по Роберт Глокнер, группа передовых разработок, MICROMO
Инновационные компоненты помогают производителям оборудования революционизировать дизайн. Фактически, некоторые оригинальные устройства теперь могут воспользоваться приводами с нулевым люфтом и встроенными энкодерами зубчатых колес. Это дает разработчикам множество возможностей для сложных приложений.
Требования к производительности, стоимости и размерам для систем управления движением сильно различаются. В некоторых случаях производительность важнее всего, и бюджет должен просто смириться с результатом. В других случаях приложение требует высокой производительности, но по разумной цене. Как мы увидим далее, если применение требует абсолютной точности, энкодер с зубчатой головкой является экономичным и компактным решением. Для применений, которые не допускают никакого люфта, приводы с нулевым люфтом устраняют его механическим способом.
Рассмотрим идеальную систему перемещения, в которой контроллер посылает сигнал, а затем аппаратное обеспечение доставляет груз в заданное положение. В действительности источники ошибок, такие как механический гистерезис и люфт, снижают производительность. При достаточном количестве времени, усилий и денег на разработку можно свести эти эффекты к минимуму. Однако движение — это стимулирующая технология, а не самоцель, что означает, что производители, как правило, стремятся сосредоточиться на уникальном ценностном предложении своего продукта, а не, например, на подборе зубьев шестерни и демпфировании вибрации.
Теперь новая технология упрощает оптимизацию производительности и к тому же удешевляет ее.
Предотвращение потери хода с помощью тандемной передачи
Как уже упоминалось, некоторые приводы с нулевым люфтом обеспечивают стабильную работу в приложениях, которые не допускают потери хода. Чтобы устранить ошибку, вызванную вибрацией, податливостью и ударной нагрузкой, энкодер зубчатой головки обнуляет отклонение. Это позволяет производителям оборудования сосредоточиться на разработке собственных инновационных продуктов.
Даже самые лучшие зубчатые головки имеют небольшие зазоры между зубьями, позволяющие им сцепляться и сохранять смазку между контактирующими поверхностями. Недостатком является то, что в этом пространстве возникает небольшая потеря движения, называемая люфтом. Это проявляется как ошибка позиционирования, особенно в прецизионных приложениях с частыми разворотами. Даже для высокоточных зубчатых колес люфт по-прежнему составляет несколько угловых градусов, а обычный износ в течение срока службы станка только усугубляет его. Это не проблема для упаковщика ящиков или паллетизатора, но даже такая небольшая погрешность слишком велика для таких приложений, как робототехника, оптическое позиционирование и порталы.
На протяжении многих лет производители приводов внедряли конструкции для уменьшения люфта с использованием пластиковых прокладок, разъемных зубчатых колес и пружин для создания предварительного натяга, поддерживающего контакт между зубьями шестерни. Но ни один из них не идеален, поскольку они по-прежнему допускают погрешность в несколько угловых минут, а предварительную нагрузку необходимо регулировать с учетом износа и изменений окружающей среды для поддержания производительности.
Для решения этой проблемы в некоторых приводах с нулевым люфтом используется интегрированный узел. Они обеспечивают быстрое и точное позиционирование без люфта, что, в свою очередь, обеспечивает доставку грузов в заданные места с минимальной погрешностью. Компактные и надежные приводы plug-and-play также ускоряют сборку и устраняют брак.
Рассмотрим одну конкретную установку с двумя двигателями. В этой конструкции используется зубчатое колесо, окруженное двумя шестернями с приводом от двигателя. Одна шестерня позиционирует ось, а другая входит в зацепление с противоположной стороной зуба и воспринимает зазор. При нормальном движении двигатели приводят в движение нагрузку с комбинированным крутящим моментом. В конце перемещения первая шестерня удерживает положение, в то время как вторая шестерня поворачивается вспять, чтобы применить противодействующее усилие. Это эффективно устраняет механический люфт. Такие приводные редукторы одинаково хорошо работают при ускорении, замедлении и разворотах. Они отличаются гибкостью в том смысле, что сервоконтроллер может регулировать предварительную нагрузку, делая ее более мягкой или жесткой. Кроме того, это масштабируемый дизайн.
В дополнение к установкам с двумя двигателями, эта концепция дизайна также реализуется с четырьмя или даже шестью двигателями для увеличения крутящего момента при одновременном резервировании, особенно в высоконадежных приложениях.
