Pojem roboty je už veľmi široký. Tento článok sa zameriava na servomotory pre robotické kĺby používané v sektore priemyselnej automatizácie a nezahŕňa integrované servomotory pre servisné roboty.
Priemyselné roboty sa vo všeobecnosti delia na lineárne roboty (známe aj ako karteziánske roboty), roboty s viacerými{0}}úrovňami{1}}-voľnosti (známe aj ako multi-kĺbové roboty), paralelné roboty (známe aj ako Delta roboty) a horizontálne multi-kĺbové roboty (známe aj ako SCARA). „Automatizačná bunka“ pozostáva z rôznych typov kĺbových robotických ramien a automatizovaných dopravných zariadení. Automatizačné bunky s rôznymi funkciami sú prepojené do automatizovanej výrobnej linky a viacero automatizovaných výrobných liniek je skombinovaných do automatizovanej dielne.
Medzi týmito priemyselnými robotmi a automatizovanými jednotkami zohrávajú servomotory rozhodujúcu úlohu pri presnom, rýchlom a spoľahlivom umiestňovaní mechanických štruktúr podľa riadiacich príkazov; preto sa považujú za základné komponenty.
Základné koncepty servomotorov s permanentnými magnetmi
"Servo" sa vzťahuje na schopnosť vykonávať príkazy z riadiaceho počítačového systému bez odchýlky. Tento koncept nie je obmedzený na elektromotory alebo hydrauliku; zahŕňa aj pneumatické systémy a každý komponent schopný vykonávať túto úlohu sa považuje za servo komponent.
Elektromotor je elektromechanický komponent, ktorý premieňa elektrickú energiu na mechanickú energiu. Servomotor je elektrický motor navrhnutý na použitie v systémoch riadenia pohybu, kde sa dajú ovládať jeho výstupné parametre-ako poloha, rýchlosť, zrýchlenie alebo krútiaci moment-.
Servomotory možno klasifikovať do rôznych typov na základe ich riadiacich špecifikácií. Podľa typu napájania sa delia na AC servomotory a DC servomotory; podľa prevádzkového režimu sú kategorizované na lineárne servomotory a rotačné servomotory. Lineárne motory priamo generujú newtonovskú silu, zatiaľ čo rotačné motory poskytujú rotačný krútiaci moment. Na pohon lineárnych zaťažení vyžadujú rotačné motory mechanické mechanizmy, ako sú vodiace skrutky, ktoré premieňajú rotačný pohyb na lineárny pohyb.
Rotačné AC servomotory sú rozdelené na AC asynchrónne servomotory a AC synchrónne servomotory na základe štruktúry rotora. Rotor striedavého asynchrónneho servomotora pozostáva z hliníkovej alebo medenej klietky a rýchlosť otáčania klietky vždy udržiava určitý rozdiel otáčok vzhľadom na synchrónne rotujúce magnetické pole. V rámci technológie vektorového riadenia môže tento typ motora dosiahnuť charakteristiky riadenia krútiaceho momentu rovnako presné ako jednosmerné motory. Rotor sa však vyznačuje vysokou zotrvačnosťou, dobrými konštantnými-výkonovými charakteristikami a širokým rozsahom otáčok, vďaka čomu je vhodný pre širokú škálu premenlivých-zotrvačných zaťažení, ako sú aplikácie na obrábacích strojoch na rezanie a tlač na navíjanie/odvíjanie. Nevýhodou je nízky rozbehový moment a rýchlosť ich elektromagnetickej odozvy je nižšia ako u servomotorov s permanentným magnetom. Elektromagnetická časová konštanta je približne 10-krát väčšia ako u motorov s permanentnými magnetmi vyrobených z materiálov s permanentnými magnetmi. Navyše kvôli nízkej hustote výkonu a veľkým rozmerom rotora nie sú vhodné pre vysoko-dynamické servo aplikácie.
