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

Öğrenme Hedefleri

• Gerçek dünyadaki döner servo sistemleri teknik kısıtlamalar nedeniyle ideal performansın gerisinde kalmaktadır.
• Birkaç tip döner servo motor kullanıcılara fayda sağlayabilir, ancak her birinin kendine özgü bir zorluğu veya sınırlaması vardır.
• Doğrudan tahrikli döner servo motorlar en iyi performansı sunar, ancak dişli motorlardan daha pahalıdır.

Onlarca yıldır dişli servo motorlar endüstriyel otomasyon alet çantasındaki en yaygın araçlardan biri olmuştur. Dişli servo motorlar konumlandırma, hız eşleştirme, elektronik kamlama, sarma, germe, sıkma uygulamaları sunar ve bir servo motorun gücünü yüke verimli bir şekilde eşleştirir. Bu şu soruyu gündeme getirir: Dişli servo motor döner hareket teknolojisi için en iyi seçenek midir yoksa daha iyi bir çözüm var mıdır?

Mükemmel bir dünyada, döner servo sistemi uygulamaya uyan tork ve hız değerlerine sahip olurdu, böylece motor ne aşırı büyük ne de yetersiz olurdu. Motor, şanzıman elemanları ve yük kombinasyonu sonsuz burulma sertliğine ve sıfır boşluğa sahip olmalıdır. Ne yazık ki, gerçek dünya döner servo sistemleri bu idealin çeşitli derecelerde gerisinde kalmaktadır.

Tipik bir servo sisteminde, boşluk, şanzıman elemanlarının mekanik toleransları nedeniyle motor ile yük arasındaki hareket kaybı olarak tanımlanır; buna dişli kutuları, kayışlar, zincirler ve kaplinler boyunca meydana gelen herhangi bir hareket kaybı dahildir. Bir makine ilk çalıştırıldığında, yük mekanik toleransların ortasında bir yerde yüzecektir (Şekil 1A).

Yükün kendisi motor tarafından hareket ettirilmeden önce, motor iletim elemanlarında mevcut olan tüm boşluğu almak için dönmelidir (Şekil 1B). Motor bir hareketin sonunda yavaşlamaya başladığında, momentum yükü motor konumunun ötesine taşıdığından yük konumu aslında motor konumunu geçebilir.

Motor, yükü yavaşlatmak için tork uygulamadan önce tekrar ters yöndeki boşluğu almalıdır (Şekil 1C). Bu hareket kaybına boşluk denir ve genellikle bir derecenin 1/60'ına eşit olan yay dakikaları cinsinden ölçülür. Endüstriyel uygulamalarda servolarla kullanılmak üzere tasarlanan dişli kutularının genellikle 3 ila 9 yay dakikası arasında değişen boşluk özellikleri vardır.

Burulma sertliği, motor şaftının, aktarma elemanlarının ve yükün tork uygulamasına tepki olarak bükülmeye karşı gösterdiği dirençtir. Sonsuz sertlikte bir sistem, torku dönme ekseni etrafında açısal sapma olmadan yüke iletir; ancak, katı bir çelik şaft bile ağır yük altında hafifçe bükülür. Sapmanın büyüklüğü uygulanan torka, aktarma elemanlarının malzemesine ve şekline göre değişir; sezgisel olarak, uzun ve ince parçalar kısa ve şişman olanlardan daha fazla bükülür. Bu bükülmeye karşı direnç, helezon yayların çalışmasını sağlayan şeydir, çünkü yayı sıkıştırmak telin her turunu hafifçe büker; daha şişman tel daha sert bir yay oluşturur. Sonsuz burulma sertliğinden daha azı, sistemin bir yay gibi davranmasına neden olur, bu da yük dönmeye karşı direnç gösterdiğinde sistemde potansiyel enerji depolanacağı anlamına gelir.

Birlikte kullanıldığında, sonlu burulma sertliği ve boşluk, bir servo sisteminin performansını önemli ölçüde düşürebilir. Boşluk, motor kodlayıcısı, boşluğun yükün yerleşmesine izin verdiği yeri değil, motorun şaftının konumunu gösterdiğinden belirsizlik yaratabilir. Boşluk ayrıca, yük ve motor göreli yönlerini tersine çevirdiğinde yükün motordan kısa bir süre için bağlanması ve ayrılması nedeniyle ayar sorunlarına da yol açar. Boşluğa ek olarak, sonlu burulma sertliği, motorun ve yükün kinetik enerjisinin bir kısmını potansiyel enerjiye dönüştürerek enerji depolar ve daha sonra serbest bırakır. Bu gecikmeli enerji salınımı, yük salınımına neden olur, rezonansı tetikler, maksimum kullanılabilir ayar kazançlarını azaltır ve servo sisteminin tepki verme ve yerleşme süresini olumsuz etkiler. Her durumda, boşluğu azaltmak ve bir sistemin sertliğini artırmak, servo performansını artıracak ve ayarlamayı basitleştirecektir.

Döner eksen servomotor yapılandırmaları

En yaygın döner eksen konfigürasyonu, konum geri bildirimi için dahili bir kodlayıcıya sahip döner bir servo motor ve motorun mevcut torkunu ve hızını yükün gerekli torku ve hızıyla eşleştirmek için bir dişli kutusudur. Dişli kutusu, yük eşleştirme için bir transformatörün mekanik analoğu olan sabit güç cihazıdır.

Geliştirilmiş bir donanım yapılandırması, yükü doğrudan motora bağlayarak aktarma elemanlarını ortadan kaldıran doğrudan tahrikli döner servo motor kullanır. Dişli motor yapılandırması nispeten küçük çaplı bir şafta bir bağlantı kullanırken, doğrudan tahrik sistemi yükü doğrudan çok daha büyük bir rotor flanşına cıvatalar. Bu yapılandırma boşluğu ortadan kaldırır ve burulma sertliğini büyük ölçüde artırır. Doğrudan tahrikli motorların daha yüksek kutup sayısı ve yüksek torklu sargıları, 10:1 veya daha yüksek oranda bir dişli motorun tork ve hız özelliklerine uygundur.