около Херли Гилл, старший инженер по системам и приложениям, Kollmorgen

Что вам нужно знать об упрощении подхода к проектированию вашего станка для оптимального управления серводвигателем?

Часто задаваемый вопрос от производителей промышленного оборудования или интеграторов заключается в том, как они могут эффективно спроектировать или осуществить переоборудование станка с помощью сервотехники, чтобы обеспечить ожидаемые эксплуатационные характеристики. Это специализированная задача, состоящая из нескольких уровней сложности, которую может оказаться трудно выполнить, даже если объем работ полностью понятен. Доступные технологии представляют собой возможные инженерные вариации и уникальные рабочие процессы. В таком случае, если возникает недопонимание или пробел в знаниях, для любого конкретного процесса, связанного с выполняемой работой, возможности расширяются в геометрической прогрессии и создают дополнительную сложность с дополнительным риском.

Очевидно, что при рассмотрении конструкции станка на этапе планирования необходимо учитывать множество факторов. Анализ всех возможных ситуаций для снижения риска отказа, а также проработка различных комбинаций и сценариев — это сложный комплекс задач. Поэтому важно получить базовые знания о функциях станка и каждой из его осей в соответствии с общим рабочим процессом и выполняемой работой. Начните с глубокого понимания процесса, необходимого для выполнения функций машины, получения полной картины, включающей все входы и выходы, а также определения любых переменных и компромиссов, и осознайте, что, вероятно, будут некоторые неизвестные моменты. Это также относится к преимуществам и недостаткам существующих технологий перемещения, которые рассматриваются и применяются к каждой оси станка. Получение как можно более глубокого представления на начальном этапе позволит устранить потенциальные проблемы на последующих этапах и расширит возможности для успешного выполнения.

Более подробный обзор технологий и различных степеней производительности
То, что считается высокой технологической производительностью для одного производственного процесса, не обязательно является высокой производительностью для другого. Для машиностроителя естественно внедрять технологии, с которыми у него есть опыт. Однако новые задачи часто требуют использования более новых технологий. Когда для модернизации или создания новой конструкции станка требуются технологии управления движением с замкнутым контуром (сервоприводы), часто возникают недоразумения. Например, часто возникают недоразумения между тем, что требовалось для оптимизации станка с использованием предыдущих технологий, и тем, что требуется сейчас для оптимизации производительности станка. Правильное внедрение технологий управления движением с замкнутым циклом требует сбалансированного использования их возможностей, компромиссов и факторов, которые повысят производительность новой машины.

Предыдущие технологии могут включать гидравлические приводы, двигатели с регулируемой частотой вращения, пневматику или любое количество типичных систем управления с разомкнутым контуром, а в некоторых случаях — полузамкнутые или псевдозамкнутые технологии. Даже более новые концепции управления с замкнутым контуром должны быть рассмотрены или сбалансированы со старыми концепциями для снижения риска. Например, управление всеми осями станка с помощью виртуальной главной оси может быть усовершенствованием. Однако, если одна ось, по существу, приводится в движение двумя или более двигателями (жестко связанными или псевдосвязанными механически с помощью механизма/нагрузки), дополнительная задержка связи привода одного двигателя с другим через виртуальный пульт управления, а не напрямую друг с другом, увеличит риск в зависимости от скорость работы машины.

В целом, для поддержания качества любого процесса, который необходимо ускорить или ускорить его выполнение, требуется машина с более быстрым временем отклика, чем у предыдущей конструкции. Другими словами, машина должна обладать способностью быстрее перемещаться и воздействовать на продукт, а также реагировать на все команды и помехи в пределах возможностей самого продукта и процесса. Часто фактическое время процесса является фиксированным и не может быть увеличено в рамках существующей технологии, поэтому в качестве доступного времени для ускорения остается только время передачи продукта. В свою очередь, это увеличивает требования к максимальной мощности двигателя axis при разгоне/торможении по сравнению с исходным уровнем за счет увеличения соотношения скорости и крутящего момента (увеличение на 15% скорости и крутящего момента при максимальных требованиях приводит к увеличению мощности на 32,25%). Многие из проблем, возникающих при преобразовании технологического оборудования с какой-либо формы управления с разомкнутым контуром, методом включения-выключения (bang-bang) или псевдозамкнутым методом управления в машину с замкнутым контуром, управляемую серводвигателем, могут быть не совсем понятны начинающему проектировщику серводвигателей.