Rotačné striedavé synchrónne servomotory využívajú pre svoje rotory materiály s permanentnými magnetmi, ktoré priamo generujú budiace magnetické pole. Na vytvorenie magnetického poľa motora nie je potrebný budiaci prúd, výsledkom čoho je rýchla elektromagnetická odozva. Okrem toho vysoká hustota energie súčasných materiálov s permanentnými magnetmi vzácnych{2}}zemí umožňuje vysokú hustotu výkonu v týchto motoroch, čím sa otvárajú možnosti pre navrhovanie servomotorov s rôznymi výkonnostnými charakteristikami. Vysoká dynamická odozva môže byť dosiahnutá prostredníctvom štíhlej konštrukcie s nízkou zotrvačnosťou rotora alebo kompaktnej robustnej konštrukcie s vysokou zotrvačnosťou rotora. Použitie vzácnych-materiálov s permanentnými magnetmi spôsobilo, že motory s permanentnými magnetmi sú preferovanou voľbou pre servo aplikácie. Materiály s permanentnými magnetmi vzácnych zemín však zostávajú najdrahším komponentom spomedzi všetkých materiálov používaných v servomotoroch. Rozdiely v materiáloch používaných rôznymi výrobcami majú za následok rôznu úroveň kvality produktov. Vysokokvalitné materiály s permanentnými magnetmi sa nemusia demagnetizovať ani pri prevádzkových teplotách vyšších ako 150 stupňov, zatiaľ čo materiály nižšej kvality sa môžu demagnetizovať, keď je prevádzková teplota motora nižšia ako 120 stupňov. Kvalita materiálov permanentných magnetov priamo určuje rôzne charakteristiky servomotora.
Lineárne servomotory vydávajú priamo newton-metre sily bez potreby mechanickej konverzie, čo umožňuje veľmi vysoké zrýchlenie. Rýchly technologický pokrok v posledných rokoch viedol k ich širokému použitiu v osiach posuvu vysokovýkonných obrábacích strojov-. V priemyselných robotoch je však ich aplikácia obmedzená na určité lineárne robotické ramená a nie je predmetom tohto článku. Tento článok sa zameriava na rotačné servomotory s permanentnými magnetmi a ich aplikácie v priemyselných robotoch.
Štruktúra rotujúceho motora s permanentným magnetom
Obrázok 1 zobrazuje typickú konštrukčnú schému servomotora s permanentným magnetom. Na poskytnutie komplexného prehľadu je tento jediný diagram určený na jasné znázornenie celej konštrukcie servomotora s permanentným magnetom. Nízkoenergetické servomotory s permanentnými magnetmi s výkonom 15 kW alebo menej sa v skutočnosti môžu pri chladení spoľahnúť na prirodzené prúdenie, čím sa eliminuje potreba chladiaceho ventilátora. Tieto motory sú kompaktné a nevyžadujú montážne nožičky; inštalačné krúžky sú tiež zbytočné. Výmena svorkovnice za letecký konektor pre vodiče vedie k čistejšiemu dizajnu. V dôsledku toho bude vzhľad motora taký, ako je znázornené na obrázku 2(a). Ak je motor veľmi malý-pod 1 kW-nepotrebujú ani letecké konektory pre vodiče. namiesto toho môže byť kábel vytiahnutý priamo z motora, čo vedie ku konfigurácii znázornenej na obrázku 2(b).
Obrázok 1: Schematický diagram servomotora s permanentným magnetom
Obrázok 2: Schematický diagram nízkovýkonného servomotora s permanentným magnetom
Táto časť predpokladá, že čitateľ rozumie princípom elektrických motorov a zameriava sa výlučne na vysvetlenie štrukturálnych rozdielov medzi servomotormi s permanentným magnetom a inými typmi motorov na základe charakteristík motorov robotov.
