Поняття роботів вже дуже широке. Ця стаття присвячена сервомоторам для роботизованих з’єднань, що використовуються в секторі промислової автоматизації, і не розглядає інтегровані серводвигуни для сервісних роботів.
Промислові роботи загалом класифікуються на лінійних роботів (також відомих як декартові роботи), роботів із кількома-ступенями--свободи (також відомих як багато-шарнірні роботи), паралельних роботів (також відомих як дельта-роботи) та горизонтальних багато-шарнірних роботів (також відомих як роботи SCARA). «Осередок автоматизації» складається з різних типів шарнірних роботизованих рук і автоматизованого транспортувального обладнання. Осередки автоматизації з різними функціями об’єднані в автоматизовану виробничу лінію, а кілька автоматизованих виробничих ліній об’єднані для створення автоматизованого цеху.
Серед цих промислових роботів і автоматизованих пристроїв серводвигуни відіграють вирішальну роль у точному, швидкому та надійному позиціонуванні механічних структур відповідно до команд керування; тому вони вважаються основними компонентами.
Основні поняття серводвигунів на постійних магнітах
«Серво» означає здатність без відхилень виконувати команди від керуючої комп’ютерної системи. Ця концепція не обмежується електродвигунами чи гідравлікою; він охоплює також пневматичні системи, і будь-який компонент, здатний виконувати це завдання, вважається сервокомпонентом.
Електродвигун - це електромеханічний компонент, який перетворює електричну енергію в механічну. Серводвигун – це електродвигун, розроблений для використання в системах керування рухом, де можна керувати його вихідними параметрами-такими як положення, швидкість, прискорення чи крутний момент-.
Серводвигуни можна класифікувати на різні типи на основі їхніх характеристик управління. За типом живлення поділяються на серводвигуни змінного струму і серводвигуни постійного струму; За режимом роботи вони поділяються на лінійні серводвигуни та обертові серводвигуни. Лінійні двигуни безпосередньо створюють силу Ньютона, тоді як роторні двигуни видають обертовий момент. Для приводу лінійних навантажень роторним двигунам потрібні механічні механізми, такі як ходові гвинти, для перетворення обертального руху в лінійний.
Ротаційні серводвигуни змінного струму класифікуються на асинхронні серводвигуни змінного струму та синхронні серводвигуни змінного струму на основі конструкції ротора. Ротор асинхронного серводвигуна змінного струму складається з алюмінієвої або мідної клітки, і швидкість обертання клітки завжди підтримує певну різницю швидкостей відносно синхронного обертового магнітного поля. Завдяки технології векторного керування цей тип двигуна може досягати таких же точних характеристик керування крутним моментом, як і двигуни постійного струму. Проте ротор має високу інерцію, хороші характеристики постійної-потужності та широкий діапазон швидкості, що робить його придатним для широкого діапазону змінних{4}}інерційних навантажень, таких як різання верстатів і намотування/розмотування друкарських машин. Недоліками є низький пусковий момент, а швидкість електромагнітного відгуку у них нижча, ніж у серводвигунів з постійними магнітами. Електромагнітна постійна часу приблизно в 10 разів більша, ніж у двигунів з постійними магнітами, виготовлених із матеріалів із постійними магнітами. Крім того, через низьку щільність потужності та великі розміри ротора вони не підходять для високо-динамічних сервоприводів.
