Pojęcie robotów jest już bardzo szerokie. Artykuł ten koncentruje się na serwomotorach do przegubów robotycznych stosowanych w sektorze automatyki przemysłowej i nie obejmuje zintegrowanych serwomotorów do robotów serwisowych.
Roboty przemysłowe można ogólnie podzielić na roboty liniowe (znane również jako roboty kartezjańskie), roboty o wielu-stopniach--swobody (znane również jako roboty z wieloma-przegubami), roboty równoległe (znane również jako roboty Delta) i poziome roboty z wieloma-przegubami (znane również jako roboty SCARA). „Komórka automatyzacyjna” składa się z różnego rodzaju przegubowych ramion robotycznych i zautomatyzowanego sprzętu transportowego. Komórki automatyzacji o różnych funkcjach są połączone, tworząc zautomatyzowaną linię produkcyjną, a wiele zautomatyzowanych linii produkcyjnych łączy się, aby stworzyć zautomatyzowany warsztat.
Wśród robotów przemysłowych i jednostek zautomatyzowanych serwomotory odgrywają kluczową rolę w dokładnym, szybkim i niezawodnym pozycjonowaniu konstrukcji mechanicznych zgodnie z poleceniami sterującymi; dlatego są uważane za podstawowe komponenty.
Podstawowe pojęcia dotyczące serwomotorów z magnesami trwałymi
„Serwo” odnosi się do możliwości wykonywania poleceń z systemu komputera sterującego bez odchyleń. Koncepcja ta nie ogranicza się do silników elektrycznych i hydrauliki; obejmuje również układy pneumatyczne, a każdy element zdolny do wykonania tego zadania jest uważany za element serwo.
Silnik elektryczny to element elektromechaniczny, który przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną. Serwomotor to silnik elektryczny przeznaczony do stosowania w systemach sterowania ruchem, w którym można sterować jego parametrami wyjściowymi,-takimi jak położenie, prędkość, przyspieszenie lub moment obrotowy-.
Silniki serwo można podzielić na różne typy w oparciu o ich specyfikacje sterowania. Według rodzaju zasilania są one podzielone na serwosilniki prądu przemiennego i serwosilniki prądu stałego; według trybu pracy dzieli się je na serwosilniki liniowe i serwosilniki obrotowe. Silniki liniowe bezpośrednio wytwarzają siłę Newtona, podczas gdy silniki obrotowe wytwarzają moment obrotowy. Do napędzania obciążeń liniowych silniki obrotowe wymagają mechanizmów mechanicznych, takich jak śruby pociągowe, do przekształcania ruchu obrotowego w ruch liniowy.
Obrotowe serwosilniki prądu przemiennego dzielą się na asynchroniczne serwo silniki prądu przemiennego i synchroniczne serwo silniki prądu przemiennego w oparciu o konstrukcję wirnika. Wirnik asynchronicznego serwosilnika prądu przemiennego składa się z klatki aluminiowej lub miedzianej, a prędkość obrotowa klatki zawsze utrzymuje pewną różnicę prędkości w stosunku do synchronicznego wirującego pola magnetycznego. Dzięki technologii sterowania wektorowego ten typ silnika może osiągnąć charakterystykę sterowania momentem tak precyzyjną jak silniki prądu stałego. Jednakże wirnik charakteryzuje się dużą bezwładnością, dobrą charakterystyką stałej-mocy i szerokim zakresem prędkości, dzięki czemu nadaje się do szerokiego zakresu obciążeń o zmiennej-bezwładności, takich jak cięcie obrabiarek i nawijanie/odwijanie maszyn drukarskich. Wadą jest niski moment rozruchowy, a prędkość reakcji elektromagnetycznej jest gorsza niż w przypadku serwomotorów z magnesami trwałymi. Elektromagnetyczna stała czasowa jest około 10 razy większa niż w przypadku silników z magnesami trwałymi wykonanymi z materiałów z magnesami trwałymi. Co więcej, ze względu na niską gęstość mocy i duże wymiary wirnika, nie nadają się one do zastosowań w serwomechanizmach-o wysokiej dynamice.
