Conceptul de roboți este deja foarte larg. Acest articol se concentrează pe servomotoarele pentru articulațiile robotizate utilizate în sectorul automatizării industriale și nu acoperă servomotoarele integrate pentru roboții de service.
Roboții industriali sunt clasificați pe scară largă în roboți liniari (cunoscuți și sub numele de roboți cartezieni), roboți cu mai multe-grad-de-libertate (cunoscuți și ca roboți cu mai multe-articulații), roboți paraleli (cunoscuți și ca roboți Delta) și roboți cu mai multe-articulații orizontale (cunoscuți și ca roboți cu mai multe articulații SCARA). O „celulă de automatizare” constă din diferite tipuri de brațe robotizate articulate și echipamente de transport automate. Celulele de automatizare cu diferite funcții sunt legate pentru a forma o linie de producție automată, iar mai multe linii de producție automatizate sunt combinate pentru a crea un atelier automatizat.
Dintre acești roboți industriali și unități automate, servomotoarele joacă un rol critic în poziționarea precisă, promptă și fiabilă a structurilor mecanice conform comenzilor de control; prin urmare, ele sunt considerate componente de bază.
Concepte de bază ale servomotoarelor cu magneți permanenți
„Servo” se referă la capacitatea de a executa comenzi dintr-un sistem computerizat de control fără abateri. Acest concept nu se limitează la motoare electrice sau hidraulice; cuprinde și sisteme pneumatice, iar orice componentă capabilă să îndeplinească această sarcină este considerată o componentă servo.
Un motor electric este o componentă electromecanică care transformă energia electrică în energie mecanică. Un servomotor este un motor electric conceput pentru a fi utilizat în sistemele de control al mișcării, unde parametrii de ieșire-cum ar fi poziția, viteza, accelerația sau cuplul-sunt controlați.
Servomotoarele pot fi clasificate în diferite tipuri în funcție de specificațiile lor de control. După tipul de alimentare, acestea sunt împărțite în servomotoare AC și servomotoare DC; după modul de funcționare, acestea sunt clasificate în servomotoare liniare și servomotoare rotative. Motoarele liniare generează direct forță newtoniană, în timp ce motoarele rotative produc cuplu de rotație. Pentru a conduce sarcini liniare, motoarele rotative necesită mecanisme mecanice, cum ar fi șuruburi, pentru a transforma mișcarea de rotație în mișcare liniară.
Servomotoarele rotative de curent alternativ sunt clasificate în servomotoare asincrone de curent alternativ și servomotoare de curent alternativ sincrone pe baza structurii rotorului. Rotorul unui servomotor asincron AC este format dintr-o cușcă din aluminiu sau cupru, iar viteza de rotație a cuștii menține întotdeauna o anumită diferență de viteză în raport cu câmpul magnetic rotativ sincron. În cadrul tehnologiei de control vectorial, acest tip de motor poate atinge caracteristici de control al cuplului la fel de precise ca cele ale motoarelor de curent continuu. Cu toate acestea, rotorul are o inerție mare, caracteristici bune de putere constantă-și o gamă largă de viteze, făcându-l potrivit pentru o gamă largă de sarcini de inerție-variabile, cum ar fi aplicațiile de înfășurare/desfășurare a mașinilor-unelte de tăiere și de imprimare. Dezavantajele sunt cuplul de pornire scăzut, iar viteza lor de răspuns electromagnetic este inferioară celei a servomotoarelor cu magnet permanent. Constanta de timp electromagnetică este de aproximativ 10 ori mai mare decât cea a motoarelor cu magnet permanenți fabricate din materiale cu magnet permanenți. În plus, din cauza densității reduse de putere și a dimensiunilor mari ale rotorului, acestea nu sunt potrivite pentru aplicații servo dinamice înalte-.
