dell'attrezzatura. L'encoder assoluto multigiro consente al sistema di conoscere la sua posizione, non solo la posizione del motore in una rotazione di 360 gradi, ma anche il numero di giri che ha completato in ciascuna direzione. Quindi sa esattamente dove si trova. È importante sapere questo e dove si trovano gli strumenti e gli altri assi. Semplici encoder incrementali, invece, possono determinare la posizione in una singola rotazione, ma solo dopo aver trovato lo zero nel ciclo di accensione. Di conseguenza, l'utente non saprà quanti cicli sono stati completati e nemmeno la posizione assoluta
in una rotazione di 360 gradi quando è acceso.
Oltre al servomotore e al servoazionamento stesso, è importante anche l'effettivo collegamento tra i due. La flessibilità del cavo (definita dal suo raggio di curvatura consentito) è una considerazione importante, specialmente quando il cavo si muove con l'albero.
La lunghezza del cavo può essere limitata dal tipo di encoder considerato. I parametri del cavo come l'impedenza e la caduta di tensione, combinati con la potenza del segnale dell'encoder, sono i fattori chiave nella considerazione della lunghezza. Alcuni dei dispositivi più recenti offerti sul mercato trasmettono informazioni seriali ai driver (come DSL, EnDat e BiSS) a velocità di trasmissione molto elevate, che saranno influenzate dalla lunghezza, in particolare dall'impedenza e dal rapporto segnale-rumore. Anche il connettore svolge un ruolo nel ciclo di "feedback", in quanto il connettore deve elaborare i vari segnali generati da questi dispositivi. Un altro fattore di lunghezza del cavo correlato alla potenza del motore è correlato alle elevate frequenze di commutazione coinvolte negli odierni driver PWM. C'è rumore nel cavo di alimentazione del motore. Quando il cavo diventa più lungo e si avvicina alla metà della lunghezza d'onda della frequenza sul cavo, si formerà un'antenna. L'antenna invierà o riceverà informazioni (in questo caso generando rumore) che non dovrebbero essere presenti in un sistema ad alte prestazioni.
Ultimo parametro: controllo del movimento e rete -- centralizzato rispetto a decentralizzato
Un'ultima considerazione che può causare la duplicazione dell'intero processo di progettazione (e modificare altri componenti specificati della progettazione) è l'architettura del sistema. L'ingegnere deve chiedersi: devo concentrarmi su un sistema di controllo centralizzato con driver, controller ed elettronica di supporto racchiusi in un armadio centralizzato, o è più redditizio ed economico distribuire i driver attraverso la macchina (un approccio di sistemi distribuiti)? Una macchina con più assi, che possono essere sparsi sulla macchina, sarebbe un candidato ideale per una soluzione distribuita. Questo metodo può ridurre significativamente i requisiti dei cavi e risparmiare sui costi associati al cablaggio di cavi lunghi e agli slot e ai supporti dei cavi associati a questi cavi. Inoltre, l'allontanamento del driver dalla macchina riduce le dimensioni dell'armadio necessario per alloggiare i componenti elettronici di controllo e supporto, riducendo nuovamente i costi ei requisiti di raffreddamento all'interno dell'armadio. D'altra parte, le macchine compatte e con meno assi non trarranno vantaggio da un tradizionale
approccio centralizzato.
conclusione
Ci sono molte cose che devono essere considerate quando si seleziona un servosistema per un'applicazione, molte delle quali sono state descritte in questo articolo. Un'altra scelta che riguarda la selezione dei componenti controlla il sistema. Il tipo di controllo viene solitamente specificato in una fase iniziale delle discussioni sulla progettazione della macchina e dipende da una varietà di fattori, mentre la scelta del controllo di solito si basa sulla scelta degli standard di comunicazione del bus di campo.