Obrotowe synchroniczne serwomotory prądu przemiennego wykorzystują w swoich wirnikach materiały z magnesami trwałymi, które bezpośrednio generują pole magnetyczne wzbudzenia. Nie ma potrzeby stosowania prądu wzbudzenia w celu ustalenia pola magnetycznego silnika, co skutkuje szybką odpowiedzią elektromagnetyczną. Co więcej, wysoka gęstość energii obecnych materiałów z magnesami trwałymi-z metali ziem rzadkich umożliwia wysoką gęstość mocy w tych silnikach, otwierając możliwości projektowania serwomotorów o różnych charakterystykach wydajności. Wysoką dynamikę można osiągnąć dzięki smukłej konstrukcji o małej bezwładności wirnika lub kompaktowej, solidnej konstrukcji o dużej bezwładności wirnika. Zastosowanie-ziem rzadkich materiałów z magnesami trwałymi sprawiło, że silniki z magnesami stałymi są preferowanym wyborem w zastosowaniach serwo. Jednakże materiały-z ziem rzadkich z magnesami trwałymi pozostają najdroższym składnikiem spośród wszystkich materiałów stosowanych w serwomotorach. Różnice w materiałach stosowanych przez różnych producentów powodują różny poziom jakości produktu. Wysokiej jakości materiały z magnesami trwałymi{{10} mogą nie rozmagnesowywać się nawet w temperaturach roboczych przekraczających 150 stopni, natomiast materiały gorszej jakości mogą się rozmagnesowywać, gdy temperatura robocza silnika spadnie poniżej 120 stopni. Jakość materiałów z magnesami trwałymi bezpośrednio determinuje różne właściwości serwomotoru.
Liniowe serwosilniki bezpośrednio generują-niutonometrów siły bez konieczności mechanicznej konwersji, co umożliwia bardzo duże przyspieszenie. W ostatnich latach szybki postęp technologiczny doprowadził do ich powszechnego stosowania w osiach posuwowych-wydajnych obrabiarek. Jednakże w robotach przemysłowych ich zastosowanie ogranicza się do niektórych liniowych ramion robotycznych i nie jest tematem tego artykułu. W artykule skupiono się na obrotowych serwomotorach z magnesami trwałymi i ich zastosowaniach w robotach przemysłowych.
Struktura obracającego się silnika z magnesami trwałymi
Rysunek 1 przedstawia typowy schemat strukturalny serwomotoru z magnesami trwałymi. Aby zapewnić kompleksowy przegląd, ten pojedynczy schemat ma na celu jasne zilustrowanie całej struktury serwomotoru z magnesami trwałymi. W rzeczywistości serwomotory o małej-mocy z magnesami trwałymi i mocy 15 kW lub mniejszej mogą wykorzystywać do chłodzenia naturalną konwekcję, eliminując potrzebę stosowania wentylatora chłodzącego. Silniki te są kompaktowe i nie wymagają stóp montażowych; pierścienie montażowe również nie są potrzebne. Zastąpienie skrzynki zaciskowej złączem lotniczym dla przewodów doprowadzających zapewnia czystszą konstrukcję. W rezultacie wygląd silnika będzie taki, jak pokazano na rysunku 2 (a). Jeśli silnik jest bardzo mały-poniżej 1 kW-nawet złącza lotnicze do przewodów doprowadzających nie są potrzebne; zamiast tego kabel można wyprowadzić bezpośrednio z silnika, uzyskując konfigurację pokazaną na rysunku 2 (b).
Rysunek 1: Schemat ideowy serwomotoru z magnesami trwałymi
Rysunek 2: Schemat ideowy serwosilnika z magnesami trwałymi o małej-mocy
W tej części zakłada się, że czytelnik rozumie zasady działania silników elektrycznych i skupia się wyłącznie na wyjaśnieniu różnic strukturalnych pomiędzy serwomotorami z magnesami trwałymi a innymi typami silników w oparciu o charakterystykę silników robotów.