Servomotoarele rotative sincrone AC utilizează materiale cu magnet permanenți pentru rotoarele lor, care generează direct câmpul magnetic de excitație. Nu este nevoie de un curent de excitație pentru a stabili câmpul magnetic al motorului, rezultând un răspuns electromagnetic rapid. În plus, densitatea ridicată de energie a materialelor cu magnet permanent din -pământuri rare actuale permite o densitate mare de putere în aceste motoare, deschizând posibilități de proiectare a servomotoarelor cu diferite caracteristici de performanță. Răspunsul dinamic ridicat poate fi obținut printr-un design subțire cu inerție redusă a rotorului sau un design compact și robust cu inerție mare a rotorului. Utilizarea materialelor cu magneti permanenți din pământ rare-a făcut ca motoarele cu magnet permanenți să fie alegerea preferată pentru aplicațiile servo. Cu toate acestea, materialele cu magnet permanent de pământ-rare rămân cea mai scumpă componentă dintre toate materialele utilizate în servomotoare. Diferențele dintre materialele utilizate de diferiți producători au ca rezultat niveluri variate de calitate a produsului. Materialele cu magnet permanenți de înaltă calitate-s-ar putea să nu se demagneteze chiar și la temperaturi de funcționare mai mari de 150 de grade , în timp ce materialele inferioare se pot demagnetiza atunci când temperatura de funcționare a motorului este sub 120 de grade . Calitatea materialelor cu magnet permanent determină în mod direct diferitele caracteristici ale servomotorului.
Servomotoarele liniare produc direct Newton-metri de forță, fără a necesita conversie mecanică, permițând o accelerație foarte mare. În ultimii ani, progresele tehnologice rapide au dus la utilizarea lor pe scară largă în axele de avans ale mașinilor-unelte de înaltă-performanță. În roboții industriali, totuși, aplicarea lor este limitată la anumite brațe robotice liniare și nu este în centrul acestui articol. Acest articol se concentrează pe servomotoarele rotative cu magnet permanenți și pe aplicațiile acestora în roboții industriali.
Structura unui motor rotativ cu magnet permanent
Figura 1 prezintă o diagramă structurală tipică a unui servomotor cu magnet permanent. Pentru a oferi o imagine de ansamblu cuprinzătoare, această diagramă unică este menită să ilustreze în mod clar întreaga structură a unui servomotor cu magnet permanent. De fapt, servomotoarele cu magnet permanent de putere redusă-cu o putere de 15 kW sau mai puțin se pot baza pe convecția naturală pentru răcire, eliminând necesitatea unui ventilator de răcire. Aceste motoare sunt compacte și nu necesită picioare de montare; inelele de instalare sunt, de asemenea, inutile. Înlocuirea cutiei de borne cu un conector de aviație pentru firele de plumb are ca rezultat un design mai curat. În consecință, aspectul motorului devine așa cum se arată în Figura 2(a). Dacă motorul este foarte mic-sub 1 kW-chiar conectorii de aviație pentru firele de plumb nu sunt necesari; în schimb, un cablu poate fi prelungit direct de la motor, rezultând configurația prezentată în Figura 2(b).
Figura 1: Schema schematică a unui servomotor cu magnet permanent
Figura 2: Diagrama schematică a unui servomotor cu magnet permanent de putere redusă-
Această secțiune presupune că cititorul înțelege principiile motoarelor electrice și se concentrează exclusiv pe explicarea diferențelor structurale dintre servomotoarele cu magnet permanent și alte tipuri de motoare pe baza caracteristicilor motoarelor robot.
Rulmenți: Durata de viață a unui servomotor este strâns legată de rulmenții săi. Având în vedere cerințele ridicate de fiabilitate și durabilitate ale roboților, rulmenții trebuie să asigure o durată de viață de cel puțin 30.000 de ore. Bazat pe o zi de lucru de 8 ore, aceasta se traduce printr-o durată de viață a robotului de cel puțin 10 ani. Rulmenții trebuie să poată funcționa intermitent la 6.000 rpm.
Laminarea și înfășurarea statorului: deoarece motoarele robotului necesită o densitate mare de putere și pentru a minimiza dimensiunea și a reduce generarea de căldură prin pierderea fierului, materialul de laminare trebuie să fie din oțel silicon-laminat la rece, cu o grosime de 0,35 mm sau mai puțin. Înfășurările trebuie să reziste la-expunere pe termen lung la impulsuri purtătoare de-frecvență variabilă de 16 kHz. Pentru a preveni defecțiunile și pentru a rezista la supratensiuni intense dv/dt, valoarea nominală de rezistență la tensiune nu trebuie să fie mai mică de 2.500 V.