Некоторые из наиболее очевидных проблем включают:

Инерция:В прошлом инерция не была проблемой или даже не принималась во внимание при проектировании некоторых осей станка. Для некоторых других осей оптимальная машина требовала высокой инерционности системы (нагрузки и привода), чтобы продукт не замечал никаких помех. Мы хотим использовать высокопроизводительный сервопривод для увеличения скорости и, следовательно, производительности при том же или улучшенном качестве. Для этого требуются оси с более высокой пропускной способностью, чем у большинства предыдущих моделей, чтобы распознавать команды, изменения в продукте и помехи, что позволяет нам быстро и легко реагировать на ошибки и вносить соответствующие исправления. Это требует меньшей инерционности системы. Это особенно актуально для процессов, требующих перемещения от точки к точке или корректировки на лету для непрерывных или псевдонепрерывных процессов. Затраты на электроэнергию также часто снижаются за счет повышения эффективности производства.

Механическое преимущество за счет зубчатых колес: Другой проблемой, связанной с ранее разработанными станками, является люфт в механизме оси. Часто этот тип перемещения оси рассматривался лишь как потенциальная технологическая проблема. Причина в том, что механизм advantage с однонаправленным приводом, работающий против нагрузки, остается по одну сторону от люфта механизма. Однако при постоянной коррекции скорости серводвигателя полное смещение ± наблюдается неоднократно.

Механическое преимущество зубчатого ремня: Для многих ранее разработанных машин (особенно с однонаправленным приводом) степень податливости, обеспечиваемая ремнем, как правило, не является серьезной проблемой с точки зрения технологического процесса, если его размер достаточно велик, чтобы он не ломался. Однако при постоянной коррекции скорости серводвигателя полная ± можно неоднократно наблюдать изменение податливости ремня. Обычное удвоение ширины ремня (рассчитанное для однонаправленного механизма) для уменьшения податливости может привести к тому, что ремень станет слишком широким. В этом случае дизайнеру, возможно, потребуется использовать столько ширины, сколько позволит доступное пространство, и, по возможности, еще больше уменьшить податливость ремня (т.е. увеличить жесткость), выбрав более прочный или толстый ремень. Однако имейте в виду, что более толстый ремень снижает податливость (желательно), но снижает частоту собственного резонанса (нежелательно) – в зависимости от того, где частота находится в спектре системы управления. Другая проблема заключается в том, что ремень большего размера будет иметь большую боковую нагрузку, которую необходимо учитывать при проектировании, что может повлиять на подшипники, натяжители, шкивы и двигатели.

Для многих проектировщиков эти новые задачи могут оказаться непростыми. Это связано с тем, что то, что работало при использовании множества различных технологий управления с разомкнутым контуром, «ВКЛЮЧЕНИЕМ-выключением» и псевдозамкнутым контуром, теперь является потенциальным препятствием для новой конструкции станка. Таким образом, этот новый дизайн может потребовать дополнительных усилий от разработчиков мехатроники, специализирующихся в области механики, электротехники, электроники, управления, технологических процессов и программирования, чтобы упростить и достичь целей управления рисками, оптимальной производительности и сокращения времени разработки.

Сведение к минимуму потенциальных проблем с процессом
Как правило, при использовании сервосистемы проектировщикам необходимо повысить пропускную способность каждой оси новой машины. Для выполнения этой задачи мы должны учитывать ряд переменных. Они включают в себя нагрузки трения и любые внешние нагрузки (гравитационные или иные), инерцию между нагрузками, отражающимися обратно на двигатель, что обеспечивает практичное управляемое решение в рамках требуемых технологических допусков, а также люфт и соответствие каждой оси. Для типичного сервомеханизма желательно иметь жесткую муфту, чтобы свести к минимуму податливость.

Для многих осей с прямым приводом совместимость стали между двигателем и нагрузкой может быть ограничивающим фактором и влиять на пропускную способность контуров сервоуправления. Даже соответствие каркасу машины может стать важным фактором, влияющим на пропускную способность axis, стабильность движения и управляемость, тогда как при использовании предыдущих технологий это, возможно, не вызывало никаких опасений. Например, для достижения наилучшей ширины полосы пропускания по оси, управляемости и минимального риска возникновения каких-либо проблем с картриджными двигателями с прямым приводом важно спроектировать ведомый вал (если это применимо) с как можно большим наружным размером и как можно более длинной конструкцией, при этом общая длина вала должна быть как можно короче. возможно.

В кассетных двигателях с прямым приводом используются подшипники станка, которые поддерживают ротор полнокаркасного двигателя для простоты монтажа, и часто могут устранить необходимость в механических приспособлениях, таких как зубчатые передачи или шкивы и ремни, как в других конструкциях двигателей с прямым приводом.

После того, как мы разберемся с основными процессами и функциями машин, мы можем начать задавать вопросы, чтобы определить направление и возможные решения для работы, выполняемой каждой осью. Следующий набор вопросов не является исчерпывающим, а скорее служит началом для упрощения подхода к проектированию каждой оси.