Łożyska: Żywotność serwosilnika jest ściśle powiązana z jego łożyskami. Biorąc pod uwagę wysokie wymagania dotyczące niezawodności i trwałości robotów, łożyska muszą zapewniać żywotność co najmniej 30 000 godzin. Biorąc pod uwagę 8-godzinny dzień pracy, oznacza to, że żywotność robota wynosi co najmniej 10 lat. Łożyska muszą być zdolne do pracy przerywanej przy 6000 obr./min.
Laminowanie i uzwojenia stojana: ponieważ silniki robotów wymagają dużej gęstości mocy oraz aby zminimalizować rozmiar i zmniejszyć wytwarzanie ciepła przez straty żelaza, materiałem do laminowania musi być-walcowana na zimno stal krzemowa o grubości 0,35 mm lub mniejszej. Uzwojenia muszą wytrzymywać-długotrwałą ekspozycję na impulsy nośne o zmiennej-częstotliwości 16 kHz. Aby zapobiec awariom i wytrzymać intensywne przepięcia dv/dt, wytrzymałość napięciowa nie może być mniejsza niż 2500 V.
Materiał wirnika z magnesem trwałym: Materiał z magnesem trwałym jest najdroższym elementem serwosilnika z magnesem trwałym. Materiały o niskiej zawartości pierwiastków ziem rzadkich mają niski punkt Curie i słabą stabilność materiału. Jeśli stosowane są magnesy neodymowe,-żelazne-borowe (NdFeB), powinny one być najlepiej w klasie UH42 lub wyższej. Dodatkowo należy zwrócić uwagę na zawartość pierwiastków ziem rzadkich, takich jak dysproz. Aby zapewnić odporność na rozmagnesowanie-w wysokiej temperaturze, magnesy samarowe-kobaltowe (SmCo) są również szeroko stosowane w małych i średnich-serwomotorach. Podsumowując, należy koniecznie zadbać o to, aby serwomotor był rzeczywiście odporny na rozmagnesowanie.w normalnych warunkach pracy. W przeciwnym razie nie można zagwarantować-długoterminowej stabilności robota.
Uszczelnienia wału: Aby zapobiec przedostawaniu się oleju i zanieczyszczeń do silnika, zapewniając jednocześnie płynną pracę, standardową praktyką projektową jest instalowanie uszczelnienia wału na końcu wału silnika. W robotach na wale serwosilnika często frezowana jest mała przekładnia, aby połączyć silnik bezpośrednio z reduktorem. Ponieważ do silnika mogą przedostać się wysokie temperatury i olej, wymagane są wielo-wargowe-uszczelki wału odporne na wysokie temperatury. Na przykład dwuwargowa uszczelka wału z kauczuku fluorowęglowego jest bardziej niezawodna niż pojedyncza-uszczelka wału z gumy nitrylowej, chociaż różnica w kosztach jest znacząca.
Hamulec: Hamulec jest standardową funkcją silników robotów. Prawie 95% serwomotorów wymaga hamulca. Aby mieć pewność, że hamulec będzie działał przez cały czas,-zwłaszcza podczas zatrzymywania awaryjnego,-musi działać niezawodnie. Hamulec musi mieć wystarczający współczynnik bezpieczeństwa i moment statyczny wynoszący około 1,5 momentu znamionowego silnika. W przypadku-silników robotów do dużych obciążeń współczynnik bezpieczeństwa hamulca powinien osiągnąć 2,0 lub nawet 2,5-krotność momentu znamionowego. Należy pamiętać, że hamulec silnika robota jest hamulcem bezpieczeństwa, a nie hamulcem roboczym. Układ sterowania musi zapewniać, że podczas zatrzymania awaryjnego obwód hamowania serwonapędu zostanie aktywowany przez rezystor hamowania, a hamulec zostanie włączony, gdy prędkość silnika osiągnie zero. Aby poprawić szybkość reakcji, hamulce z magnesami trwałymi są lepsze od elektromagnetycznych hamulców sprężynowych.
