Никогда не определяли размер и не выбирали сервопривод? Здесь мы излагаем основы того, как взаимосвязанные параметры требуют системного подхода.
Автор: Боб Уайт • Менеджер по обучению и цифровым услугам | Коллморген
Определение размеров и выбор сервопривода для проектирования движения начинается с понимания компонентов, из которых состоит серводвигатель или система сервопривода. Обычно сервоприводы представляют собой высокодинамичные системы, включающие быстрые ускорения и замедления нагрузки.
Они работают во всех четырех квадрантах, что означает, что они управляют крутящим моментом и скоростью, как положительными, так и отрицательными.
Выбор размера конструкции с сервоприводом требует системного подхода — другими словами, целостного представления, учитывающего глобальные механические, электрические и программные параметры. Система включает в себя определение механической нагрузки, профиля движения (включая требования к позиционированию), характеристик серводвигателя и среды, в которой размещены двигатель и другие компоненты.
Давайте начнем с понимания последствий механической нагрузки и требований к движению. Основы ньютоновской физики утверждают, что сила (или крутящий момент в терминах вращения) пропорциональна массе (инерции вращения), умноженной на скорость ускорения, положительную или отрицательную. В контексте проектирования движения конструкция машины имеет свою собственную массу и массу транспортируемого груза.
Таким образом, важно точно определить механику — в частности, движущиеся массы и требуемый профиль движения.
Профили движения включают в себя не только перемещение из одной точки в другую, но и то, какие функции могут выполняться во время этого движения, например, силы тяги, связанные с механической обработкой деталей. Ускорение, перемещение и замедление (а также периоды задержки или покоя) — это сегменты, включенные в общий профиль движения системы. Индексирующие перемещения могут быть просто треугольными, переменными трапециевидными или 1/3-1/3-1/3 (наиболее эффективный, привязанный к среднеквадратичному крутящему моменту).
Современные инструменты определения размеров и выбора помогают инженерам-проектировщикам создавать профили движения на основе требований приложения к движению. Программные средства некоторых производителей также позволяют инженерам-проектировщикам описывать перемещения различными способами, а затем помогают в расчетах скорости ускорения, времени перемещения и расстояний, а также времени прохождения и остановки.
Рассмотрим классический пример профиля движения — базовый 1/3-1/3-1/3 профиль с введением 50%-ного рывка для сглаживания темпов ускорения. Предположим, мы решили переместиться на восемь дюймов за одну секунду, используя 50%-ный рывок и задержку в две секунды. Затем программное обеспечение вычисляет перемещение, предполагая, что 1/3 времени тратится на ускорение, 1/3 — на перемещение, а последняя 1/3 — на замедление.
Максимальная скорость, рассчитанная нашим программным обеспечением, составляет 720 дюймов в минуту. Обратитесь к фактическим снимкам экрана программного обеспечения, иллюстрирующим эту функцию, и обратите внимание на профиль S-образной кривой, основанный на частоте рывков 50%. Для этого перемещения также обратите внимание на осевую нагрузку (показана красной линией), приложенную во время поперечной части перемещения — части профиля перемещения, во время которой выполняется механическая обработка. Время ожидания составляет от этого до трехсекундной отметки. (Эта часть выдержки довольно важна, поскольку все параметры, относящиеся к этому профилю, в конечном счете учитываются при расчете среднеквадратичного крутящего момента — единственного показателя, который мы используем при выборе правильного двигателя.)
Наряду с профилем движения важно понимать фактические требования к позиционированию груза в отношении разрешения, точности и повторяемости. Эти параметры определяют, какие устройства обратной связи подходят и (что более важно) насколько допустима потеря движения механическим узлом (в виде люфта и податливости).
Если в конструкции не предусмотрено использование двигателя с прямым приводом, она будет включать в себя механическую трансмиссию того или иного типа. Передача энергии от вращения к линейному движению (для преобразования вращательного движения в линейное) часто осуществляется с помощью ремня с приводом от шкива или винтового механизма, такого как шариковый винт. Поворотные передачи включают в себя коробки передач или узлы с ременным приводом, которые функционируют как редукторы скорости с использованием шкивов различных размеров. В некоторых случаях перемещаемые детали вносят значительный вклад в общую движущуюся массу. Один особый случай — это когда ось станка должна перемещать изменяющуюся массу — как, например, в случае роботизированных систем при дозировании или механической обработке. Здесь изменение общей нагрузки может быть фактором настройки сервопривода.
