Konseptet med roboter er allerede veldig bredt. Denne artikkelen fokuserer på servomotorer for robotkoblinger som brukes i industriautomatiseringssektoren og dekker ikke integrerte servomotorer for serviceroboter.
Industrielle roboter er bredt klassifisert i lineære roboter (også kjent som kartesiske roboter), multi-graders-frihetsroboter (også kjent som multi-ledderoboter), parallelle roboter (også kjent som Delta-roboter) og horisontale multi-ledderoboter (også kjent som SCARA-roboter). En «automatiseringscelle» består av ulike typer leddede robotarmer og automatisert transportutstyr. Automatiseringsceller med ulike funksjoner er koblet sammen for å danne en automatisert produksjonslinje, og flere automatiserte produksjonslinjer kombineres for å lage et automatisert verksted.
Blant disse industrirobotene og automatiserte enhetene spiller servomotorer en kritisk rolle i nøyaktig, raskt og pålitelig posisjonering av mekaniske strukturer i henhold til kontrollkommandoer; derfor regnes de som kjernekomponenter.
Grunnleggende konsepter for servomotorer med permanent magnet
"Servo" refererer til muligheten til å utføre kommandoer fra et kontrolldatasystem uten avvik. Dette konseptet er ikke begrenset til elektriske motorer eller hydraulikk; den omfatter også pneumatiske systemer, og enhver komponent som er i stand til å utføre denne oppgaven regnes som en servokomponent.
En elektrisk motor er en elektromekanisk komponent som konverterer elektrisk energi til mekanisk energi. En servomotor er en elektrisk motor designet for bruk i bevegelseskontrollsystemer, der utgangsparametrene-som posisjon, hastighet, akselerasjon eller dreiemoment-er kontrollerbare.
Servomotorer kan klassifiseres i forskjellige typer basert på deres kontrollspesifikasjoner. Etter strømforsyningstype er de delt inn i AC-servomotorer og DC-servomotorer; etter driftsmodus er de kategorisert i lineære servomotorer og roterende servomotorer. Lineære motorer genererer direkte newtonsk kraft, mens roterende motorer gir ut rotasjonsmoment. For å drive lineære belastninger krever rotasjonsmotorer mekaniske mekanismer som blyskruer for å konvertere rotasjonsbevegelse til lineær bevegelse.
Roterende AC servomotorer er klassifisert i AC asynkrone servomotorer og AC synkrone servomotorer basert på rotorstruktur. Rotoren til en AC asynkron servomotor består av et aluminium- eller kobberbur, og burets rotasjonshastighet opprettholder alltid en viss hastighetsforskjell i forhold til det synkront roterende magnetfeltet. Under vektorkontrollteknologi kan denne typen motor oppnå momentkontrollkarakteristikk like presise som DC-motorer. Rotoren har imidlertid høy treghet, gode konstante-effektegenskaper og et bredt hastighetsområde, noe som gjør den egnet for et bredt spekter av variable-treghetsbelastninger som maskinverktøyskjæring og viklings-/avviklingsapplikasjoner for utskriftsmaskiner. Ulempene er lavt startmoment, og deres elektromagnetiske responshastighet er dårligere enn for permanentmagnet servomotorer. Den elektromagnetiske tidskonstanten er omtrent 10 ganger den for permanentmagnetmotorer laget av permanentmagnetmaterialer. På grunn av lav effekttetthet og store rotordimensjoner er de dessuten ikke egnet for høy-dynamisk servoapplikasjoner.
Roterende AC synkrone servomotorer bruker permanentmagnetmaterialer for rotorene sine, som direkte genererer det magnetiske eksitasjonsfeltet. Det er ikke behov for en eksitasjonsstrøm for å etablere motorens magnetfelt, noe som resulterer i en rask elektromagnetisk respons. Videre muliggjør den høye energitettheten til gjeldende sjeldne-jordiske permanentmagnetmaterialer høy effekttetthet i disse motorene, noe som åpner for muligheter for å designe servomotorer med ulike ytelsesegenskaper. Høy dynamisk respons kan oppnås gjennom et slankt design med lav rotortreghet eller en kompakt, robust design med høy rotortreghet. Bruken av sjeldne-jordiske permanentmagnetmaterialer har etablert permanentmagnetmotorer som det foretrukne valget for servoapplikasjoner. Imidlertid er sjeldne-jordiske permanentmagnetmaterialer fortsatt den dyreste komponenten blant alle materialer som brukes i servomotorer. Forskjeller i materialene som brukes av ulike produsenter resulterer i varierende nivåer av produktkvalitet. Permanentmagnetmaterialer av høy{10}}kvalitet kan ikke avmagnetisere selv ved driftstemperaturer over 150 grader, mens dårligere materialer kan avmagnetiseres når motorens driftstemperatur er under 120 grader. Kvaliteten på permanentmagnetmaterialene bestemmer direkte de ulike egenskapene til servomotoren.
