Un servomotor amb engranatges pot ser útil per a la tecnologia de moviment rotatiu, però hi ha reptes i limitacions que els usuaris han de tenir en compte.
De: Dakota Miller i Bryan Knight
Objectius d'aprenentatge
- Els sistemes de servos rotatius del món real no aconsegueixen el rendiment ideal a causa de limitacions tècniques.
- Diversos tipus de servomotors rotatius poden oferir avantatges als usuaris, però cadascun té un repte o una limitació específics.
- Els servomotors rotatius d'accionament directe ofereixen el millor rendiment, però són més cars que els motorreductors.
Durant dècades, els servomotors amb engranatges han estat una de les eines més comunes en la caixa d'eines de l'automatització industrial. Els servomotors amb engranatges ofereixen aplicacions de posicionament, adaptació de velocitat, engranatges electrònics, bobinatge, tensat i estreny, i adapten eficientment la potència d'un servomotor a la càrrega. Això planteja la pregunta: és un servomotor amb engranatges la millor opció per a la tecnologia de moviment rotatiu o hi ha una solució millor?
En un món perfecte, un sistema de servo rotatiu tindria unes classificacions de parell i velocitat que s'adaptin a l'aplicació, de manera que el motor no sigui ni sobredimensionat ni infradimensionat. La combinació de motor, elements de transmissió i càrrega hauria de tenir una rigidesa torsional infinita i zero joc. Malauradament, els sistemes de servo rotatius del món real no aconsegueixen aquest ideal en diversos graus.
En un sistema servo típic, el joc es defineix com la pèrdua de moviment entre el motor i la càrrega causada per les toleràncies mecàniques dels elements de transmissió; això inclou qualsevol pèrdua de moviment a les caixes de canvis, corretges, cadenes i acoblaments. Quan una màquina s'engega inicialment, la càrrega es mourà en algun lloc intermedi de les toleràncies mecàniques (Figura 1A).
Abans que el motor pugui moure la càrrega, aquest ha de girar per compensar tota la folgança existent als elements de transmissió (Figura 1B). Quan el motor comença a desaccelerar al final d'un moviment, la posició de la càrrega pot superar la posició del motor, ja que l'impuls porta la càrrega més enllà de la posició del motor.
El motor ha de tornar a recuperar la folgança en la direcció oposada abans d'aplicar parell a la càrrega per desaccelerar-la (Figura 1C). Aquesta pèrdua de moviment s'anomena joc i es mesura normalment en minuts d'arc, equivalents a 1/60 de grau. Les caixes de canvis dissenyades per al seu ús amb servos en aplicacions industrials sovint tenen especificacions de joc que van des de 3 fins a 9 minuts d'arc.
La rigidesa torsional és la resistència a la torsió de l'eix del motor, els elements de transmissió i la càrrega en resposta a l'aplicació del parell. Un sistema infinitament rígid transmetria el parell a la càrrega sense desviació angular al voltant de l'eix de rotació; tanmateix, fins i tot un eix d'acer sòlid es torçarà lleugerament sota una càrrega pesada. La magnitud de la desviació varia segons el parell aplicat, el material dels elements de transmissió i la seva forma; intuïtivament, les peces llargues i primes es torçaran més que les curtes i gruixudes. Aquesta resistència a la torsió és el que fa que les molles helicoïdals funcionin, ja que comprimir la molla torça lleugerament cada volta del cable; un cable més gruixut fa una molla més rígida. Qualsevol valor inferior a una rigidesa torsional infinita fa que el sistema actuï com una molla, és a dir, que l'energia potencial s'emmagatzemarà al sistema a mesura que la càrrega resisteix la rotació.
Quan es combinen, la rigidesa torsional finita i el joc poden degradar significativament el rendiment d'un servosistema. El joc pot introduir incertesa, ja que l'encoder del motor indica la posició de l'eix del motor, no on el joc ha permès que la càrrega s'estabilitzi. El joc també introdueix problemes d'afinació, ja que la càrrega s'acobla i es desacobla del motor breument quan la càrrega i el motor inverteixen la direcció relativa. A més del joc, la rigidesa torsional finita emmagatzema energia convertint part de l'energia cinètica del motor i la càrrega en energia potencial, alliberant-la més tard. Aquest alliberament d'energia retardat provoca oscil·lació de la càrrega, indueix ressonància, redueix els guanys d'afinació màxims utilitzables i té un impacte negatiu en la resposta i el temps d'estabilizació del servosistema. En tots els casos, reduir el joc i augmentar la rigidesa d'un sistema augmentarà el rendiment del servo i simplificarà l'afinació.
Configuracions de servomotors d'eix rotatiu
La configuració d'eix rotatiu més comuna és un servomotor rotatiu amb un encoder integrat per a la retroalimentació de posició i una caixa de canvis per adaptar el parell i la velocitat disponibles del motor al parell i la velocitat requerits de la càrrega. La caixa de canvis és un dispositiu de potència constant que és l'anàleg mecànic d'un transformador per a l'adaptació de càrrega.
Una configuració de maquinari millorada utilitza un servomotor rotatiu d'accionament directe, que elimina els elements de transmissió acoblant directament la càrrega al motor. Mentre que la configuració del motorreductor utilitza un acoblament a un eix de diàmetre relativament petit, el sistema d'accionament directe cargola la càrrega directament a una brida de rotor molt més gran. Aquesta configuració elimina el joc i augmenta considerablement la rigidesa torsional. El nombre de pols més elevat i els debanaments d'alt parell dels motors d'accionament directe coincideixen amb les característiques de parell i velocitat d'un motorreductor amb una relació de 10:1 o superior.
Data de publicació: 12 de novembre de 2021