Enkoder: Enkoder jest montowany z tyłu silnika i działa jako czujnik prędkości silnika i położenia wirnika. Mierzy położenie wirnika, aby dostarczyć komputerowi sterującemu dane dotyczące rzeczywistego położenia i prędkości wirnika na potrzeby sterowania serwomechanizmem, pozycjonowania za pomocą pola magnetycznego i obliczania trajektorii ruchu. Chociaż enkodery silników robotów na ogół nie zapewniają dużej precyzji, muszą obsługiwać wielo-obrotowy pomiar położenia bezwzględnego, aby zapewnić, że silnik będzie mógł wznowić pracę od pozycji, w której znajdował się przed awarią zasilania. Obecnie istnieją trzy powszechne podejścia do spełnienia wymagań dotyczących kodera silnika robota. Pierwsza metoda wykorzystuje enkoder optyczny lub magnetyczny z kodem Graya do pomiarów-jednoobrotowych i przekładnie mechaniczne do pomiarów-wielobrotowych. Zaletą tego podejścia jest wysoka dokładność pomiaru; po przerwie w zasilaniu pozycja robocza silnika jest zachowywana poprzez mechaniczne położenie enkodera i można ją odczytać bezpośrednio po- włączeniu zasilania. Jednak wadą jest to, że enkoder jest zbyt gruby, co powoduje, że jest zbyt długi w przypadku ograniczonych przestrzeni instalacyjnych. Druga metoda wykorzystuje optyczny lub magnetyczny koder Graya do przechowywania danych-z jednego obrotu, podczas gdy dane z wielu-zwojów są przechowywane w pamięci elektronicznej{{13}zasilanej baterią. Dzięki temu enkoder może być bardzo krótki, co czyni go idealnym rozwiązaniem dla małych serwomotorów o średnicy zewnętrznej mniejszej niż 60 mm. Wadą jest to, że żywotność baterii jest stosunkowo krótka,-zwykle wynosi maksymalnie 2–3 lata, a w niektórych przypadkach baterię należy wymienić już po roku. Trzecia metoda wykorzystuje transformator obrotowy do pomiaru położenia pojedynczego-obrotu w zastosowaniach o niskich wymaganiach dotyczących precyzji, podczas gdy informacje o wielu-obrotach są przetwarzane przez płytkę drukowaną{{23}zasilaną bateryjnie, znajdującą się w skrzynce sterowniczej.
Wydłużenie wału wirnika: Ze względu na częstą pracę do przodu i do tyłu, silnik poddawany jest działaniu sił ścinających; dlatego też materiałem wału powinna być korzystnie stal hartowana 42CrMo. Jeśli silnik jest montowany z wpustem, wpust musi być całkowicie osadzony, aby skutecznie zmniejszyć równowagę dynamiczną i bicie silnika. Przy dużych prędkościach różnica w biciu pomiędzy serwomotorem z wpustem a gołym wałem w-pracy bez obciążenia może być nawet dziewięciokrotnie większa-, a zatem nie należy lekceważyć tego czynnika.
Kluczowe parametry transmisji serwomotorów z magnesami trwałymi
Strefa pracy: Obszar, w którym silnik może pracować w sposób ciągły bez przekraczania dopuszczalnego wzrostu temperatury, nazywany jest strefą ciągłej pracy; region poza strefą pracy ciągłej, w której dozwolona jest-praca krótkotrwała, nazywany jest strefą pracy przerywanej. Strefę operacyjną reprezentuje dwuwymiarowa-płaszczyzna współrzędnych momentu obrotowego i prędkości.
Moc znamionowa PN: Maksymalna moc, jaką silnik może generować w strefie ciągłej pracy.