Lineære servomotorer sender ut Newton-meter kraft direkte uten å kreve mekanisk konvertering, noe som muliggjør svært høy akselerasjon. De siste årene har raske teknologiske fremskritt ført til utbredt bruk av dem i mateaksene til verktøymaskiner med høy- ytelse. I industriroboter er deres anvendelse begrenset til visse lineære robotarmer og er ikke fokus i denne artikkelen. Denne artikkelen fokuserer på roterende permanentmagnet servomotorer og deres anvendelser i industriroboter.
Strukturen til en roterende permanentmagnetmotor
Figur 1 viser et typisk konstruksjonsdiagram av en servomotor med permanent magnet. For å gi en omfattende oversikt, er dette enkeltdiagram ment å tydelig illustrere hele strukturen til en servomotor med permanent magnet. Faktisk kan lav-permanentmagnet servomotorer vurdert til 15 kW eller mindre stole på naturlig konveksjon for kjøling, noe som eliminerer behovet for en kjølevifte. Disse motorene er kompakte og krever ikke monteringsføtter; monteringsringer er også unødvendige. Bytte ut koblingsboksen med en flykontakt for ledningsledningene resulterer i en renere design. Følgelig blir motorens utseende som vist i figur 2(a). Hvis motoren er veldig liten-under 1 kW-er til og med flykontaktene for ledningsledningene unødvendige; i stedet kan en kabel forlenges direkte fra motoren, noe som resulterer i konfigurasjonen vist i figur 2(b).
Figur 1: Skjematisk diagram av en permanent magnet servomotor
Figur 2: Skjematisk diagram av en lav-permanentmagnet servomotor
Denne delen forutsetter at leseren forstår prinsippene til elektriske motorer og fokuserer utelukkende på å forklare de strukturelle forskjellene mellom permanentmagnet servomotorer og andre typer motorer basert på egenskapene til robotmotorer.
Lager: Levetiden til en servomotor er tett knyttet til lagrene. Gitt de høye kravene til pålitelighet og holdbarhet til roboter, må lagrene sikre en levetid på minst 30 000 timer. Basert på en 8-timers arbeidsdag tilsvarer dette en levetid for roboter på minst 10 år. Lagrene må være i stand til intermitterende drift ved 6000 rpm.
Statorlamineringer og viklinger: Siden robotmotorer krever høy effekttetthet, og for å minimere størrelsen og redusere jerntap varmeutvikling, må lamineringsmaterialet være kaldvalset- silisiumstål med en tykkelse på 0,35 mm eller mindre. Viklingene må tåle lang-eksponering for 16 kHz variable-frekvensbærepulser. For å forhindre sammenbrudd og tåle intense dv/dt-overspenninger, må spenningsmotstandsklassifiseringen ikke være mindre enn 2500 V.
Rotor Permanent Magnet Material: Permanent magnetmaterialet er den dyreste komponenten i en permanent magnet servomotor. Materialer med lavt innhold av sjeldne jordartsmetaller har et lavt Curie-punkt og dårlig materialstabilitet. Hvis det brukes neodym-jern-bor (NdFeB)-magneter, bør de helst være av UH42-grad eller høyere. I tillegg må oppmerksomhet rettes mot innholdet av sjeldne jordartselementer som dysprosium. For å sikre høy-temperaturavmagnetiseringsmotstand, er samarium-kobolt (SmCo)-magneter også mye brukt i små og mellomstore-servomotorer. Oppsummert er det viktig å sikre at servomotoren forblir virkelig avmagnetiseringsbestandig{11} under normale driftsforhold. Ellers kan den langsiktige-stabiliteten til roboten ikke garanteres.
Akseltetninger: For å forhindre at olje og rusk kommer inn i motoren og samtidig sikre jevn drift, er installasjon av en akseltetning ved motorakselenden en standard designpraksis. I roboter freses ofte et lite gir på servomotorakselen for å koble motoren direkte til reduksjonsrøret. Siden høye temperaturer og olje kan komme inn i motoren, kreves det fler-høye-temperatur-akseltetninger. For eksempel er en akseltetning av fluorkarbongummi med dobbel-leppe mer pålitelig enn en akseltetning av nitrilgummi med enkel-leppe, selv om kostnadsforskjellen er betydelig.