ВОПРОСЫ ОСИ:

1. Требуется ли перемещение рассматриваемой оси от точки к точке (обычная работа в режиме позиционирования)?

a. Максимально уменьшите инерцию нагрузки и инерцию механизма. Например, по возможности используйте алюминий вместо стали и/или удалите ненужный металл из компонентов, особенно при больших диаметрах, где в противном случае он не понадобится. Помните, что момент инерции вращающегося элемента вокруг своей центральной оси увеличивается на его диаметр в 4-й степени.

b. Максимально уменьшите трение: подшипники по сравнению со втулками, шариковый винт по сравнению с винтом типа acme и т.д.

c. Максимально снизьте соответствие механизмов требованиям (используйте соотношение затрат и возможностей, когда это применимо).

d. Уменьшите, сведите к минимуму или вовсе устраните люфт механизма, насколько это возможно, в зависимости от соотношения ремня и зубчатой передачи, прямого привода и так далее.

e. Уменьшите количество движущихся тел между грузом и двигателем и сделайте приводную цепь механизма как можно более жесткой. Например, реечный механизм должен быть зафиксирован таким образом, чтобы реечная передача не вставала на зубья при ускорении или замедлении на высокой скорости.

f. Используйте жесткую (например, компрессионную) или эквивалентную муфту, если это применимо к механизму, что снижает вероятность механического срабатывания и, в противном случае, относительно большую инерцию сцепления.

g. Для приложений индексации (особенно высокоскоростных) увеличьте разрешение обратной связи до максимального значения (в зависимости от соотношения затрат и возможностей).

2. Требуется ли для рассматриваемой оси постоянная рабочая скорость (работа в обычном скоростном режиме)?

a. Необходимо учитывать допуски по скорости в долгосрочной и краткосрочной перспективе, если это применимо:
i. Если очень кратковременный допуск является более критичным/доминирующим (требуется меньший кратковременный Δ-допуск на определенную единицу времени), то инерция нагрузки, превышающая обычно желаемую, все еще может быть более подходящей. (Процесс должен быть понятен, и для конкретного процесса это может быть сделано в любом направлении: минимизация инерции нагрузки (с максимальным разрешением обратной связи) или специально разработанная большая инерция нагрузки (для снижения кратковременной реакции) — трудно принять решение без конкретной информации о процессе).
ii. Если преобладает долговременный допуск (требуется жесткий долговременный допуск Δ на определенную единицу времени), то, как правило, лучше всего максимизировать разрешение обратной связи, снизить нагрузку и инерционность механизма, что позволяет сервоприводу поддерживать наилучшее управление с максимальной пропускной способностью.
iii. Если для процесса требуется лучшее из обоих вариантов: уменьшите инерцию нагрузки и механизма и увеличьте разрешение обратной связи до максимально возможного (используйте соотношение затрат и возможностей).

b. Когда это применимо:
i. Максимально уменьшите инерцию нагрузки и механизма, чтобы увеличить пропускную способность.
ii. Максимально уменьшите трение.
iii. Максимально уменьшите налипание, особенно при низкоскоростных технологических процессах.
iv. Устраните люфт механизма.
v. Максимально уменьшите податливость механизма, используйте жесткую (например, компрессионную) или эквивалентную муфту, если это применимо к механизму, и сведите к минимуму количество движущихся тел между нагрузкой и двигателем.

c. Увеличьте разрешение обратной связи до максимального (кривая зависимости затрат от возможностей).

d. Органы управления: по возможности запустите привод в позиционном режиме на соответствующее время и в соответствующем диапазоне перемещений (как правило, серводвигатель может лучше выдерживать постоянную скорость при работе внутри позиционного контура).

3. Требует ли рассматриваемая ось постоянного приложения усилия к некоторой нагрузке (обычно в режиме крутящего момента)?

a. Максимально уменьшите трение, поскольку прилипание может легко стать проблемой.

b. Если в течение некоторого времени в состоянии с заблокированным ротором прикладывается внешнее усилие, двигатель должен быть соответствующего размера. Это не типичное применение сервоприводов. (Многие, если не большинство, серводвигатели рассчитаны на низкие обороты (состояние с остановленным ротором), при этом скорость вращения должна быть достаточной
для обеспечения равномерного распределения тепла.) При необходимости обратитесь к производителю двигателя.

4. Требуется ли для рассматриваемой оси чрезвычайно низкая скорость вращения (<=1 об/мин)?

a. Максимально уменьшите трение и прилипание; прилипание может легко стать проблемой.

b. Устраните люфт механизма.

c. Максимально уменьшите податливость механизма, используйте жесткую или эквивалентную муфту, если это применимо к механизму, и сведите к минимуму количество движущихся тел между нагрузкой и двигателем.

d. Увеличьте разрешение обратной связи до максимального или минимального значения, используя изгиб кривой затрат в сравнении с возможностью более высокого разрешения.

e. Управление; если речь идет о применении скорости в сравнении с позиционированием, то, по возможности, запустите привод в позиционном режиме на соответствующее время и в соответствующем диапазоне перемещений (как правило, серводвигатель может лучше выдерживать постоянную скорость при работе внутри позиционного контура).