Роторні синхронні серводвигуни змінного струму використовують матеріали постійного магніту для своїх роторів, які безпосередньо створюють магнітне поле збудження. Немає потреби в струмі збудження для встановлення магнітного поля двигуна, що забезпечує швидку електромагнітну реакцію. Крім того, висока щільність енергії поточних рідкоземельних матеріалів постійного магніту забезпечує високу щільність потужності в цих двигунах, що відкриває можливості для розробки серводвигунів з різними характеристиками продуктивності. Високого динамічного відгуку можна досягти за допомогою тонкої конструкції з низькою інерцією ротора або компактної, міцної конструкції з високою інерцією ротора. Використання рідкоземельних-матеріалів постійного магніту зробило двигуни з постійними магнітами кращим вибором для сервоприводів. Проте рідкоземельні-матеріали постійного магніту залишаються найдорожчим компонентом серед усіх матеріалів, які використовуються в сервомоторах. Відмінності в матеріалах, які використовуються різними виробниками, призводять до різного рівня якості продукції. Високоякісні-матеріали постійного магніту можуть не розмагнічуватися навіть при робочих температурах вище 150 градусів, тоді як нижчі матеріали можуть розмагнічуватися, коли робоча температура двигуна нижче 120 градусів. Якість матеріалів постійного магніту безпосередньо визначає різні характеристики серводвигуна.
Лінійні серводвигуни безпосередньо видають ньютон-метри сили без необхідності механічного перетворення, що забезпечує дуже високе прискорення. В останні роки швидкий технологічний прогрес призвів до їх широкого використання в осях подачі високо-продуктивних верстатів. Однак у промислових роботах їх застосування обмежується певними лінійними робототехнічними зброями і не є предметом цієї статті. У цій статті йдеться про обертові серводвигуни з постійними магнітами та їх застосування в промислових роботах.
Будова обертового двигуна з постійними магнітами
На малюнку 1 показана типова структурна схема серводвигуна з постійними магнітами. Щоб забезпечити вичерпний огляд, ця єдина діаграма призначена для чіткої ілюстрації всієї структури серводвигуна з постійним магнітом. Фактично,-потужні серводвигуни з постійними магнітами потужністю 15 кВт або менше можуть покладатися на природну конвекцію для охолодження, усуваючи потребу у вентиляторі. Ці мотори компактні і не вимагають монтажних ніжок; монтажні кільця також не потрібні. Заміна клемної коробки на авіаційний з’єднувач для провідних проводів призводить до чистішого дизайну. Отже, зовнішній вигляд двигуна стає таким, як показано на малюнку 2(a). Якщо двигун дуже малий-менше 1 кВт-навіть авіаційні роз’єми для провідних проводів непотрібні; натомість кабель можна протягнути безпосередньо від двигуна, що призведе до конфігурації, показаної на малюнку 2(b).
Рисунок 1: Принципова схема серводвигуна з постійним магнітом
Малюнок 2. Принципова діаграма мало{1}}потужного серводвигуна з постійним магнітом
У цьому розділі передбачається, що читач розуміє принципи роботи електродвигунів, і зосереджується лише на поясненні структурних відмінностей між серводвигунами з постійними магнітами та іншими типами двигунів на основі характеристик двигунів роботів.
Підшипники: термін служби серводвигуна тісно пов’язаний з його підшипниками. Враховуючи високі вимоги до надійності та довговічності роботів, підшипники повинні забезпечувати термін служби не менше 30 000 годин. Виходячи з 8-годинного робочого дня, це означає термін служби робота щонайменше 10 років. Підшипники повинні бути здатні до переривчастої роботи при 6000 об/хв.
Ламінування та обмотки статора: оскільки двигуни роботів вимагають високої питомої потужності, а також для мінімізації розміру та зменшення втрати чавуну, виділення тепла, матеріал шарування має бути холоднокатаною кремнієвою сталлю товщиною 0,35 мм або менше. Обмотки мають витримувати тривалий-вплив несучих імпульсів зі змінною-частотою 16 кГц. Щоб запобігти поломці та витримати інтенсивні стрибки dv/dt, номінальна витримувана напруга має бути не менше 2500 В.
