Diretor direto vs. servomotor rotativo com engrenagem: uma quantificação da vantagem do projeto: Parte 1

Objetivos de aprendizado

• Os sistemas de servo rotativos do mundo real ficam aquém do desempenho ideal devido a limitações técnicas.
• Vários tipos de servomotores rotativos podem fornecer benefícios para os usuários, mas cada um tem um desafio ou limitação específica.
• Os servidores rotativos de acionamento direto oferecem o melhor desempenho, mas são mais caros que o GearMotors.

Durante décadas, os servomotores de engrenagem têm sido uma das ferramentas mais comuns na caixa de ferramentas de automação industrial. Os sevomotores de engrenagem oferecem posicionamento, correspondência de velocidade, camming eletrônico, enrolamento, tensionamento, aperto aplicações e correspondem com eficiência a potência de um servomotor com a carga. Isso levanta a questão: um servomotor engrenado é a melhor opção para a tecnologia de movimento rotativo ou existe uma solução melhor?

Em um mundo perfeito, um sistema de servo rotativo teria classificações de torque e velocidade que correspondem ao aplicativo para que o motor não tenha grande tamanho nem de tamanho inferior. A combinação de motor, elementos de transmissão e carga deve ter rigidez torcional infinita e reação zero. Infelizmente, os sistemas de servo rotativos do mundo real ficam aquém desse diploma ideal para variar.

Em um sistema servo típico, a reação é definida como a perda de movimento entre o motor e a carga causada pelas tolerâncias mecânicas dos elementos de transmissão; Isso inclui qualquer perda de movimento nas caixas de câmbio, cintos, correntes e acoplamentos. Quando uma máquina é ligada inicialmente, a carga flutua em algum lugar no meio das tolerâncias mecânicas (Figura 1A).

Antes que a carga em si possa ser movida pelo motor, o motor deve girar para pegar toda a folga existente nos elementos de transmissão (Figura 1B). Quando o motor começa a desacelerar no final de um movimento, a posição de carga pode realmente ultrapassar a posição do motor, pois o momento carrega a carga além da posição do motor.

O motor deve levar novamente a folga na direção oposta antes de aplicar o torque à carga para desacelerá -la (Figura 1C). Essa perda de movimento é chamada de reação e geralmente é medida em minuto de arco, igual a 1/60 de um grau. As caixas de câmbio projetadas para uso com servos em aplicações industriais geralmente têm especificações de reação, variando de 3 a 9 minutos de arco.

A rigidez torcional é a resistência à torção do eixo do motor, elementos de transmissão e a carga em resposta à aplicação de torque. Um sistema infinitamente rígido transmitiria torque para a carga sem deflexão angular sobre o eixo de rotação; No entanto, mesmo um eixo de aço sólido torcerá ligeiramente sob carga pesada. A magnitude da deflexão varia com o torque aplicado, o material dos elementos de transmissão e sua forma; Intuitivamente, partes longas e finas torcerão mais do que as gordas e curtas. Essa resistência à torção é o que faz as molas da bobina funcionarem, à medida que a compactação torce a mola, cada vez que o fio; O fio mais gordo fabrica uma mola mais rígida. Qualquer coisa menos do que a rigidez torcional infinita faz com que o sistema atue como uma mola, o que significa que a energia potencial será armazenada no sistema à medida que a carga resiste à rotação.

Quando combinados, a rigidez torcional finita e a reação podem degradar significativamente o desempenho de um sistema servo. A reação pode introduzir incerteza, pois o codificador do motor indica a posição do eixo do motor, não onde a reação permitiu que a carga se acalmasse. A reação também apresenta problemas de ajuste como casais e desvarações de carga do motor brevemente quando a direção relativa da carga e do motor reversa. Além da reação, a rigidez torcional finita armazena energia convertendo parte da energia cinética do motor e da carga em energia potencial, liberando -a mais tarde. Essa liberação de energia atrasada causa oscilação da carga, induz ressonância, reduz os ganhos máximos de ajuste utilizável e afeta negativamente a capacidade de resposta e o tempo de resolução do sistema servo. Em todos os casos, reduzir a reação e aumentar a rigidez de um sistema aumentará o desempenho do servo e simplificará o ajuste.

Configurações de servomotor do eixo rotativo

A configuração do eixo rotativo mais comum é um servomotor rotativo com um codificador embutido para feedback de posição e uma caixa de câmbio para corresponder ao torque e velocidade disponíveis do motor com o torque e a velocidade necessários da carga. A caixa de engrenagens é um dispositivo de energia constante que é o análogo mecânico de um transformador para correspondência de carga.

Uma configuração aprimorada de hardware usa um servomotor rotativo de unidade direta, que elimina os elementos de transmissão, acoplando diretamente a carga ao motor. Enquanto a configuração do GearMotor usa um acoplamento a um eixo de diâmetro relativamente pequeno, o sistema de acionamento direto aparaça a carga diretamente para um flange do rotor muito maior. Essa configuração elimina a reação e aumenta muito a rigidez torcional. A maior contagem de polos e enrolamentos de alto torque dos motores de acionamento direto correspondem às características de torque e velocidade de um motor de engrenagem com uma proporção de 10: 1 ou superior.