Помните: суммируйте инерции всех компонентов, находящихся в движении, и отразите это значение обратно на валу двигателя. Кроме того, в процессе проектирования учитывайте внешние силы, а также трение и неэффективность.
На этом все не заканчивается. При выборе конструкции сервопривода только некоторые доступные механизмы будут экономически эффективны для обеспечения требуемой динамики движения, грузоподъемности и точности позиционирования. Одним из часто упускаемых из виду факторов является среда, в которой будет работать сервосистема. Большинство серводвигателей рассчитаны на работу при температуре окружающей среды 40 °C — это очень теплая среда, но типичная для многих фабрик и промышленных предприятий.
Электроника привода не так чувствительна к нагреву и обычно рассчитана на более прохладные условия окружающей среды — часто до 25 °C. Итак, определите, где будут расположены двигатели и приводы после установки. Двигатели монтируются или интегрируются непосредственно в машину для приведения в действие механизмов, удерживающих груз. В отличие от этого, приводы в централизованной схеме расположены в шкафу управления, который обычно охлаждается. Почему это вызывает беспокойство?
Производители определяют характеристики двигателя частично по условиям окружающей среды, в которых он будет работать. Как уже упоминалось, во многих определениях предполагается температура 40°C, но иногда двигатели рассчитаны на 25°C. Если температура окружающей среды, при которой работает машина, превышает номинальную, двигатель не будет работать на номинальной мощности.
Другие условия окружающей среды могут угрожать лакокрасочному покрытию двигателя, уплотнениям и другим механическим компонентам. Пыль, грязь, влага, промывка распылением, гигиенические требования, взрывоопасные условия, вакуумная среда и радиация — все это требует специальных серводвигателей с физическими характеристиками, адаптированными к конкретной задаче.
Значительная часть предварительных усилий по определению требуемой мощности системы электропривода зависит от механики и условий установки. Теперь, когда инженеры-проектировщики делают окончательный выбор компонентов, они должны учитывать остальные компоненты системы, задействованные для обеспечения такой мощности. Конструкция механизма и среда применения всегда влияют на выбор подходящего элемента обратной связи двигателя, кабелей и, в конечном счете, выбранной архитектуры управления.
По определению, сервосистемы имеют устройства обратной связи, которые измеряют скорость, положение и другие параметры системы во время работы. Выбор производителей может быть ограничен, но тщательный учет конкретных параметров применения, включая ударную нагрузку, точность позиционирования и повторяемость, имеет важное значение. Резольверы, как правило, превосходно работают в суровых условиях, особенно при более высоких ударных нагрузках. Преобразователи представляют собой вращающиеся трансформаторы, состоящие из катушек проволоки, обернутых вокруг сердечника как для статорной, так и для роторной частей. Такая архитектура обеспечивает работу при более высоких температурах и гораздо более щадяща при высоких ударных нагрузках в отличие от энкодеров, которые, вероятно, содержат стеклянный дисковый элемент.
Синусоидальные энкодеры обеспечивают высокое разрешение — до 24 бит или выше — для достижения наилучшей точности позиционирования. Некоторые гибридные устройства обратной связи обеспечивают надежность распознавателя с улучшенными возможностями разрешения. Эти интеллектуальные устройства обратной связи основаны на преобразователе с электронным элементом, который интерпретирует синусоидальные и косинусоидальные сигналы и преобразует их в цифровой сигнал высокого разрешения, который передается на сервопривод для использования как в обратной связи по скорости, так и в обратной связи по положению.
Новейшие энкодеры на сегодняшний день предлагают множество протоколов связи (EndDAT, Biss и DSL) и обеспечивают высокое разрешение и помехоустойчивость, помогая обеспечить наилучший сигнал обратной связи для сервоприводов и контроллеров.