Ložiská: Životnosť servomotora je úzko spätá s jeho ložiskami. Vzhľadom na vysoké požiadavky na spoľahlivosť a odolnosť robotov musia ložiská zabezpečiť životnosť minimálne 30 000 hodín. Na základe 8-hodinového pracovného dňa to znamená životnosť robota minimálne 10 rokov. Ložiská musia byť schopné prerušovanej prevádzky pri 6 000 ot./min.
Laminácie statora a vinutia: Keďže motory robotov vyžadujú vysokú hustotu výkonu a aby sa minimalizovala veľkosť a znížilo sa vytváranie tepelných strát železa, laminovací materiál musí byť za studena -valcovaná silikónová oceľ s hrúbkou 0,35 mm alebo menšou. Vinutia musia odolať-dlhodobému vystaveniu impulzom nosnej frekvencie s premenlivou frekvenciou 16 kHz-. Aby sa predišlo poruchám a odolali intenzívnym dv/dt rázom, hodnota odolnosti voči napätiu nesmie byť menšia ako 2 500 V.
Materiál permanentného magnetu rotora: Materiál permanentného magnetu je najdrahším komponentom v servomotore s permanentným magnetom. Materiály s nízkym obsahom prvkov vzácnych zemín majú nízky Curieov bod a zlú materiálovú stabilitu. Ak sa používajú neodýmové-železo-bórové (NdFeB) magnety, mali by byť prednostne triedy UH42 alebo vyššej. Okrem toho je potrebné venovať pozornosť obsahu prvkov vzácnych zemín, ako je dysprózium. Aby sa zabezpečila vysoká-odolnosť voči demagnetizácii pri vysokej teplote, samáriové-kobaltové (SmCo) magnety sú tiež široko používané v malých a stredných- servomotoroch. Stručne povedané, je dôležité zabezpečiť, aby servomotor zostal skutočne odolný voči demagnetizácii{11}}za normálnych prevádzkových podmienok. V opačnom prípade nemožno zaručiť dlhodobú{13}}stabilitu robota.
Tesnenia hriadeľa: Aby sa zabránilo vniknutiu oleja a nečistôt do motora a zároveň sa zabezpečila hladká prevádzka, inštalácia tesnenia hriadeľa na koniec hriadeľa motora je štandardnou konštrukčnou praxou. V robotoch sa často na hriadeľ servomotora vyfrézuje malé ozubené koleso, aby sa motor pripojil priamo k reduktoru. Keďže do motora môžu vniknúť vysoké teploty a olej, vyžadujú sa viac{2}}hriadeľové tesnenia s vysokou teplotou-. Napríklad tesnenie hriadeľa z fluórkarbónovej gumy s dvojitým{5}}prierezom je spoľahlivejšie ako tesnenie hriadeľa z nitrilovej gumy s jedným{6}}perom, hoci rozdiel v nákladoch je značný.
Brzda: Brzda je štandardná funkcia pre motory robotov. Takmer 95 % servomotorov vyžaduje brzdu. Aby sa zabezpečilo, že brzda bude vždy zaberať-najmä pri núdzovom zastavení-, musí fungovať spoľahlivo. Brzda musí mať dostatočný bezpečnostný faktor so statickým krútiacim momentom približne 1,5-násobkom menovitého krútiaceho momentu motora. V prípade vysokovýkonných motorov robotov by mal bezpečnostný faktor brzdy dosiahnuť 2,0- alebo dokonca 2,5-násobok menovitého krútiaceho momentu. Je dôležité poznamenať, že brzda na motore robota je bezpečnostná brzda, nie prevádzková. Riadiaci systém musí zabezpečiť, aby sa počas núdzového zastavenia cez brzdový odpor aktivoval brzdový okruh servopohonu a aby sa brzda aktivovala, keď sa otáčky motora priblížia k nule. Na zlepšenie rýchlosti odozvy sú brzdy s permanentným magnetom lepšie ako elektromagnetické pružinové brzdy.