Brems: En brems er en standardfunksjon for robotmotorer. Nesten 95 % av servomotorene krever brems. For å sikre at bremsen aktiveres til enhver tid,-spesielt under nødstopp-må den fungere pålitelig. Bremsen må ha tilstrekkelig sikkerhetsfaktor, med et statisk dreiemoment på ca. 1,5 ganger motorens nominelle dreiemoment. For kraftige-robotmotorer bør sikkerhetsfaktoren for bremsen nå 2,0 eller til og med 2,5 ganger det nominelle dreiemomentet. Det er viktig å merke seg at bremsen på en robotmotor er en sikkerhetsbrems, ikke en driftsbrems. Styresystemet skal sørge for at servodrevets bremsekrets ved nødstopp aktiveres via en bremsemotstand, og at bremsen kobles inn når motorhastigheten nærmer seg null. For å forbedre responshastigheten er permanentmagnetbremser overlegne elektromagnetiske fjærbremser.
Encoder: Encoderen er montert i bakenden av motoren og fungerer som en sensor for motorhastighet og rotorposisjon. Den måler rotorens posisjon for å gi kontrolldatamaskinen data om rotorens faktiske posisjon og hastighet for servokontroll, magnetfeltposisjonering og bevegelsesbaneberegning. Mens robotmotorkodere generelt ikke tilbyr høy presisjon, må de støtte multi-svings absolutt posisjonsmåling for å sikre at motoren kan gjenoppta driften fra posisjonen den var i før et strømbrudd. For øyeblikket er det tre vanlige tilnærminger for å håndtere krav til robotmotorkoder. Den første metoden bruker en optisk eller magnetisk koder for gråkode for enkelt-svingmåling og mekaniske gir for fler-svingmåling. Fordelen med denne tilnærmingen er høy målenøyaktighet; etter et strømbrudd beholdes motorens driftsposisjon via koderens mekaniske posisjon og kan leses direkte ved oppstart-. Ulempen er imidlertid at koderen er for tykk, noe som gjør den for lang for begrensede installasjonsplasser. Den andre metoden bruker en optisk eller magnetisk Gray-kodekoder for å lagre enkelt-svingdata, mens multi{12}}svingdata lagres via et batteridrevet-elektronisk minne. Dette gjør at koderen kan gjøres veldig kort, noe som gjør den ideell for små servomotorer med en ytre diameter på mindre enn 60 mm. Ulempen er at batterilevetiden er relativt kort-vanligvis 2–3 år på det meste, og i noen tilfeller må batteriet skiftes ut etter bare ett år. Den tredje metoden bruker en roterende transformator for å måle enkelt-svingposisjon for applikasjoner med lave presisjonskrav, mens informasjon om flere-svinger håndteres av et batteridrevet-kretskort inne i kontrollboksen.
Rotorakselforlengelse: På grunn av hyppig forover- og reversdrift utsettes motoren for skjærkrefter; derfor bør akselmaterialet helst være 42CrMo herdet stål. Hvis motoren er installert med en nøkkel, må nøkkelen være helt på plass for effektivt å redusere motorens dynamiske balanse og utløp. Ved høye hastigheter kan utløpsforskjellen mellom en servomotor med kile og en bar aksel under tomgangsdrift være så mye som ni ganger større-en faktor som ikke bør undervurderes.
Nøkkeloverføringsparametre for servomotorer med permanent magnet
Driftssone: Området der motoren kan operere kontinuerlig uten å overskride tillatt temperaturøkning kalles den kontinuerlige driftssonen; området utenfor den kontinuerlige driftssonen der kort-drift er tillatt kalles intermitterende driftssone. Driftssonen er representert av et to-dimensjonalt koordinatplan for dreiemoment og hastighet.
Nominell effekt PN: Den maksimale effekten motoren kan levere innenfor den kontinuerlige driftssonen.