5 Является ли рассматриваемая конкретная ось вертикальной?

a. Используйте безотказный тормоз (встроенный в двигатель или внешний осевой тормоз) или уравновешивающую нагрузку.

b. Если используется безотказный тормоз, убедитесь, что его физическое включение и выключение синхронизировано с командами привода с надлежащими задержками для включения и выключения соответствующего тормоза.

c. При уравновешивании нагрузки учитывайте инерцию дополнительной нагрузки и ее влияние на требования к крутящему моменту при ускорении и замедлении.

d. При уравновешивании нагрузки, как правило, существуют компромиссы из-за фактической продолжительности технологического цикла, в результате чего уравновешивается только процент нагрузки.

e. Для частично несбалансированных нагрузок используйте смещение тока, когда это применимо, чтобы компенсировать несбалансированную нагрузку и свести к минимуму требования к интеграции контура управления (обычно это уменьшает фазовый сдвиг и снижает риск).

f. Убедитесь, что предлагаемые методы контроля соответствуют протоколам безопасности и любым другим специфическим требованиям.

Краткое описание подхода к проектированию каждой оси
Чтобы повысить пропускную способность и управляемость любой оси, управляемой серводвигателем, необходимо учитывать сочетание факторов, связанных с функцией машины, выбранным технологическим процессом и работой, которую должна выполнять каждая из рассматриваемых осей. К факторам, которые следует учитывать, относятся трение и заедание, внешняя нагрузка, люфт и податливость, нагрузка и инерция механизма на двигателе, разрешение обратной связи и, наконец, при необходимости, привод двигателя, ШИМ/SVM и частота обновления. Кроме того, при доработке мехатронного проекта также может потребоваться учитывать общее количество движущихся тел между нагрузкой и двигателем, а также собственные частоты конструкции.

Вы не можете разумно снизить затраты на оборудование, производственный процесс которого еще не работает. Вот почему потребности выбранного производственного процесса должны быть приоритетными при принятии решений, а не первоначальные компромиссы в производительности оборудования и снижении затрат. При первоначальной сборке станка зачастую лучше всего проектировать его с учетом максимальной производительности при минимальных затратах. Если новый станок соответствует производственным требованиям, используя кривую затрат на его компоненты, возможно, еще есть возможности для некоторого снижения затрат. С другой стороны, если какой-либо конкретный компонент машины требует дополнительных возможностей, дополнительные затраты могут быть более легко оправданы.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И СООБРАЖЕНИЯ:

Следующий ряд вопросов и соображений может быть также применим к конкретной оси, определенной в предыдущем списке выше, с целью дальнейшего уточнения нового дизайна, ось за осью.

1. Должна ли машина быть способна работать с несколькими продуктами?

a. Физическая оболочка должна определяться в зависимости от ассортимента продукции.

b. Самые высокие показатели (самые маленькие изделия) обычно задают худшие профили движения для достижения максимальных производственных показателей.

c. Какова желаемая производительность/цель: футы в минуту, количество деталей в минуту и так далее?
i. Устанавливает максимальные рабочие скорости: непрерывные или для определенного профиля движения.

d. Каковы требуемые технологические допуски для конкретной оси и выполняемой работы?
i. Устанавливает минимальные требования к разрешению обратной связи и точности с помощью механизма в зависимости от продукта или физической потребности
для второго устройства обратной связи (начните с колена кривой соотношения затрат и возможностей).

2 Есть ли какие-либо преимущества в процессе, если свести к минимуму негативные последствия или соответствие требованиям, выходящие за пределы кривой соотношения затрат и возможностей?

Устанавливает обоснование затрат/цены на дополнительные возможности и/или надежность, если это необходимо.

3 Существуют ли особые условия для запуска или остановки, технического обслуживания и/или обеспечения безопасности, которые должны соблюдаться?

a. Критические/доминирующие требования/технические характеристики могут определять окончательные размеры двигателя и привода, а также архитектуру управления. Например, необходимо ли сохранять текущее положение оси в случае обрыва кабеля связи между контроллером станка и сервоприводом?
i. Если это так, то сервопривод, вероятно, должен управлять соответствующим контуром положения оси сервопривода, в отличие от того, чтобы сервопривод получал команду крутящего момента/скорости от отдельного / внешнего контроллера.

Информация о перепечатке >>

Коллективное утро
www.kollmorgen.com