Другой вариант обратной связи, который зависит от требований приложения, — это необходимость в обратной связи по абсолютному положению в отличие от инкрементной. В поворотной системе, как только двигатель завершает поворот на 360°, он запускается сначала. Абсолютный энкодер позволяет системе знать, где она находится в пределах 360° и сколько раз она совершила полный поворот в любом направлении, поэтому она точно знает, где расположена ось. Это может быть очень важно знать в связи с расположением инструментов и других осей. С другой стороны, простой инкрементальный энкодер определяет, где находится ось за один оборот, поэтому не знает, сколько раз эта ось совершала полный цикл или каково абсолютное положение.
Мы немного поговорили о серводвигателе и сервоприводе, но прокладка кабелей между ними также важна. Гибкость кабеля, определяемая его допустимыми радиусами изгиба, является ключевым фактором здесь — особенно там, где кабель перемещается вдоль оси.
Длина кабеля может быть ограничена типом рассматриваемого устройства обратной связи. Параметры кабеля, такие как импеданс и падение напряжения (наряду с уровнем сигнала устройства обратной связи), определяют подходящую длину кабеля.Некоторые новые устройства, доступные на рынке, передают последовательную информацию на накопитель (например, по протоколам DSL, EnDat и BiSS) с очень высокими скоростями передачи, на которые, опять же, влияет длина, в частности, импеданс и отношение сигнал/шум.
Фактически, даже разъемы играют определенную роль в контуре обратной связи, поскольку разъемы должны обрабатывать типы сигналов, генерируемых этими устройствами обратной связи. Еще одним соображением, связанным с мощностью двигателя, которое определяет допустимую длину кабеля, является высокая частота переключения современных ШИМ-приводов. Шум от такого переключения всегда присутствует в кабеле питания двигателя, и по мере того, как кабель становится длиннее и достигает половины длины волны от частоты, передаваемой по кабелю, создается антенна. Антенны любят передавать и принимать информацию, и в данном случае это шум, который нежелателен в высокопроизводительных системах.
Конечный параметр: Управление движением и сетевое взаимодействие – централизованное или децентрализованное
Последним соображением, которое может подтолкнуть к повторению целостного процесса проектирования (а также к внесению изменений в другие указанные компоненты проекта), является архитектура системы. Инженер должен спросить: должен ли я сосредоточиться на централизованной системе управления с приводами, контроллерами и вспомогательной электроникой, упакованными в централизованный шкаф, или было бы более выгодно и экономично распределить приводы по всей машине — децентрализованный системный подход?
Станок с большим количеством осей (где оси могут быть распределены по всему станку) является подходящим кандидатом для децентрализованного подхода. Децентрализованные приводы могут значительно снизить требования к кабелям, экономя затраты, связанные с протяженностью кабельных трасс, а также кабельные лотки и держатели, которые будут сопровождать эти кабели. Кроме того, вынос приводов из машины уменьшает размеры шкафа, необходимого для размещения управляющей и вспомогательной электроники, что опять же снижает стоимость, а также требования к охлаждению в шкафу.
С другой стороны, компактная счетная машина с нижней осью не принесла бы таких больших преимуществ по сравнению с традиционным централизованным подходом.
Есть много вещей, которые необходимо учитывать, когда вы погружаетесь в приложение при выборе размеров сервоприводов, и мы рассмотрели многие из них в этой статье. Еще одним выбором, который также влияет на выбор компонентов, является система управления. Тип управления обычно определяется на ранней стадии обсуждения конструкции машины и зависит от широкого спектра факторов. Выбор управления также имеет тенденцию определять выбор связи по полевой шине. Эти темы оставлены для дальнейшего обсуждения.
Для получения дополнительной информации посетите www.kollmorgen.com , электронная почта support@kollmorgen.com или позвоните по телефону (540) 633-3545.
Боб Уайт работает в Kollmorgen более 36 лет, занимая различные должности, включая разработку приложений, маркетинг продукции, отраслевой маркетинг, управление территорией, системную инженерию, обучение, а теперь и цифровой маркетинг.
Вам также может понравиться:
Свежие комментарии