Znamionowy moment obrotowy MN: Moment obrotowy, przy którym silnik dostarcza moc znamionową w strefie ciągłej pracy. Definicje momentu znamionowego różnią się znacznie w zależności od producenta. Ogólnie określono odpowiednie warunki odprowadzania ciepła. Na arenie międzynarodowej powszechną praktyką jest określenie, że tę wartość znamionową mierzy się przy silniku zamontowanym na aluminiowym kołnierzu o określonej powierzchni i grubości, przy temperaturze kołnierza utrzymywanej na poziomie 20 stopni lub poniżej określonej temperatury. Dlatego w praktyce silniki są często montowane na elementach żeliwnych, a temperatury w lecie mogą przekraczać normę testową. Jeśli podczas pracy nie zostanie dozwolony margines, może to prowadzić do przegrzania i rozmagnesowania. Standardowy warunek temperatury otoczenia wynoszący 40 stopni określony przez chińską normę krajową jest stosunkowo rozsądny dla chińskiego środowiska. Renomowani producenci przy publikowaniu momentu znamionowego uwzględnią pewien margines projektowy poniżej wartości znamionowych określonych zgodnie z normą, co jest bezpieczniejsze.
Prąd znamionowy IN: Prąd odpowiadający momentowi znamionowemu.
Prędkość znamionowa nN: Maksymalna prędkość, przy której silnik może pracować przy znamionowym momencie obrotowym w ciągłym cyklu pracy.
Ciągły zablokowany-Moment obrotowy wirnika MO: Maksymalny moment obrotowy, jaki silnik może dostarczyć po zablokowaniu w ciągłym cyklu pracy. Ogólnie uważa się, że prędkości poniżej 100 obr./min mieszczą się w-zakresie pracy zablokowanego wirnika.
Ciągły zablokowany-prąd wirnika I0: Prąd odpowiadający ciągłemu zablokowanemu-momentowi obrotowemu wirnika.
Szczytowy moment obrotowy Mmax: Maksymalny moment obrotowy, jaki może wygenerować silnik. Warunki nominalne różnią się znacznie u różnych producentów. Niektórzy podają moment obrotowy odpowiadający prądowi rozmagnesowania; takich specyfikacji nie należy stosować jako szczytowego momentu obrotowego. Projektanci mechanicy muszą zapewnić wystarczający margines, aby zapobiec rozmagnesowaniu silnika i uszkodzeniu z powodu nadmiernego momentu obrotowego. Jeśli maksymalny moment obrotowy jest określony zgodnie z cyklem pracy, ma on techniczną wartość odniesienia. Szczytowy moment obrotowy określony zgodnie z S3-10% ma największą inżynierską wartość odniesienia; można go rozumieć jako maksymalny moment obrotowy dopuszczalny przez ciągły czas pracy wynoszący 3 sekundy, który jest wystarczający dla robotów. Powtarzające się przeciążenia w przypadku robotów wieloprzegubowych są zwykle około 2,0 razy większe.
Prąd szczytowy Imax: Prąd roboczy odpowiadający szczytowemu momentowi obrotowemu.
Elektryczna stała czasowa Te: Stała charakterystyczna reprezentująca prędkość, z jaką prąd reaguje na przyłożone napięcie. Definiuje się go jako czas wymagany, aby prąd osiągnął 1 - e^(-1) (około 63,2%) prądu końcowego po przyłożeniu stałego napięcia na zaciski silnika. Elektryczną stałą czasową serwomotoru określa się ogólnie jako stosunek indukcyjności uzwojenia stojana do jego rezystancji (Te=L/R). Jest on powiązany z bieżącym czasem reakcji serwomechanizmu, ale niekoniecznie jest z nim równoważny.
Mechaniczna stała czasowa Tm: Mechaniczną stałą czasową serwomotoru definiuje się jako: tm=R*J/Ke*Kt, tj. jest ona powiązana z rezystancją uzwojenia, momentem bezwładności wirnika, współczynnikiem EMF silnika i współczynnikiem momentu obrotowego silnika. Mechaniczna stała czasowa silnika napędowego jest w przybliżeniu równa czasowi potrzebnemu do przyspieszenia silnika od prędkości zerowej do 63,2% jego prędkości w stanie ustalonym-w warunkach-bez obciążenia. W układzie serwo stała ta może być liczbowo równoważna czasowi reakcji-kroku pętli prędkości systemu.
