Doğrudan tahrikli ve dişli döner servo motor karşılaştırması: Tasarım avantajının sayısallaştırılması: Bölüm 1

Öğrenme Hedefleri

• Gerçek dünyadaki döner servo sistemleri, teknik sınırlamalar nedeniyle ideal performansın gerisinde kalıyor.
• Çeşitli döner servo motor türleri kullanıcılara fayda sağlayabilir, ancak her birinin belirli bir zorluğu veya sınırlaması vardır.
• Doğrudan tahrikli döner servo motorlar en iyi performansı sunar ancak dişli motorlardan daha pahalıdırlar.

Onlarca yıldır dişli servo motorlar endüstriyel otomasyon alet kutusundaki en yaygın araçlardan biri olmuştur. Dişli sevromotorlar konumlandırma, hız eşleştirme, elektronik kamlama, sarma, gerdirme, sıkma uygulamaları sunar ve bir servo motorun gücünü yük ile etkin bir şekilde eşleştirir. Bu durum şu soruyu gündeme getiriyor: Döner hareket teknolojisi için dişli servo motor en iyi seçenek midir, yoksa daha iyi bir çözüm var mıdır?

Mükemmel bir dünyada, bir döner servo sistemi, uygulamaya uygun tork ve hız değerlerine sahip olacak, böylece motor ne aşırı büyük ne de küçük olacak. Motor, aktarma elemanları ve yük kombinasyonu sonsuz burulma sertliğine ve sıfır boşluklu olmalıdır. Ne yazık ki, gerçek dünyadaki döner servo sistemleri bu idealin çeşitli derecelerde gerisinde kalıyor.

Tipik bir servo sistemde boşluk, aktarma elemanlarının mekanik toleranslarından dolayı motor ile yük arasındaki hareket kaybı olarak tanımlanır; buna dişli kutuları, kayışlar, zincirler ve kaplinlerdeki hareket kayıpları da dahildir. Makine ilk kez açıldığında yük, mekanik toleransların ortasında bir yerde yüzer (Şekil 1A).

Yükün motor tarafından hareket ettirilebilmesinden önce, motorun, iletim elemanlarında mevcut olan tüm boşluğu alacak şekilde dönmesi gerekir (Şekil 1B). Motor bir hareketin sonunda yavaşlamaya başladığında, momentum yükü motor konumunun ötesine taşıdığından yük konumu aslında motor konumunu geçebilir.

Motorun, yükü yavaşlatmak için tork uygulamadan önce ters yöndeki boşluğu tekrar alması gerekir (Şekil 1C). Bu hareket kaybına boşluk denir ve genellikle derecenin 1/60'ına eşit olan yay dakikası cinsinden ölçülür. Endüstriyel uygulamalarda servolarla kullanılmak üzere tasarlanan dişli kutuları genellikle 3 ila 9 ark dakikası arasında değişen boşluk spesifikasyonlarına sahiptir.

Burulma sertliği, tork uygulanmasına yanıt olarak motor şaftının, aktarma elemanlarının ve yükün bükülmesine karşı dirençtir. Sonsuz katı bir sistem, dönme ekseni etrafında açısal sapma olmadan torku yüke iletecektir; ancak ağır yük altında sağlam bir çelik mil bile hafifçe bükülecektir. Sapmanın büyüklüğü uygulanan torka, aktarma elemanlarının malzemesine ve şekline göre değişir; sezgisel olarak uzun, ince parçalar kısa, kalın olanlardan daha fazla bükülecektir. Bükülmeye karşı bu direnç, helezon yayların çalışmasını sağlayan şeydir, çünkü yayın sıkıştırılması telin her dönüşünü hafifçe büker; kalın tel daha sert bir yay oluşturur. Sonsuz burulma sertliğinden daha düşük herhangi bir şey sistemin bir yay gibi hareket etmesine neden olur, bu da yükün dönmeye direnmesi nedeniyle potansiyel enerjinin sistemde depolanacağı anlamına gelir.

Sonlu burulma sertliği ve boşluk bir araya getirildiğinde servo sistemin performansını önemli ölçüde düşürebilir. Motor enkoderi, boşluğun yükün yerleşmesine izin verdiği yeri değil, motor şaftının konumunu gösterdiğinden, boşluk belirsizliğe neden olabilir. Boşluk aynı zamanda yük ve motor göreceli yön değiştirdiğinde yük çiftleri ve motordan kısa süreliğine ayrıldıklarında ayarlama sorunlarına da yol açar. Geri tepmeye ek olarak, sonlu burulma sertliği, motorun ve yükün kinetik enerjisinin bir kısmını potansiyel enerjiye dönüştürerek ve daha sonra serbest bırakarak enerji depolar. Bu gecikmiş enerji salınımı, yük salınımına neden olur, rezonansı tetikler, maksimum kullanılabilir ayar kazanımlarını azaltır ve servo sistemin yanıt verebilirliğini ve yerleşme süresini olumsuz yönde etkiler. Her durumda, boşluğun azaltılması ve sistemin sertliğinin arttırılması, servo performansını artıracak ve ayarlamayı basitleştirecektir.

Döner eksenli servo motor konfigürasyonları

En yaygın döner eksen konfigürasyonu, konum geri bildirimi için yerleşik bir kodlayıcıya sahip bir döner servo motor ve motorun mevcut tork ve hızını yükün gerekli tork ve hızıyla eşleştirmek için bir dişli kutusudur. Dişli kutusu, yük eşleştirme için bir transformatörün mekanik benzeri olan sabit güçte bir cihazdır.

Geliştirilmiş bir donanım konfigürasyonu, yükü doğrudan motora bağlayarak aktarma elemanlarını ortadan kaldıran, doğrudan tahrikli bir döner servo motor kullanır. Redüktörlü motor konfigürasyonunda nispeten küçük çaplı bir mile bağlantı kullanılırken, doğrudan tahrik sistemi yükü doğrudan çok daha büyük bir rotor flanşına cıvatalar. Bu konfigürasyon boşlukları ortadan kaldırır ve burulma sertliğini büyük ölçüde artırır. Doğrudan tahrikli motorların daha yüksek kutup sayısı ve yüksek tork sargıları, redüktörlü motorun tork ve hız özelliklerine 10:1 veya daha yüksek bir oranla uyum sağlar.