Acionamento direto vs. servomotor rotativo com engrenagens: Uma quantificação da vantagem do projeto: Parte 1

Objetivos de aprendizagem

• Os sistemas servo rotativos do mundo real não atingem o desempenho ideal devido a limitações técnicas.
• Vários tipos de servomotores rotativos podem oferecer benefícios aos usuários, mas cada um tem um desafio ou limitação específica.
• Os servomotores rotativos de acionamento direto oferecem o melhor desempenho, mas são mais caros que os motoredutores.

Por décadas, os servomotores com engrenagens têm sido uma das ferramentas mais comuns na automação industrial. Eles oferecem posicionamento, ajuste de velocidade, cames eletrônicos, enrolamento, tensionamento e aperto, além de adaptar eficientemente a potência de um servomotor à carga. Isso levanta a questão: um servomotor com engrenagens é a melhor opção para a tecnologia de movimento rotativo ou existe uma solução melhor?

Em um mundo perfeito, um sistema servo rotativo teria classificações de torque e velocidade adequadas à aplicação, de modo que o motor não fosse nem superdimensionado nem subdimensionado. A combinação de motor, elementos de transmissão e carga deveria ter rigidez torcional infinita e folga zero. Infelizmente, os sistemas servo rotativos do mundo real ficam aquém desse ideal em graus variados.

Em um sistema servo típico, a folga 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 em caixas de engrenagens, correias, correntes e acoplamentos. Quando uma máquina é ligada inicialmente, a carga flutuará em algum ponto intermediário entre as tolerâncias mecânicas (Figura 1A).

Antes que a carga em si possa ser movida pelo motor, este deve girar para eliminar toda a folga existente nos elementos de transmissão (Figura 1B). Quando o motor começa a desacelerar ao final de um movimento, a posição da carga pode, na verdade, ultrapassar a posição do motor, à medida que o momento transporta a carga para além da posição do motor.

O motor deve novamente compensar a folga na direção oposta antes de aplicar torque à carga para desacelerá-la (Figura 1C). Essa perda de movimento é chamada de folga e normalmente é medida em minutos de arco, equivalente a 1/60 de grau. Caixas de engrenagens projetadas para uso com servos em aplicações industriais geralmente têm especificações de folga que variam de 3 a 9 minutos de arco.

Rigidez torcional é a resistência à torção do eixo do motor, dos elementos de transmissão e da carga em resposta à aplicação de torque. Um sistema infinitamente rígido transmitiria torque à carga sem deflexão angular em torno do eixo de rotação; no entanto, mesmo um eixo de aço sólido torcerá levemente sob carga pesada. A magnitude da deflexão varia com o torque aplicado, o material dos elementos de transmissão e seu formato; intuitivamente, peças longas e finas torcerão mais do que peças curtas e grossas. Essa resistência à torção é o que faz as molas helicoidais funcionarem, pois a compressão da mola torce levemente cada volta do fio; um fio mais grosso torna a mola mais rígida. Qualquer valor menor que 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 combinadas, a rigidez torcional finita e a folga podem degradar significativamente o desempenho de um servo sistema. A folga pode introduzir incerteza, pois o encoder do motor indica a posição do eixo do motor, não onde a folga permitiu que a carga se acomodasse. A folga também introduz problemas de ajuste, pois a carga se acopla e desacopla do motor brevemente quando a carga e o motor invertem a direção relativa. Além da folga, a rigidez torcional finita armazena energia convertendo parte da energia cinética do motor e da carga em energia potencial, liberando-a posteriormente. Essa liberação de energia retardada causa oscilação da carga, induz ressonância, reduz os ganhos máximos de ajuste utilizáveis ​​e impacta negativamente a capacidade de resposta e o tempo de acomodação do servo sistema. Em todos os casos, reduzir a folga e aumentar a rigidez de um sistema aumentará o desempenho do servo e simplificará o ajuste.

Configurações de servomotor de eixo rotativo

A configuração mais comum de eixo rotativo é um servomotor rotativo com um encoder integrado para feedback de posição e uma caixa de engrenagens para adaptar o torque e a velocidade disponíveis do motor ao torque e à velocidade necessários da carga. A caixa de engrenagens é um dispositivo de potência constante que é o análogo mecânico de um transformador para adaptação da carga.

Uma configuração de hardware aprimorada utiliza um servomotor rotativo de acionamento direto, que elimina os elementos de transmissão ao acoplar diretamente a carga ao motor. Enquanto a configuração do motorredutor utiliza um acoplamento a um eixo de diâmetro relativamente pequeno, o sistema de acionamento direto aparafusa a carga diretamente a um flange de rotor muito maior. Essa configuração elimina a folga e aumenta significativamente a rigidez torcional. A maior contagem de polos e os enrolamentos de alto torque dos motores de acionamento direto correspondem às características de torque e velocidade de um motorredutor com relação de 10:1 ou superior.