Materialul cu magnet permanent al rotorului: Materialul cu magnet permanent este cea mai scumpă componentă a unui servomotor cu magnet permanent. Materialele cu conținut scăzut de elemente de pământ rare au un punct Curie scăzut și o stabilitate slabă a materialului. Dacă se folosesc magneți de neodim-fier-bor (NdFeB), aceștia ar trebui să fie de preferință de calitate UH42 sau mai mare. În plus, trebuie acordată atenție conținutului de elemente de pământuri rare, cum ar fi disproziul. Pentru a asigura rezistența la-demagnetizare la temperatură ridicată, magneții de samariu-cobalt (SmCo) sunt de asemenea utilizați pe scară largă în servomotoare-de dimensiuni mici și mijlocii. Pe scurt, este esențial să vă asigurați că servomotorul rămâne cu adevărat rezistent la demagnetizare-în condiții normale de funcționare. În caz contrar, stabilitatea-pe termen lung a robotului nu poate fi garantată.
Garnituri de arbore: Pentru a preveni pătrunderea uleiului și a resturilor în motor, asigurând în același timp o funcționare lină, instalarea unei etanșări de arbore la capătul arborelui motorului este o practică standard de proiectare. La roboți, un angrenaj mic este adesea frezat pe arborele servomotorului pentru a conecta motorul direct la reductor. Deoarece temperaturile ridicate și uleiul pot pătrunde în motor, sunt necesare etanșări ale arborelui cu mai multe-buze-pentru temperaturi ridicate. De exemplu, o etanșare cu două-buză din cauciuc fluorocarbon este mai fiabilă decât o etanșare cu o singură-buză din cauciuc nitrilic, deși diferența de cost este semnificativă.
Frână: O frână este o caracteristică standard pentru motoarele robot. Aproape 95% dintre servomotoare necesită o frână. Pentru a vă asigura că frâna se cuplează tot timpul-în special în timpul opririlor de urgență-ea trebuie să funcționeze în mod fiabil. Frâna trebuie să aibă un factor de siguranță suficient, cu un cuplu static de aproximativ 1,5 ori cuplul nominal al motorului. Pentru motoarele robot-de sarcină grea, factorul de siguranță pentru frână ar trebui să ajungă la 2,0 sau chiar de 2,5 ori cuplul nominal. Este important de reținut că frâna unui motor robot este o frână de siguranță, nu o frână de serviciu. Sistemul de control trebuie să se asigure că, în timpul unei opriri de urgență, circuitul de frânare al servomotorului este activat printr-o rezistență de frânare, iar frâna se cuplează atunci când turația motorului se apropie de zero. Pentru a îmbunătăți viteza de răspuns, frânele cu magnet permanenți sunt superioare frânelor cu arc electromagnetic.
Encoder: Encoderul este montat la capătul din spate al motorului și funcționează ca un senzor pentru viteza motorului și poziția rotorului. Măsoară poziția rotorului pentru a furniza computerului de control date despre poziția și viteza actuală a rotorului pentru control servo, poziționarea câmpului magnetic și calculul traiectoriei de mișcare. Deși, în general, codificatoarele de motor robot nu oferă o precizie ridicată, acestea trebuie să accepte măsurarea poziției absolute cu mai multe ture-pentru a se asigura că motorul poate relua funcționarea din poziția în care se afla înainte de o întrerupere a curentului. În prezent, există trei abordări comune pentru a aborda cerințele codificatorului motorului robotului. Prima metodă folosește un codificator optic sau magnetic cu cod gri pentru măsurarea cu o singură-tură și roți dințate mecanice pentru măsurarea cu mai multe-tururi. Avantajul acestei abordări este precizia ridicată a măsurătorilor; după o întrerupere a curentului, poziția de funcționare a motorului este păstrată prin poziția mecanică a codificatorului și poate fi citită direct la pornire-. Cu toate acestea, dezavantajul este că encoderul este prea gros, făcându-l excesiv de lung pentru spații limitate de instalare. A doua metodă utilizează un codificator optic sau magnetic de cod gri pentru a stoca datele cu o singură-tură, în timp ce datele cu mai multe-turări sunt stocate printr-o memorie electronică alimentată cu baterie-. Acest lucru permite ca codificatorul să fie foarte scurt, făcându-l ideal pentru servomotoare mici cu un diametru exterior mai mic de 60 mm. Dezavantajul este că durata de viață a bateriei este relativ scurtă-de obicei, cel mult 2-3 ani și, în unele cazuri, bateria trebuie înlocuită după doar un an. A treia metodă folosește un transformator rotativ pentru a măsura poziția cu o singură-tură pentru aplicații cu cerințe de precizie scăzută, în timp ce informațiile cu mai multe-turări sunt gestionate de o placă de circuit alimentată cu baterie-în interiorul cutiei de control.
