Отредактировано: Пол Дж. Хени, редакционный директор
Инженеры-механики часто упускают из виду важные электрические проблемы при определении соответствующих частей электромеханической системы. Этот целенаправленный совет поможет вам спроектировать вашу следующую электромеханическую систему.
Мехатронные системы — это самая современная технология в системах автоматизации, интеллектуально интегрирующая механические и электрические элементы для выполнения все более сложных и требовательных функций. При проектировании электромеханических систем инженеры—механики и электротехники могут быть склонны делать упор на технологии, компоненты и принципы проектирования из своей единственной области знаний, что может привести к созданию систем с более высокими эксплуатационными расходами, повышенными требованиями к техническому обслуживанию и неоптимальной производительностью. Инженеры-электрики, участвующие в проектировании и сборке мехатронных систем, часто видят, как неэффективность и ненужная сложность могут быть непреднамеренно встроены в машины.
Более совершенные мехатронные системы могут быть созданы, если инженеры-механики при проектировании производственных систем учитывают пять важнейших концепций, чтобы получить максимальную ценность и эффективность, которые электронные системы могут предложить производственному процессу.
1. Создайте чистый дизайн
Хороший дизайн мехатроники начинается с хорошего механического дизайна — лучшая электроника и электрические системы не могут компенсировать плохой механический дизайн. Наиболее удачные конструкции отличаются чистотой; они имеют прочную, жесткую раму, в которой используются материалы и конструктивные принципы, гарантирующие, что при любом движении машины ее долговременная стабильность будет обеспечена заранее. Убедитесь, что при монтаже двигателей на станках используются жесткие подшипники и опоры; это помогает предотвратить срез валов из-за микротрещин, которые возникают из-за того, что вал двигателя установлен не соосно с опорным подшипником подушки или входной планетарной передачей коробки передач.
Разместите двигатели на машине в оптимальном месте, чтобы операторы случайно не наступили на кабели и разъемы, что может привести к повреждению, и спроектируйте защиту машины с удобными точками доступа, чтобы добраться до двигателей, установленных под основанием крыла машины, и в то же время защитить их от неблагоприятных условий эксплуатации. Самое главное, продуманный дизайн уравновешивает массу и движение: прочная рама, которая выдерживает многолетнюю вибрацию и удары, в сочетании с более легкими компонентами для движущихся частей машины. Это помогает снизить массу, обеспечивает более энергоэффективное движение и упрощает подбор меньших по размеру компонентов двигателя/привода для машины. За прошедшие годы мы видели множество инновационных конструкций механических станков, и продуманный дизайн вносит наибольший вклад в долговечность, надежность и минимальную общую стоимость владения станком.
2. Непосредственно подсоедините двигатель к нагрузке
Эффективная мехатроника начинается с проектирования с чистого листа. В прошлом машины часто строились вокруг одного двигателя переменного тока, приводящего в действие вал машинной линии, к которому крепились коробки передач, шкивы, звездочки, цепные приводы и другие механические устройства для синхронного перемещения отдельных участков машины — подход к производству, который буквально восходит к заре Промышленная революция.
Рассмотрите возможность замены этой архитектуры отдельными серводвигателями, подключенными непосредственно к перемещаемому грузу. Это решение обладает множеством конструктивных, стоимостных и эксплуатационных преимуществ (которые, на удивление, не используются во многих конструкциях машин). Во-первых, подумайте о затратах: каждый раз, когда вы добавляете коробку передач, вы увеличиваете затраты во много раз; это дополнительная точка отказа, ее необходимо смазывать, и для нее нужны запасные части. Кроме того, вы добавляете механический люфт, который необходимо компенсировать при вводе станка в эксплуатацию и при каждой замене изделия — сложность перемещения и синхронизации осей, которую устраняют современные интеллектуальные приводы и серводвигатели.
