Servomotor giratorio de accionamiento directo versus servomotor con engranajes: una cuantificación de la ventaja del diseño: Parte 1

Objetivos de aprendizaje

• Los servosistemas rotativos del mundo real no alcanzan el rendimiento ideal debido a limitaciones técnicas.
• Varios tipos de servomotores rotativos pueden brindar beneficios a los usuarios, pero cada uno tiene un desafío o limitación específica.
• Los servomotores rotativos de accionamiento directo ofrecen el mejor rendimiento, pero son más caros que los motorreductores.

Durante décadas, los servomotores con engranajes han sido una de las herramientas más comunes en la caja de herramientas de automatización industrial.Los sevromotores con engranajes ofrecen aplicaciones de posicionamiento, adaptación de velocidad, levas electrónicas, bobinado, tensión y apriete y combinan eficientemente la potencia de un servomotor con la carga.Esto plantea la pregunta: ¿es un servomotor con engranajes la mejor opción para la tecnología de movimiento giratorio o existe una solución mejor?

En un mundo perfecto, un servosistema rotativo tendría valores de par y velocidad que coincidieran con la aplicación, de modo que el motor no fuera ni demasiado grande ni demasiado pequeño.La combinación de motor, elementos de transmisión y carga debe tener una rigidez torsional infinita y un juego cero.Desafortunadamente, los servosistemas rotativos del mundo real no alcanzan este ideal en diversos grados.

En un servosistema típico, el juego 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 cajas de cambios, correas, 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 pueda mover la carga misma, el motor debe girar para eliminar 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 la carga puede en realidad superar la posición del motor a medida que el impulso lleva la carga más allá de la posición del motor.

El motor debe volver a tensar la holgura en la dirección opuesta antes de aplicar torque a la carga para desacelerarla (Figura 1C).Esta pérdida de movimiento se llama reacción y generalmente se mide en minutos de arco, equivalente a 1/60 de grado.Las cajas de engranajes diseñadas para usarse con servos en aplicaciones industriales a menudo tienen especificaciones de juego que oscilan entre 3 y 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 par.Un sistema infinitamente rígido transmitiría torque a la carga sin deflexión angular alrededor del 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 gruesas.Esta resistencia a la torsión es lo que hace que los resortes helicoidales funcionen, ya que al comprimir el resorte se tuerce ligeramente cada vuelta del cable;Un alambre más grueso hace que el resorte sea más rígido.Cualquier cosa menor que una 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 torsional finita y el juego pueden degradar significativamente el rendimiento de un servosistema.El juego puede introducir incertidumbre, ya que el codificador del motor indica la posición del eje del motor, no dónde el juego ha permitido que la carga se asiente.El contragolpe también introduce problemas de ajuste a medida que la carga se acopla y desacopla del motor brevemente cuando la carga y el motor invierten la dirección relativa.Además del juego, 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 retardada causa oscilación de carga, induce resonancia, reduce las ganancias de sintonización máximas utilizables e impacta negativamente la capacidad de respuesta y el tiempo de estabilización del servosistema.En todos los casos, reducir el juego y aumentar la rigidez de un sistema aumentará el rendimiento del servo y simplificará el ajuste.

Configuraciones de servomotores de eje giratorio

La configuración de eje giratorio más común es un servomotor giratorio con un codificador incorporado para retroalimentación de posición y una caja de engranajes para hacer coincidir el par y la velocidad disponibles del motor con el par y la velocidad requeridos de la carga.La caja de cambios es un dispositivo de potencia constante que es el análogo mecánico de un transformador para igualar la carga.

Una configuración de hardware mejorada utiliza un servomotor giratorio de accionamiento directo, que elimina los elementos de transmisión al acoplar directamente la carga al motor.Mientras que la configuración del motorreductor utiliza un acoplamiento a un eje de diámetro relativamente pequeño, el sistema de transmisión directa atornilla la carga directamente a una brida del rotor mucho más grande.Esta configuración elimina el juego y aumenta considerablemente la rigidez torsional.El mayor número de polos y los devanados de alto torque de los motores de accionamiento directo coinciden con las características de torque y velocidad de un motorreductor con una relación de 10:1 o superior.