Snímač: Snímač je namontovaný na zadnej strane motora a funguje ako snímač rýchlosti motora a polohy rotora. Meria polohu rotora a poskytuje riadiacemu počítaču údaje o skutočnej polohe a rýchlosti rotora pre servo riadenie, polohovanie magnetického poľa a výpočet trajektórie pohybu. Hoci kódovače motorov robotov vo všeobecnosti neponúkajú vysokú presnosť, musia podporovať viac{2}}otáčkové meranie absolútnej polohy, aby sa zabezpečilo, že motor bude môcť pokračovať v prevádzke z polohy, v ktorej bol pred výpadkom napájania. V súčasnosti existujú tri bežné prístupy k riešeniu požiadaviek na kódovanie motora robota. Prvá metóda používa optický alebo magnetický kódovač s Grayovým kódom na jedno-meranie s jedným otočením a mechanické prevody na meranie s viacerými otáčkami-. Výhodou tohto prístupu je vysoká presnosť merania; po výpadku napájania sa prevádzková poloha motora zachová prostredníctvom mechanickej polohy kódovača a možno ju prečítať priamo po zapnutí-. Nevýhodou však je, že kódovač je príliš hrubý, takže je príliš dlhý pre obmedzené inštalačné priestory. Druhá metóda používa optický alebo magnetický kódovač Grey na ukladanie údajov o jednom-zákrute, zatiaľ čo údaje o viacerých{12}}zákrutách sa ukladajú prostredníctvom{13}}batérie napájanej elektronickej pamäte. To umožňuje, aby bol enkodér veľmi krátky, takže je ideálny pre malé servomotory s vonkajším priemerom menším ako 60 mm. Nevýhodou je, že životnosť batérie je relatívne krátka{17}}zvyčajne maximálne 2 až 3 roky a v niektorých prípadoch je potrebné batériu vymeniť už po jednom roku. Tretia metóda využíva rotačný transformátor na meranie polohy pri jednom-zákrute pre aplikácie s nízkymi požiadavkami na presnosť, zatiaľ čo informácie o viacerých{22}}zákrutách spracováva doska plošných spojov-na batérii vo vnútri ovládacej skrinky.
Predĺženie hriadeľa rotora: V dôsledku častého chodu dopredu a dozadu je motor vystavený šmykovým silám; preto by materiál hriadeľa mal byť výhodne 42CrMo temperovaná oceľ. Ak je motor nainštalovaný s kľúčom, kľúč musí byť úplne usadený, aby sa účinne znížila dynamická rovnováha motora a hádzanie. Pri vysokých rýchlostiach môže byť rozdiel hádzania medzi servomotorom s kľúčom a holým hriadeľom pri prevádzke bez zaťaženia až deväťkrát väčší-faktor, ktorý by sa nemal podceňovať.
Kľúčové prenosové parametre servomotorov s permanentnými magnetmi
Prevádzková zóna: Oblasť, v ktorej môže motor pracovať nepretržite bez prekročenia povoleného nárastu teploty, sa nazýva zóna nepretržitej prevádzky; oblasť mimo zóny nepretržitej prevádzky, kde je povolená krátkodobá{0} prevádzka, sa nazýva zóna prerušovanej prevádzky. Pracovná zóna je reprezentovaná dvojrozmernou súradnicovou rovinou krútiaceho momentu a rýchlosti.
Menovitý výkon PN: Maximálny výkon, ktorý môže motor vydať v rámci nepretržitej prevádzkovej zóny.