Матеріал постійного магніту ротора: матеріал постійного магніту є найдорожчим компонентом серводвигуна з постійним магнітом. Матеріали з низьким вмістом рідкоземельних елементів мають низьку точку Кюрі та погану стабільність матеріалу. Якщо використовуються неодим-залізо-борні (NdFeB) магніти, бажано, щоб вони були класу UH42 або вище. Крім того, слід звернути увагу на вміст рідкоземельних елементів, таких як диспрозій. Щоб забезпечити стійкість до розмагнічування при високих-температурах, самарій-кобальтові (SmCo) магніти також широко використовуються в малих і середніх-серводвигунах. Підводячи підсумок, важливо переконатися, що серводвигун залишається справді стійким до розмагнічування-за нормальних умов експлуатації. Інакше довгострокову-стабільність робота не можна гарантувати.
Ущільнення валу: щоб запобігти потраплянню мастила та сміття в двигун, забезпечуючи безперебійну роботу, встановлення ущільнення валу на кінці вала двигуна є стандартною практикою проектування. У роботах маленька шестерня часто фрезерується на валу серводвигуна, щоб підключити двигун безпосередньо до редуктора. Оскільки висока температура та масло можуть потрапити в двигун, потрібні багато-високотемпературні{3}}ущільнення вала. Наприклад, подвійне-гумове ущільнення вала з фторуглеродного каучуку надійніше, ніж одно-ущільнення вала з нітрилової гуми, хоча різниця у вартості є значною.
Гальмо: гальмо є стандартною функцією двигунів роботів. Майже 95% серводвигунів потребують гальма. Щоб забезпечити постійне спрацьовування гальма-особливо під час аварійної зупинки-воно має працювати надійно. Гальмо повинно мати достатній коефіцієнт міцності, статичний крутний момент приблизно в 1,5 рази перевищує номінальний крутний момент двигуна. Для важких-двигунів-роботів коефіцієнт надійності для гальма має сягати 2,0 або навіть 2,5 номінального крутного моменту. Важливо зауважити, що гальмо двигуна робота є безпечним, а не робочим. Система управління повинна забезпечувати, щоб під час аварійної зупинки гальмівний контур сервоприводу активувався через гальмівний резистор, і гальмо спрацьовувало, коли швидкість двигуна наближалася до нуля. Для підвищення швидкості реакції гальма з постійним магнітом перевершують електромагнітні пружинні гальма.
Енкодер: Енкодер встановлено на задньому кінці двигуна та функціонує як датчик швидкості двигуна та положення ротора. Він вимірює положення ротора, щоб надати керуючому комп’ютеру дані про фактичне положення та швидкість ротора для сервокерування, позиціонування магнітного поля та розрахунку траєкторії руху. Хоча кодери двигунів-роботів зазвичай не забезпечують високої точності, вони повинні підтримувати багато-вимірювання абсолютного положення, щоб гарантувати, що двигун може відновити роботу з положення, в якому він був до збою живлення. Наразі існує три загальні підходи до вирішення вимог до кодувальника двигуна робота. У першому методі використовується оптичний або магнітний кодер із кодом Грея для одно-обертового вимірювання та механічні шестерні для багато-обертового вимірювання. Перевагою такого підходу є висока точність вимірювань; після відключення електроенергії робоче положення двигуна зберігається завдяки механічному положенню кодера, і його можна зчитувати безпосередньо після-ввімкнення живлення. Однак недоліком є те, що кодер занадто товстий, що робить його занадто довгим для обмежених місць встановлення. Другий метод використовує оптичний або магнітний кодер Грея для зберігання даних про один-поворот, тоді як дані про багато{12}}повороти зберігаються через електронну пам’ять-з живленням від батареї. Це дозволяє зробити кодер дуже коротким, що робить його ідеальним для невеликих серводвигунів із зовнішнім діаметром менше 60 мм. Недоліком є те, що термін служби батареї відносно короткий-зазвичай щонайбільше 2–3 роки, а в деяких випадках батарею потрібно замінити лише через рік. Третій метод використовує поворотний трансформатор для вимірювання позиції одного-повороту для додатків із низькими вимогами до точності, тоді як багато{22}}інформація обробляється схемною платою-з живленням від батареї всередині блоку керування.
