Servomotor rotativo com acionamento direto versus engrenagem: Uma quantificação da vantagem do projeto: Parte 1

objetivos de aprendizado

• Os sistemas servo rotativos do mundo real ficam aquém do 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.

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

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

Num servo sistema 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 inicialmente ligada, a carga flutuará em algum lugar no meio das tolerâncias mecânicas (Figura 1A).

Antes que a própria carga possa ser movimentada pelo motor, o motor deve girar para compensar toda a folga existente nos elementos de transmissão (Figura 1B).Quando o motor começa a desacelerar no final de um movimento, a posição da carga pode realmente ultrapassar a posição do motor, pois 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, igual a 1/60 de grau.As caixas de engrenagens projetadas para uso com servos em aplicações industriais geralmente possuem especificações de folga que variam de 3 a 9 minutos de arco.

A 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;entretanto, mesmo um eixo de aço sólido irá torcer ligeiramente sob carga pesada.A magnitude da deflexão varia com o torque aplicado, o material dos elementos de transmissão e seu formato;intuitivamente, as peças longas e finas torcerão mais do que as 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 produz uma mola mais rígida.Qualquer coisa menor 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 combinadas, a rigidez torcional e a folga finitas podem degradar significativamente o desempenho de um sistema servo.A folga pode introduzir incerteza, pois o codificador do motor indica a posição do eixo do motor, e não onde a folga permitiu que a carga se estabilizasse.A folga também introduz problemas de ajuste à medida que a carga se acopla e desacopla brevemente do motor 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.Esta liberação atrasada de energia causa oscilação de carga, induz ressonância, reduz os ganhos máximos de ajuste utilizáveis ​​e impacta negativamente a capacidade de resposta e o tempo de acomodação do sistema servo.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 servomotores de eixo rotativo

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

Uma configuração de hardware aprimorada utiliza um servomotor rotativo de acionamento direto, que elimina os elementos de transmissão acoplando 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 do rotor muito maior.Esta configuração elimina folga e aumenta muito a rigidez torcional.A maior contagem de pólos e os enrolamentos de alto torque dos motores de acionamento direto correspondem às características de torque e velocidade de um motoredutor com uma relação de 10:1 ou superior.