Когда вы стратегически размещаете серводвигатели как можно ближе к зоне движения, которую они обслуживают, дополнительные затраты на компоненты электропривода почти полностью компенсируются за счет устранения затрат на механические компоненты и рабочую силу, которые необходимо приобрести, обработать, собрать и сконфигурировать. В частности, отсутствие необходимости запасать несколько комплектов звездочек, шестерен и кулачков, а также время, затрачиваемое на замену механических приводов, действительно могут снизить общую стоимость владения станком.
В конечном счете, такой подход к проектированию значительно сокращает время заводки и люфта, сокращает время ввода машины в эксплуатацию, а современные прямые приводы, прямоточные двигатели и линейные электродвигатели позволяют разработчикам машин добиваться более высоких результатов и повышать производительность машины.
3. Используйте электронное зацепление и кулачковый механизм
Современные электронные приводы и платформы управления движением предоставляют инженеру-механику мощный и гибкий инструмент для повышения точности и производительности проектируемых вами станков. Эта технология позволяет создать виртуальный “электронный линейный вал”, который может электронно синхронизировать все приводы и двигатели машины, устраняя механический линейный вал. В процессе работы вы можете значительно улучшить синхронизацию осей и точность — с 1/16 или 1/32 дюйма. типично для механических линейных валов, точность перемещения приближается к сотым или даже тысячным долям дюйма при использовании электронного линейного вала.
И эта синхронизация может быть выполнена с нулевым механическим люфтом — и меньшим количеством замятий продукта. Это также избавляет от множества механических регулировок для ввода машины в эксплуатацию, а также от корректировок оператора при каждой остановке и повторном запуске машины.
Электронное зацепление и кулачковый механизм делают переключение станка полностью программируемым. Используя технологию FlexProfile, одним нажатием кнопки на экране HMI вы можете загрузить рецепт машины, и в систему управления и сервопривода будут внесены изменения для запуска следующего продукта.
Эта новая технология кулачкового форматирования FlexProfile позволяет создавать многосегментные профили кулачков на основе профилей движения по положению, скорости или времени. Когда вы меняете секцию электронного кулачка путем изменения рецептуры с помощью HMI, платформа управления автоматически оптимизирует остальную часть профиля кулачка для всех элементов движения машины. Это позволяет машине работать в более коротком цикле или обеспечивает более плавную динамику работы машины, даже если произошли изменения, такие как другое время запечатывания пакетов или положение кулачка для подгибания клапанов на машине для упаковки картонных коробок.
4. Внедрите энергоэффективные технологии
Одной из наиболее быстро растущих затрат на любую производственную операцию является энергозатраты, и хорошая мехатронная конструкция может помочь контролировать эти затраты за счет применения электроприводов и моторных систем, предназначенных для экономии энергии.
В машинах, которые используют серводвигатели, непосредственно соединенные с критическими осями перемещения станка, а также используют электронную синхронизацию и кулачковое управление, правильный размер сервосистемы позволяет создать машину с высокой энергоэффективностью.
Правильный выбор размера требует точной оценки нескольких факторов движения (двигатель за двигателем): насколько быстро должна разгоняться ось, размер массы, которую вы пытаетесь переместить, и насколько точным должно быть ускорение и замедление. Уменьшение размеров приведет к нагрузкам на приводы и двигатели; увеличение размеров потребует слишком много энергии для выполнения слишком малого объема работы.
Некоторые из самых современных систем, таких как интегрированные приводные/моторные системы Rexroth IndraDrive Mi, включают в себя высокоэффективную функцию: совместное использование шин. Несколько приводов последовательно соединены друг с другом и совместно используют питание от одной шины; во многих многоосевых машинах, когда одни двигатели разгоняются до максимальной скорости (потребляемая мощность), другие замедляются (регенерирующая мощность). При совместном использовании шин вместо того, чтобы подавать максимальную мощность на ускоряющие двигатели и отводить тепло от замедляющих двигателей через отводящий резистор, мощность распределяется совместно, что значительно снижает энергопотребление машины.