Подовження валу ротора: через часту роботу вперед і назад двигун піддається зсуву; тому бажано, щоб матеріал валу був із загартованої сталі 42CrMo. Якщо двигун встановлено за допомогою ключа, ключ повинен бути повністю встановлений, щоб ефективно зменшити динамічний баланс двигуна та биття. На високих швидкостях різниця биття між шпонковим серводвигуном і оголеним валом за-роботи без навантаження може бути в дев’ять разів більшою-фактором, який не слід недооцінювати.
Основні параметри передачі серводвигунів з постійними магнітами
Робоча зона: область, де двигун може працювати безперервно без перевищення допустимого підвищення температури, називається безперервною робочою зоною; область за межами безперервної робочої зони, де дозволена короткочасна-робота, називається періодичною робочою зоною. Робоча зона представлена двовимірною координатною площиною крутного моменту та швидкості.
Номінальна потужність PN: максимальна потужність, яку може видавати двигун у безперервній робочій зоні.
Номінальний крутний момент MN: крутний момент, при якому двигун забезпечує номінальну потужність у безперервній робочій зоні. Визначення номінального крутного моменту значно відрізняються серед виробників. Зазвичай вказуються відповідні умови розсіювання тепла. У міжнародному масштабі загальноприйнятою практикою є вказівка, що цей рейтинг вимірюється за допомогою двигуна, встановленого на алюмінієвому фланці певної площі та товщини, при цьому температура фланця підтримується на рівні 20 градусів або нижче заданої температури. Тому під час фактичної роботи двигуни часто встановлюються на чавунних компонентах, і літні температури можуть перевищувати стандартні випробування. Якщо під час роботи не допускається запас, це може призвести до перегріву та розмагнічування. Стандартна умова температури навколишнього середовища 40 градусів, визначена китайським національним стандартом, є відносно прийнятною для китайського середовища. Поважні виробники включатимуть певний розрахунковий запас нижче номінальних значень, визначених відповідно до стандарту, під час публікації номінального крутного моменту, що є безпечнішим.
Номінальний струм IN: струм, що відповідає номінальному крутному моменту.
Номінальна швидкість nN: Максимальна швидкість, з якою двигун може працювати з номінальним крутним моментом протягом безперервного робочого циклу.
Безперервно заблокований-крутний момент ротора MO: максимальний крутний момент, який може забезпечити двигун, коли він заблокований у безперервному робочому циклі. Як правило, швидкість нижче 100 об/хв вважається робочим діапазоном-заблокованого ротора.
Безперервний струм заблокованого-ротора I0: струм, що відповідає постійному крутному моменту-ротора.
Піковий крутний момент Mmax: максимальний крутний момент, який двигун може видавати. Номінальні умови значно відрізняються у різних виробників. Деякі вказують крутний момент, що відповідає струму розмагнічування; такі специфікації не слід використовувати як піковий крутний момент. Розробники механіки повинні передбачити достатній запас, щоб запобігти розмагнічуванню та виходу двигуна з ладу через надмірний робочий момент. Якщо максимальний крутний момент вказано відповідно до робочого циклу, він має інженерне еталонне значення. Піковий крутний момент, визначений відповідно до S3-10%, має найбільше інженерне еталонне значення; його можна розуміти як максимальний робочий крутний момент, дозволений для безперервного часу роботи 3 секунди, що є достатнім для роботів. Повторюване перевантаження для багатошарнірних роботів зазвичай становить близько 2,0 разів.
Піковий струм Imax: робочий струм, що відповідає піковому крутному моменту.
Електрична постійна часу Te: характерна постійна, що представляє швидкість, з якою струм реагує на прикладену напругу. Він визначається як час, потрібний для досягнення струмом 1 - e^(-1) (приблизно 63,2%) кінцевого струму після того, як фіксовану напругу прикладено до клем двигуна. Електрична постійна часу серводвигуна зазвичай визначається як відношення індуктивності обмотки статора до її опору (Te=L/R). Він пов’язаний із поточним часом відгуку на крок сервосистеми, але не обов’язково еквівалентний йому.
