Servomotor giratorio de unidad directa versus engranaje: una cuantificación de la ventaja de diseño: Parte 1

Objetivos de aprendizaje

• Los servomotos rotativos del mundo real no alcanzan el rendimiento ideal debido a las limitaciones técnicas.
• Varios tipos de servomotores rotativos pueden proporcionar beneficios para los usuarios, pero cada uno tiene un desafío o limitación específica.
• Los servomotores giratorios de la unidad directa ofrecen el mejor rendimiento, pero son más caros que los campos.

Durante décadas, los servomotores engranados han sido una de las herramientas más comunes en la caja de herramientas de automatización industrial. Los sevomotores engranados ofrecen posicionamiento, coincidencia de velocidad, achicamiento electrónico, devanado, tensión, aplicaciones de ajuste y coinciden eficientemente con la potencia de un servomotor con la carga. Esto plantea la pregunta: ¿es un servomotor engranado la mejor opción para la tecnología de movimiento rotativo, o hay una mejor solución?

En un mundo perfecto, un servo rotario tendría clasificaciones de torque y velocidad que coinciden con la aplicación para que el motor no sea de gran tamaño ni de tamaño insuficiente. La combinación de motor, elementos de transmisión y carga debe tener rigidez torsional infinita y reacción de cero. Desafortunadamente, los servomotores rotativos del mundo real no alcanzan este ideal para diversos grados.

En un servo sistema típico, la reacción se define como la pérdida de movimiento entre el motor y la carga causada por las tolerancias mecánicas de los elementos de transmisión; Esto incluye cualquier pérdida de movimiento en las cajas de cambios, cinturones, cadenas y acoplamientos. Cuando una máquina se enciende inicialmente, la carga flotará en algún lugar en el medio de las tolerancias mecánicas (Figura 1A).

Antes de que el motor se mueva la carga en sí, el motor debe girar para tomar toda la holgura existente en los elementos de transmisión (Figura 1B). Cuando el motor comienza a desacelerar al final de un movimiento, la posición de carga puede superar la posición del motor a medida que el momento transporta la carga más allá de la posición del motor.

El motor debe volver a tomar la holgura en la dirección opuesta antes de aplicar el torque a la carga para desacelerarlo (Figura 1C). Esta pérdida de movimiento se llama reacción y se mide típicamente en minutos de arco, igual a 1/60 de grado. Las cajas de cambios diseñadas para su uso con servos en aplicaciones industriales a menudo tienen especificaciones de reacción de reacción que varían de 3 a 9 minutos de arco.

La rigidez torsional es la resistencia a la torsión del eje del motor, los elementos de transmisión y la carga en respuesta a la aplicación de torque. Un sistema infinitamente rígido transmitiría el torque a la carga sin desviación angular sobre el eje de rotación; Sin embargo, incluso un eje de acero sólido se torcerá ligeramente bajo una carga pesada. La magnitud de la deflexión varía con el par aplicado, el material de los elementos de transmisión y su forma; Intuitivamente, las partes largas y delgadas se torcerán más que las cortas y gordas. Esta resistencia a la torcedura es lo que hace que los resortes de bobina funcionen, ya que la comprimir el resorte gira ligeramente de cada giro del cable; El cable más gordo hace un resorte más rígido. Cualquier cosa menos que la rigidez torsional infinita hace que el sistema actúe como un resorte, lo que significa que la energía potencial se almacenará en el sistema a medida que la carga resista la rotación.

Cuando se combinan, la rigidez y reacción torsional finita puede degradar significativamente el rendimiento de un servo sistema. La reacción puede introducir la incertidumbre, ya que el codificador del motor indica la posición del eje del motor, no donde la reacción ha permitido que la carga se asiente. La reacción también introduce problemas de ajuste como la carga de parejas y desacopla brevemente del motor cuando la dirección relativa de carga y el motor inversa. Además de la reacción violenta, la rigidez torsional finita almacena energía al convertir parte de la energía cinética del motor y la carga en energía potencial, liberándola más tarde. Esta liberación de energía retrasada provoca la oscilación de carga, induce resonancia, reduce las ganancias de ajuste máximas utilizables e impacta negativamente la capacidad de respuesta y el tiempo de asentamiento del sistema servo. En todos los casos, reducir la reacción violenta y aumentar la rigidez de un sistema aumentará el rendimiento del servo y simplificará el ajuste.

Configuraciones servomotor del eje rotativo

La configuración del eje rotativo más común es un servomotor rotativo con un codificador incorporado para la retroalimentación de posición y una caja de cambios para que coincida con el par y la velocidad del motor con el par y la velocidad de la carga requeridas. La caja de cambios es un dispositivo de alimentación constante que es el análogo mecánico de un transformador para la coincidencia de carga.

Una configuración de hardware mejorada utiliza un servomotor giratorio de unidad directa, que elimina los elementos de transmisión acoplando directamente la carga al motor. Mientras que la configuración de Gearmotor utiliza un acoplamiento a un eje de diámetro relativamente pequeño, el sistema de accionamiento directo ataca la carga directamente a una brida de rotor mucho más grande. Esta configuración elimina la reacción violenta y aumenta en gran medida la rigidez torsional. El recuento de postes más alto y los devanados de alto par de los motores de transmisión directa coinciden con el par y las características de velocidad de un motor de cambios con una relación de 10: 1 o más.