Еще одна энергоэффективная технология называется регенеративными источниками питания. Во многих машинах несколько серводвигателей замедляются одновременно, повышая напряжение на шине питания до избыточного уровня. Электроприводы старого поколения отводили бы эту избыточную электрическую энергию в виде тепла, что приводило бы к потере мощности и увеличению выработки тепла в цехе, требуя дополнительного охлаждения корпуса. Благодаря рекуперативным источникам питания, подключенным к общей шинной системе, то, что когда-то было потрачено впустую, теперь может быть возвращено через общую шину и продано обратно электрической компании.
5. Используйте HMI для более эффективного устранения неполадок
Компьютерная революция распространилась и на современные панели управления машинами, заменив ручки и кнопки сложными интерфейсами на базе ПК и встроенными HMI с расширенным программированием и операционными системами на базе Windows.
Рассмотрим обычный офисный копировальный аппарат: при замятии бумаги сенсорное управление указывает, где находится замятие, какую дверцу открыть, как устранить неполадку, и подсказывает, что делать дальше, как только вы устраните замятие. Такая же удобная в использовании интеллектуальная система теперь доступна разработчикам машин с помощью современных HMI с сенсорным экраном и новейшими графическими пользовательскими интерфейсами. Чертежи и схемы компоновки станка могут быть включены в меню управления и диагностические инструменты, что позволяет лучше управлять повседневной работой станка и упрощает поиск и устранение неисправностей. Чертежи и интерактивные обучающие инструменты могут не только точно указать, в чем заключается проблема, — они также могут показать, как открывать корпуса и какие шаги может предпринять оператор, чтобы перевести машину в безопасный режим для первоначального технического обслуживания, а также другие ресурсы поддержки для устранения проблемы и возврата оператора к выполнению задач. перезапустите производство.
Усовершенствованная графика, подобная этой, может быть объединена с распределенным интеллектом, присущим машинам с приводом от серводвигателей, для предотвращения сбоев в работе машины до того, как они произойдут. Эта функция, называемая предиктивным обслуживанием, позволяет разработчикам оборудования устанавливать диапазоны отказоустойчивости приводов, а затем контролировать их производительность. Электроприводы и двигатели, такие как системы IndraDrive, позволяют контролировать широкий спектр условий — условий, которые непосредственно связаны с механическими характеристиками: колебания нагрузки, температуры, вибрации, крутящего момента, натяжения ремня и зацепления зубчатых колес — все это механические явления, которые приводят к изменению профиля крутящего момента электропривода и двигатель, приводящий в движение эти элементы машины. Инженеры-механики могут устанавливать допустимые значения для этих компонентов, и если они превышают их, то операторам через HMI могут быть четко и разумно выведены предупреждения о профилактическом обслуживании вместе с конкретными рекомендациями о дальнейших шагах по устранению неполадки, прежде чем она перерастет в серьезную производственную проблему или что-то, что может привести к повреждению машины.
Технологии смешивания для достижения оптимальной стоимости
Каждая электромеханическая система должна выполнять свою предназначенную функцию с минимальным использованием энергии, движения и компонентов, необходимых для выполнения работы, — это фундаментальная цель любого инженера-технолога. Системы электроприводов и серводвигателей в настоящее время предлагают множество надежных, энергоэффективных, интеллектуальных платформ с цифровым управлением, позволяющих повысить ценность интегрированного видения мехатроники и более инновационных решений для производства и автоматизации. Надеемся, что описанные здесь пять соображений демонстрируют преимущества, которые предлагают современные электроприводы и органы управления, помогая упростить некоторые механические конструкции и инженерные задачи и предоставляя новые ресурсы для стимулирования инноваций и креативности в проектировании машин.
Бош Рексрот
www.boschrexroth-us.com
Свежие комментарии