Menovitý krútiaci moment MN: Krútiaci moment, pri ktorom motor dodáva svoj menovitý výkon v rámci nepretržitej prevádzkovej zóny. Definície menovitého krútiaceho momentu sa medzi výrobcami výrazne líšia. Zodpovedajúce podmienky rozptylu tepla sú všeobecne špecifikované. V medzinárodnom meradle je bežnou praxou špecifikovať, že toto hodnotenie sa meria s motorom namontovaným na hliníkovej prírube definovanej plochy a hrúbky, pričom teplota príruby je udržiavaná na 20 stupňoch alebo pod špecifikovanou teplotou. Preto sú v skutočnej prevádzke motory často namontované na liatinových komponentoch a letné teploty môžu prekročiť testovaciu normu. Ak počas prevádzky nie je povolená žiadna rezerva, môže to viesť k prehriatiu a demagnetizácii. Štandardná podmienka okolitej teploty 40 stupňov špecifikovaná čínskou národnou normou je pre čínske prostredie relatívne primeraná. Renomovaní výrobcovia pri zverejnení menovitého krútiaceho momentu zahrnú určitú konštrukčnú rezervu pod menovité hodnoty určené podľa normy, čo je bezpečnejšie.
Menovitý prúd IN: Prúd zodpovedajúci menovitému krútiacemu momentu.
Menovité otáčky nN: Maximálne otáčky, pri ktorých môže motor pracovať s menovitým krútiacim momentom v rámci nepretržitého pracovného cyklu.
Nepretržitý zablokovaný-Krútiaci moment rotora MO: Maximálny krútiaci moment, ktorý môže motor dodať, keď je zablokovaný v nepretržitom pracovnom cykle. Vo všeobecnosti sa otáčky pod 100 ot./min. považujú za spadajúce do prevádzkového rozsahu uzamknutého-rotora.
Nepretržitý zablokovaný-prúd rotora I0: Prúd zodpovedajúci nepretržitému zablokovanému-krútiacemu momentu rotora.
Špičkový krútiaci moment Mmax: Maximálny krútiaci moment, ktorý má motor povolený na výstupe. Nominálne podmienky sa medzi rôznymi výrobcami výrazne líšia. Niektoré špecifikujú krútiaci moment zodpovedajúci demagnetizačnému prúdu; takéto špecifikácie by sa nemali používať ako maximálny krútiaci moment. Mechanickí konštruktéri musia počítať s dostatočnou rezervou, aby sa zabránilo demagnetizácii motora a jeho zlyhaniu v dôsledku nadmerného prevádzkového krútiaceho momentu. Ak je maximálny krútiaci moment špecifikovaný podľa pracovného cyklu, má inžiniersku referenčnú hodnotu. Špičkový krútiaci moment špecifikovaný podľa S3-10 % má najväčšiu inžiniersku referenčnú hodnotu; možno ho chápať ako maximálny prevádzkový krútiaci moment povolený pre nepretržitú prevádzkovú dobu 3 sekúnd, ktorá je pre roboty dostatočná. Opakované preťaženie pre viackĺbové roboty je vo všeobecnosti približne 2,0-násobné.
Špičkový prúd Imax: Prevádzkový prúd zodpovedajúci špičkovému krútiacemu momentu.
Elektrická časová konštanta Te: Charakteristická konštanta predstavujúca rýchlosť, ktorou prúd reaguje na privedené napätie. Je definovaný ako čas potrebný na to, aby prúd dosiahol 1 - e^(-1) (približne 63,2 %) konečného prúdu po privedení pevného napätia na svorky motora. Elektrická časová konštanta servomotora je všeobecne špecifikovaná ako pomer indukčnosti vinutia statora k jeho odporu (Te=L/R). Súvisí s aktuálnou dobou odozvy na krok servosystému, ale nie je nevyhnutne ekvivalentná.
Mechanická časová konštanta Tm: Mechanická časová konštanta servomotora je definovaná ako: tm=R*J/Ke*Kt, tj súvisí s odporom vinutia, momentom zotrvačnosti rotora, spätným-koeficientom EMF motora a koeficientom krútiaceho momentu motora. Mechanická časová konštanta hnacieho motora je približne ekvivalentná času potrebnému na zrýchlenie motora z nulovej rýchlosti na 63,2 % jeho ustálenej -otáčky v podmienkach bez-záťaže. V servosystéme môže byť táto konštanta číselne ekvivalentná času odozvy rýchlostnej-slučky.