Extensia arborelui rotorului: Datorită funcționării frecvente înainte și înapoi, motorul este supus forțelor tăietoare; prin urmare, materialul arborelui ar trebui să fie de preferință oțel călit 42CrMo. Dacă motorul este instalat cu o cheie, cheia trebuie să fie complet așezată pentru a reduce în mod eficient echilibrul dinamic și deformarea motorului. La viteze mari, diferența de curățare dintre un servomotor cu cheie și un arbore gol sub funcționare fără-sarcină poate fi de până la nouă ori mai mare-un factor care nu trebuie subestimat.
Parametrii cheie de transmisie ai servomotoarelor cu magnet permanent
Zona de funcționare: regiunea în care motorul poate funcționa continuu fără a depăși creșterea admisibilă a temperaturii se numește zonă de funcționare continuă; regiunea din afara zonei de operare continuă, unde este permisă operarea pe termen scurt{0}, se numește zonă de operare intermitentă. Zona de operare este reprezentată de un plan de coordonate bi-dimensional de cuplu și viteză.
Putere nominală PN: puterea maximă pe care o poate furniza motorul în zona de funcționare continuă.
Cuplul nominal MN: Cuplul la care motorul își livrează puterea nominală în zona de funcționare continuă. Definițiile cuplului nominal variază semnificativ între producători. Condițiile corespunzătoare de disipare a căldurii sunt în general specificate. La nivel internațional, este o practică obișnuită să se precizeze că acest rating este măsurat cu motorul montat pe o flanșă de aluminiu cu o zonă și o grosime definite, cu temperatura flanșei menținută la 20 de grade sau sub o temperatură specificată. Prin urmare, în funcționarea efectivă, motoarele sunt adesea montate pe componente din fontă, iar temperaturile de vară pot depăși standardul de testare. Dacă nu este permisă nicio marjă în timpul funcționării, aceasta poate duce la supraîncălzire și demagnetizare. Condiția standard de temperatură ambientală de 40 de grade specificată de standardul național chinez este relativ rezonabilă pentru mediul chinez. Producătorii de renume vor include o anumită marjă de proiectare sub valorile nominale determinate conform standardului atunci când publică cuplul nominal, ceea ce este mai sigur.
Curent nominal IN: Curentul corespunzător cuplului nominal.
Viteza nominală nN: Viteza maximă la care motorului i se permite să funcționeze sub cuplul nominal în cadrul ciclului de lucru continuu.
Cuplul rotor blocat continuu-MO: cuplul maxim pe care îl poate furniza motorul atunci când este blocat în ciclul de lucru continuu. În general, se consideră că turații sub 100 rpm se încadrează în domeniul de funcționare-rotor blocat.
Curentul-rotor blocat continuu I0: curentul corespunzător cuplului-rotor blocat continuu.
Peak Torque Mmax: cuplul maxim pe care motorul este permis să îl producă. Condițiile nominale variază semnificativ între diferiți producători. Unii precizează cuplul corespunzător curentului de demagnetizare; astfel de specificații nu trebuie folosite ca cuplu de vârf. Proiectanții mecanici trebuie să permită o marjă suficientă pentru a preveni demagnetizarea și defectarea motorului din cauza cuplului de operare excesiv. Dacă cuplul maxim este specificat în funcție de ciclul de funcționare, acesta are o valoare de referință tehnică. Cuplul de vârf specificat conform S3-10% are cea mai mare valoare de referință de inginerie; poate fi înțeles ca cuplul maxim de funcționare admis pentru un timp de funcționare continuu de 3 secunde, ceea ce este suficient pentru roboți. Supraîncărcarea repetitivă pentru roboții cu mai multe articulații este în general de aproximativ 2,0 ori.
Curent de vârf Imax: Curentul de funcționare corespunzător cuplului de vârf.