Механічна постійна часу Tm: механічна постійна часу серводвигуна визначається як: tm=R*J/Ke*Kt, тобто вона пов’язана з опором обмотки, моментом інерції ротора, коефіцієнтом зворотної-ЕРС двигуна та коефіцієнтом крутного моменту двигуна. Механічна постійна часу приводного двигуна приблизно еквівалентна часу, необхідному для прискорення двигуна від нульової швидкості до 63,2% від його сталої-швидкості в стані -без навантаження. У системі сервоприводу ця константа може бути чисельно еквівалентною швидкості-часу реакції системи.
Константа зворотної-ЕРС Ke: значення-зворотної{2}}ЕЛС без навантаження, викликане двигуном на одиничній швидкості. Зазвичай це стосується зворотної-ЕМП без навантаження-, що відповідає 1000 об/хв, з одиницями В/к/хв.
Константа крутного моменту Kt: вихідний крутний момент двигуна, що відповідає одиниці струму. Співвідношення між-коефіцієнтом зворотної ЕРС двигуна Ke та коефіцієнтом крутного моменту Kt зазвичай визначається як Kt=9.55 * Ke * 1,732, де Kt — у Нм/А, Ke — у В/об/хв, а Ke=Kt. Тут Ke посилається на лінію назад-ЕМП.
Якщо технічні характеристики двигуна не містять параметрів Kt і Ke, Kt можна отримати з номінального крутного моменту та номінального струму. Потім, використовуючи відношення Kt=9.55 * Ke * 1,732, зворотний рядок-коефіцієнт ЕРС Ke можна опосередковано отримати таким чином: Ke=0.1047 * Kt / 1,732, з одиницями В/об/хв; Альтернативно: Ke=104.7 × Kt / 1,732 з одиницями вимірювання В/к/хв або мВ/об/хв.
Через обмеження напруги джерела живлення зворотна ЕРС двигуна зазвичай розроблена так, щоб бути відносно низькою, щоб забезпечити високу чутливість, гарантуючи достатнє падіння напруги на високих швидкостях для отримання адекватного струму. Однак високий струм збільшує теплове навантаження двигуна. Отже, двигуни роботів вимагають високої питомої потужності для досягнення компактних розмірів, високого крутного моменту та низького тепловиділення.
Момент інерції ротора J: Момент інерції ротора двигуна. Момент інерції двигуна робота є критичним, оскільки від нього безпосередньо залежить стабільність роботи робота. Це пов’язано з тим, що роботи часто використовують багато{2}}координацію. Наприклад, друга вісь шарнірного робота вимагає двигуна зі значною інерцією, щоб адаптувати суттєві зміни інерції навантаження, які виникають, коли рука висувається та втягується.
Зубчастий-крутний момент: коли обмотки двигуна з постійними магнітами розімкнуті-, періодичний крутний момент створюється протягом одного оберту двигуна через щілини в сердечнику якоря, які прагнуть вирівнятися з положеннями мінімального магнітного опору.
Перевантажувальна здатність: здатність двигуна забезпечувати задану потужність або крутний момент протягом визначеного періоду за певних умов без перевищення заданого пікового струму. Як правило, відношення пікового струму до номінального струму називають коефіцієнтом перевантаження за струмом, тоді як відношення пікового крутного моменту до номінального крутного моменту називають коефіцієнтом перевантаження крутного моменту. Як правило, двигуни роботів повинні забезпечувати здатність перевантаження крутного моменту приблизно в 3 рази.
Максимальна швидкість nN: найвища швидкість, яку може досягти двигун під час роботи з перервами. Визначення максимальної швидкості суттєво різняться між виробниками двигунів; для двигунів роботів надане значення зазвичай представляє найвищу швидкість, з якою можлива повторювана робота під час фактичного використання. На максимальній швидкості відповідний максимальний крутний момент може вдвічі перевищувати номінальний крутний момент, забезпечуючи реакцію на прискорення у всьому діапазоні швидкостей.