Back-Konštanta EMF Ke: Hodnota EMF bez-spätného zaťaženia- indukovaná motorom pri jednotkovej rýchlosti. Zvyčajne sa vzťahuje na EMF bez{4}}spätného zaťaženia{5}} zodpovedajúce 1000 otáčkam za minútu s jednotkami V/krpm.
Konštanta krútiaceho momentu Kt: Výstupný krútiaci moment motora zodpovedajúci jednotkovému prúdu. Vzťah medzi zadnou časťou motora-koeficientom EMF Ke a koeficientom krútiaceho momentu Kt je všeobecne daný vzťahom Kt=9.55 * Ke * 1,732, kde Kt je v Nm/A, Ke je vo V/ot./min. a Ke=Kt. Tu Ke odkazuje na riadok späť-EMF.
Ak špecifikácie motora neposkytujú parametre Kt a Ke, Kt možno odvodiť z menovitého krútiaceho momentu a menovitého prúdu. Potom pomocou vzťahu Kt=9.55 * Ke * 1,732 možno spätný-koeficient EMF nepriamo odvodiť takto: Ke=0.1047 * Kt / 1,732, s jednotkami V/ot./min.; Alternatívne: Ke=104.7 × Kt / 1,732, s jednotkami V/krpm alebo mV/rpm.
Kvôli obmedzeniam napájacieho napätia je zadná EMF motora zvyčajne navrhnutá tak, aby bola relatívne nízka, aby sa zabezpečila vysoká odozva, čo zaručuje dostatočný pokles napätia pri vysokých rýchlostiach na získanie primeraného prúdu. Vysoký prúd však zvyšuje tepelné zaťaženie motora. V dôsledku toho vyžadujú motory robotov vysokú hustotu výkonu, aby dosiahli kompaktnú veľkosť, vysoký krútiaci moment a nízku tvorbu tepla.
Moment zotrvačnosti rotora J: Moment zotrvačnosti rotora motora. Moment zotrvačnosti motora robota je kritický, pretože priamo ovplyvňuje stabilitu činnosti robota. Je to preto, že roboty často zahŕňajú viac-osovú koordináciu. Napríklad druhá os kĺbového robota vyžaduje motor s výraznou zotrvačnosťou na prispôsobenie sa podstatným zmenám zotrvačnosti zaťaženia, ku ktorým dochádza, keď sa rameno vysúva a zasúva.
Krútiaci moment-drážok zubov: Keď sú vinutia motora s permanentným magnetom otvorené-, počas jednej otáčky motora sa generuje periodický krútiaci moment v dôsledku štrbín v jadre kotvy, ktoré majú tendenciu zarovnať sa s polohami s minimálnym magnetickým odporom.
Kapacita preťaženia: Schopnosť motora dodávať špecifikovaný výkon alebo krútiaci moment po definovanú dobu za špecifikovaných podmienok bez prekročenia špecifikovaného špičkového prúdu. Typicky sa pomer špičkového prúdu k menovitému prúdu označuje ako aktuálny faktor preťaženia, zatiaľ čo pomer špičkového krútiaceho momentu k menovitému krútiacemu momentu sa označuje ako faktor preťaženia krútiaceho momentu. Vo všeobecnosti musia motory robota zabezpečiť kapacitu preťaženia krútiaceho momentu približne 3-krát.
Maximálna rýchlosť nN: Najvyššia rýchlosť, ktorú môže motor dosiahnuť počas prerušovanej prevádzky. Definície maximálnej rýchlosti sa medzi výrobcami motorov výrazne líšia; pre motory robotov uvedená hodnota zvyčajne predstavuje najvyššiu rýchlosť, pri ktorej je možná opakovateľná prevádzka počas skutočného používania. Pri maximálnych otáčkach môže zodpovedajúci maximálny krútiaci moment prekročiť dvojnásobok menovitého krútiaceho momentu, čím sa zabezpečí odozva na zrýchlenie v celom rozsahu otáčok.