Servomotor rotatiu d'accionament directe vs. engranatge: quantificació de l'avantatge del disseny: part 1

Objectius d'aprenentatge

• Els sistemes servo rotatius del món real no aconsegueixen el rendiment ideal a causa de les 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 a la caixa d'eines d'automatització industrial. Els servomotors amb engranatges ofereixen aplicacions de posicionament, concordança de velocitat, lleves electròniques, bobinatge, tensió, tensió i adaptació eficient de la potència d'un servomotor a la càrrega. Això planteja la pregunta: un servomotor amb engranatge és la millor opció per a la tecnologia de moviment rotatiu o hi ha una solució millor?

En un món perfecte, un servosistema rotatiu tindria classificacions de parell i velocitat que coincideixen amb l'aplicació, de manera que el motor no és ni sobredimensionat ni inferior. La combinació de motor, elements de transmissió i càrrega hauria de tenir una rigidesa torsional infinita i un joc zero. Malauradament, els sistemes servo rotatius del món real no aconsegueixen aquest ideal en diferents graus.

En un servosistema 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'encén inicialment, la càrrega flotarà en algun lloc al mig de les toleràncies mecàniques (figura 1A).

Abans que el motor pugui moure la càrrega en si, el motor ha de girar per ocupar tota la folga existent als elements de transmissió (figura 1B). Quan el motor comença a desaccelerar-se al final d'un moviment, la posició de 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 agafar el joc en la direcció oposada abans d'aplicar un parell a la càrrega per desaccelerar-la (figura 1C). Aquesta pèrdua de moviment s'anomena reacció, i normalment es mesura en minuts d'arc, iguals a 1/60 de grau. Les caixes de canvi dissenyades per utilitzar-se amb servos en aplicacions industrials solen tenir especificacions de joc que van des de 3 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 deflexió angular sobre l'eix de rotació; tanmateix, fins i tot un eix d'acer sòlid es girarà lleugerament sota una càrrega pesada. La magnitud de la deflexió varia amb el parell aplicat, el material dels elements de transmissió i la seva forma; intuïtivament, les parts llargues i primes es retorçaran més que les curtes i grasses. Aquesta resistència a la torsió és el que fa que funcionin les molles helicoïdals, ja que comprimir-la fa una torsió lleugera a cada volta del cable; el filferro més gros fa una molla més rígida. Qualsevol cosa inferior a la rigidesa torsional infinita fa que el sistema actuï com a molla, el que significa que l'energia potencial s'emmagatzemarà al sistema a mesura que la càrrega resisteixi 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 el codificador del motor indica la posició de l'eix del motor, no on el joc ha permès que la càrrega s'instal·li. La reacció també introdueix problemes de sintonització 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 retard d'alliberament d'energia provoca una oscil·lació de càrrega, indueix ressonància, redueix els guanys màxims de sintonització utilitzables i afecta negativament la capacitat de resposta i el temps d'assentament del servosistema. En tots els casos, reduir el joc i augmentar la rigidesa d'un sistema augmentarà el rendiment del servo i simplificarà l'ajust.

Configuracions de servomotors d'eix giratori

La configuració d'eix giratori més habitual és un servomotor rotatiu amb un codificador integrat per a la retroalimentació de la posició i una caixa de canvis per fer coincidir el parell i la velocitat disponibles del motor amb el parell i la velocitat de càrrega requerits. La caixa de canvis és un dispositiu de potència constant que és l'analògic 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 fixa la càrrega directament a una brida del rotor molt més gran. Aquesta configuració elimina el joc i augmenta considerablement la rigidesa torsional. El major recompte de pols i bobinats de parell elevat dels motors d'accionament directe coincideixen amb les característiques de parell i velocitat d'un motorreductor amb una relació de 10:1 o superior.