Back-Stała pola elektromagnetycznego Ke: Wartość pola elektromagnetycznego-powrotnego-bez obciążenia indukowana przez silnik przy prędkości jednostkowej. Zwykle odnosi się do pola elektromagnetycznego-bez obciążenia zwrotnego- odpowiadającego 1000 obr./min, w jednostkach V/krpm.
Stała momentu obrotowego Kt: Wyjściowy moment obrotowy silnika odpowiadający prądowi jednostkowemu. Zależność między współczynnikiem tylnego-EMF silnika Ke a współczynnikiem momentu obrotowego Kt jest zwykle wyrażana przez Kt=9.55 * Ke * 1,732, gdzie Kt jest w Nm/A, Ke jest w V/obr./min, a Ke=Kt. Tutaj Ke odnosi się do pola zwrotnego-EMF.
Jeżeli w specyfikacji silnika nie podano parametrów Kt i Ke, Kt można wyprowadzić ze znamionowego momentu obrotowego i prądu znamionowego. Następnie, korzystając z zależności Kt=9.55 * Ke * 1,732, współczynnik pola elektromagnetycznego- linii zwrotnej Ke można pośrednio wyprowadzić w następujący sposób: Ke=0.1047 * Kt / 1,732, w jednostkach V/rpm; Alternatywnie: Ke=104.7 × Kt / 1,732, z jednostkami V/krpm lub mV/rpm.
Ze względu na ograniczenia napięcia zasilania, tylna siła elektromotoryczna silnika jest zwykle zaprojektowana tak, aby była stosunkowo niska, aby zapewnić wysoką reakcję i zagwarantować wystarczający spadek napięcia przy dużych prędkościach, aby uzyskać odpowiedni prąd. Jednakże wysoki prąd zwiększa obciążenie termiczne silnika. W związku z tym silniki robotów wymagają dużej gęstości mocy, aby osiągnąć kompaktowe rozmiary, wysoki moment obrotowy i niskie wytwarzanie ciepła.
Moment bezwładności wirnika J: Moment bezwładności wirnika silnika. Moment bezwładności silnika robota jest krytyczny, ponieważ bezpośrednio wpływa na stabilność pracy robota. Dzieje się tak dlatego, że roboty często wymagają koordynacji wielo-osiowej. Na przykład druga oś robota przegubowego wymaga silnika o znacznej bezwładności, aby dostosować się do znacznych zmian bezwładności obciążenia, które występują podczas wysuwania i chowania ramienia.
Moment-zęba: gdy uzwojenia silnika z magnesami trwałymi są-w obwodzie otwartym, podczas jednego obrotu silnika generowany jest okresowy moment obrotowy ze względu na szczeliny w rdzeniu twornika, które mają tendencję do wyrównywania się z pozycjami minimalnego oporu magnetycznego.
Zdolność przeciążeniowa: Zdolność silnika do dostarczania określonej mocy lub momentu obrotowego przez określony czas w określonych warunkach bez przekraczania określonego prądu szczytowego. Zazwyczaj stosunek prądu szczytowego do prądu znamionowego nazywany jest współczynnikiem przeciążenia prądu, natomiast stosunek szczytowego momentu obrotowego do momentu znamionowego określany jest jako współczynnik przeciążenia momentu obrotowego. Ogólnie rzecz biorąc, silniki robotów muszą zapewniać zdolność do przeciążania momentu obrotowego około 3 razy.
Maksymalna prędkość nN: Najwyższa prędkość, jaką silnik może osiągnąć podczas pracy przerywanej. Definicje prędkości maksymalnej różnią się znacznie w zależności od producentów silników; w przypadku silników robotów podana wartość zazwyczaj reprezentuje najwyższą prędkość, przy której możliwa jest powtarzalna praca podczas rzeczywistego użytkowania. Przy maksymalnej prędkości odpowiadający maksymalny moment obrotowy może dwukrotnie przekroczyć moment znamionowy, zapewniając reakcję na przyspieszenie w całym zakresie prędkości.