Варианты привода с нулевым люфтом
Инженеры-конструкторы могут выбирать из конфигураций поворотных и линейных приводов с множеством уровней производительности и форм-факторов. Например, варианты со сквозными отверстиями полезны для оптических систем, работающих в условиях ограниченного пространства. Более конкретно, приводы со сквозным отверстием с нулевым люфтом могут позиционировать оптические компоненты, в то время как лазерный луч проходит через отверстие. Результатом является точная производительность в компактной системе. Отверстие также позволяет пользователям прокладывать кабели через центр, что позволяет сэкономить место и уменьшить усталость кабеля.
Такие приводы также превосходны в порталах для операций подбора и установки, где люфт может привести к заеданию (и снизить производительность, приводя к преждевременному износу системы). Здесь приводы с нулевым люфтом обеспечивают симметричное движение, благодаря чему каретки могут передвигаться быстрее при работе с более тяжелыми грузами.
Просто подумайте, как положение солнечной батареи на спутнике может означать разницу между функционирующим устройством и бесполезной кучей космического мусора. Надежность и функциональность привода с нулевым люфтом в реальных условиях позволяют инженерам оптимизировать расположение солнечных элементов. Привод также сохранил высокую производительность даже в условиях запуска и на орбите.
Другой подход: Приближение ошибки к нулю
В стандартных сервосистемах энкодер, установленный на валу двигателя, отслеживает количество оборотов для оценки положения груза. Однако податливость, гистерезис и люфт вносят погрешность между прогнозируемым и фактическим положением нагрузки. В некоторых случаях эта погрешность может достигать 2-3°. Хотя это приемлемо во многих стандартных конструкциях, требовательные OEM-приложения не могут допустить такой ошибки.
Прецизионным станкам OEM требуется энкодер, установленный на выходном валу редукторной головки, а не только на валу двигателя. Такие системы могут работать по двойному контуру управления. Сначала они замыкают контур вокруг энкодера двигателя, а затем вокруг энкодера головки редуктора. Такая конфигурация позволяет контроллеру измерять разницу между прогнозируемым и фактическим местоположением нагрузки (и компенсировать ошибку). Этот процесс приводит к небольшой задержке, но обеспечивает высокоточный вывод данных. Это особенно эффективно для сверхтребовательных приложений, таких как микроробототехника.
3D-печать и аэрокосмическая промышленность
Однако методы с двойным контуром управления могут быть сложными. Пространство может быть важным фактором. В конце концов, добавление энкодера к зубчатой головке не принесет большой пользы, если узел не подойдет. Установка энкодера на вал зубчатой головки включает в себя механические, электрические интерфейсы и интерфейсы управления. Это нетривиальная задача, требующая времени, которое лучше было бы потратить на работу над самим разрабатываемым продуктом.
В качестве одного из решений некоторые производители датчиков движения предлагают энкодеры с магнитными зубчатыми головками. Эти интегрированные пакеты собираются на заводе-изготовителе и точно настраиваются для оптимизации производительности. Основанные на датчике эффекта Холла, они обеспечивают разрешение 0,022 ° — и превосходны в приложениях, подверженных вибрации или ударным нагрузкам, а также в тех, которые не выдерживают времени отстаивания. Он может работать как автономная система обратной связи в конфигурациях, в которых вокруг двигателя недостаточно места для установки обычного энкодера вала. В сочетании с корпусом из нержавеющей стали энкодер делает энкодер с зубчатой передачей достаточно прочным, чтобы выдерживать жесткие условия загрязнения и вибрации. Он также компактен — всего 15 мм в диаметре — поэтому помещается в труднодоступных местах.
Такие настройки энкодера работают во множестве приложений. В хирургии, управляемой роботом, даже миллиметровая ошибка может кардинально повлиять на исход лечения пациента. Использование энкодера зубчатой головки в концевом эффекторе робота позволяет хирургам позиционировать свое оборудование с абсолютной точностью. 3D-печать требует такого же уровня производительности для изготовления деталей с мельчайшими деталями.
Рассмотрим другой пример: при сборке электроники точное позиционирование компонентов во время операций по подбору и установке может означать разницу между готовой печатной платой и дорогостоящими кусками металлолома. Точность энкодера с зубчатой головкой и небольшие габариты делают его подходящим для этих целей.
МИКРОМО
www.micromo.com
Свежие комментарии