Constanta de timp electrica Te: o constanta caracteristica care reprezinta viteza cu care curentul raspunde la o tensiune aplicata. Este definit ca timpul necesar pentru ca curentul să atingă 1 - e^(-1) (aproximativ 63,2%) din curentul final după ce o tensiune fixă este aplicată la bornele motorului. Constanta de timp electrică a unui servomotor este în general specificată ca raportul dintre inductanța înfășurării statorului și rezistența sa (Te=L/R). Este legat de timpul de răspuns curent al sistemului servo, dar nu este neapărat echivalent cu acesta.
Constanta de timp mecanică Tm: Constanta de timp mecanică a unui servomotor este definită ca: tm=R*J/Ke*Kt, adică este legată de rezistența înfășurării, momentul de inerție al rotorului, coeficientul EMF înapoi-motor și coeficientul de cuplu al motorului. Constanta de timp mecanică a unui motor de antrenare este aproximativ echivalentă cu timpul necesar pentru ca motorul să accelereze de la turația zero la 63,2% din viteza sa constantă-în condiții fără-sarcină. Într-un sistem servo, această constantă poate fi echivalentă numeric cu timpul de răspuns al sistemului de viteză-pas de buclă.
Inapoi-EMF constantă Ke: Valoarea fără-sarcină inversă-EMF indusă de motor la o viteză unitară. De obicei, se referă la EMF fără-încărcare înapoi-care corespunde la 1000 rpm, cu unități de V/krpm.
Constanta de cuplu Kt: Cuplul de ieșire al motorului corespunzător unui curent unitar. Relația dintre coeficientul EMF de spate-Ke al motorului și coeficientul de cuplu Kt este dată în general de Kt=9.55 * Ke * 1,732, unde Kt este în Nm/A, Ke este în V/rpm și Ke=Kt. Aici, Ke se referă la linia înapoi-EMF.
Dacă specificațiile motorului nu furnizează parametrii Kt și Ke, Kt poate fi derivat din cuplul nominal și curentul nominal. Apoi, folosind relația Kt=9.55 * Ke * 1,732, coeficientul EMF Ke poate fi derivat indirect după cum urmează: Ke=0.1047 * Kt / 1,732, cu unități de V/rpm; Alternativ: Ke=104.7 × Kt / 1,732, cu unități de V/krpm sau mV/rpm.
Datorită limitărilor tensiunii de alimentare, EMF din spate al motorului este de obicei proiectat să fie relativ scăzut pentru a asigura o capacitate de răspuns ridicată, garantând o scădere suficientă de tensiune la viteze mari pentru a obține un curent adecvat. Cu toate acestea, curentul mare crește sarcina termică a motorului. În consecință, motoarele robotului necesită o densitate mare de putere pentru a obține dimensiuni compacte, cuplu mare și generare scăzută de căldură.
Momentul de inerție al rotorului J: Momentul de inerție al rotorului motorului. Momentul de inerție al unui motor robot este critic, deoarece afectează direct stabilitatea funcționării robotului. Acest lucru se datorează faptului că roboții implică adesea coordonarea pe mai multe-axe. De exemplu, a doua axă a unui robot articulat necesită un motor cu inerție semnificativă pentru a se adapta la modificările substanțiale ale inerției sarcinii care apar atunci când brațul se extinde și se retrage.
Cuplu-dintei: atunci când înfășurările unui motor cu magnet permanent sunt deschise-, se generează un cuplu periodic în timpul unei rotații a motorului datorită fantelor din miezul armăturii, care tind să se alinieze cu pozițiile de rezistență magnetică minimă.
Capacitate de suprasarcină: Capacitatea unui motor de a furniza o putere sau un cuplu specificat pentru o perioadă definită în condiții specificate, fără a depăși curentul de vârf specificat. De obicei, raportul dintre curentul de vârf și curentul nominal este denumit factor de suprasarcină curent, în timp ce raportul dintre cuplul de vârf și cuplul nominal este denumit factor de suprasarcină de cuplu. În general, motoarele robotului trebuie să asigure o capacitate de suprasarcină a cuplului de aproximativ 3 ori.
Viteza maximă nN: Cea mai mare viteză pe care o poate atinge motorul în timpul funcționării intermitente. Definițiile vitezei maxime variază semnificativ între producătorii de motoare; pentru motoarele robot, valoarea furnizată reprezintă de obicei cea mai mare viteză la care este posibilă funcționarea repetabilă în timpul utilizării efective. La viteza maximă, cuplul maxim corespunzător poate depăși de două ori cuplul nominal, asigurând răspuns la accelerație pe întregul interval de viteză.