Nominell dreiemoment MN: Dreiemomentet som motoren leverer sin merkeeffekt med innenfor den kontinuerlige driftssonen. Definisjoner av nominelt dreiemoment varierer betydelig mellom produsenter. Tilsvarende varmeavledningsforhold er generelt spesifisert. Internasjonalt er det vanlig praksis å spesifisere at denne karakteren måles med motoren montert på en aluminiumsflens med et definert område og tykkelse, med flenstemperaturen holdt på 20 grader eller under en spesifisert temperatur. Derfor, i faktisk drift, er motorer ofte montert på støpejernskomponenter, og sommertemperaturer kan overstige teststandarden. Hvis det ikke tillates margin under drift, kan dette føre til overoppheting og avmagnetisering. Standardtilstanden på 40 graders omgivelsestemperatur spesifisert av den kinesiske nasjonale standarden er relativt rimelig for det kinesiske miljøet. Anerkjente produsenter vil inkludere en viss designmargin under de nominelle verdiene fastsatt i henhold til standarden når de publiserer det nominelle dreiemomentet, noe som er sikrere.
Nominell strøm IN: Strømmen som tilsvarer det nominelle dreiemomentet.
Nominell hastighet nN: Maksimal hastighet som motoren tillates å operere med under nominelt dreiemoment innenfor den kontinuerlige driftssyklusen.
Continuous Locked-Rotor Torque MO: Maksimalt dreiemoment motoren kan levere når den er låst i den kontinuerlige driftssyklusen. Vanligvis anses hastigheter under 100 rpm å falle innenfor det låste -rotorens driftsområde.
Kontinuerlig låst-rotorstrøm I0: Strømmen som tilsvarer det kontinuerlige låste-rotormomentet.
Peak Torque Mmax: Det maksimale dreiemomentet motoren tillates å gi. Nominelle forhold varierer betydelig mellom ulike produsenter. Noen spesifiserer dreiemomentet som tilsvarer avmagnetiseringsstrømmen; slike spesifikasjoner bør ikke brukes som toppmoment. Mekaniske designere må tillate tilstrekkelig margin for å forhindre at motoren demagnetiserer og svikter på grunn av for høyt driftsmoment. Hvis det maksimale dreiemomentet er spesifisert i henhold til driftssyklusen, har det en teknisk referanseverdi. Toppmomentet spesifisert i henhold til S3-10 % har den største tekniske referanseverdien; det kan forstås som det maksimale driftsmomentet som er tillatt for en kontinuerlig driftstid på 3 sekunder, noe som er tilstrekkelig for roboter. Den gjentatte overbelastningen for flerleddet roboter er vanligvis rundt 2,0 ganger.
Toppstrøm Imax: Driftsstrømmen som tilsvarer toppmomentet.
Elektrisk tidskonstant Te: En karakteristisk konstant som representerer hastigheten som strømmen reagerer på en påført spenning. Det er definert som tiden det tar for strømmen å nå 1 - e^(-1) (omtrent 63,2 %) av sluttstrømmen etter at en fast spenning påføres over motorterminalene. Den elektriske tidskonstanten til en servomotor er generelt spesifisert som forholdet mellom statorviklingens induktans og motstand (Te=L/R). Den er relatert til gjeldende trinnresponstid til servosystemet, men er ikke nødvendigvis ekvivalent med den.
Mekanisk tidskonstant Tm: Den mekaniske tidskonstanten til en servomotor er definert som: tm=R*J/Ke*Kt, dvs. den er relatert til viklingsmotstanden, rotorens treghetsmoment, motorens tilbake-EMF-koeffisient og motorens dreiemomentkoeffisient. Den mekaniske tidskonstanten til en drivmotor tilsvarer tilnærmet tiden som kreves for motoren å akselerere fra null hastighet til 63,2 % av dens stabile-hastighet under ingen-belastning. I et servosystem kan denne konstanten være numerisk ekvivalent med systemets hastighet-sløyfe-trinnresponstid.
Tilbake-EMF-konstant Ke: Ingen-tilbakelast-EMF-verdien indusert av motoren ved en enhetshastighet. Det refererer vanligvis til ingen-tilbakelastning-EMF som tilsvarer 1000 rpm, med enheter på V/krpm.
Momentkonstant Kt: Motorens utgangsmoment tilsvarende en enhetsstrøm. Forholdet mellom motorens bakside-EMF-koeffisient Ke og momentkoeffisienten Kt er vanligvis gitt av Kt=9.55 * Ke * 1,732, der Kt er i Nm/A, Ke er i V/rpm og Ke=Kt. Her refererer Ke til linjen tilbake-EMF.
Hvis motorspesifikasjonene ikke gir Kt- og Ke-parametere, kan Kt utledes fra nominell dreiemoment og merkestrøm. Deretter, ved å bruke forholdet Kt=9.55 * Ke * 1,732, kan linjen tilbake-EMF-koeffisienten Ke indirekte utledes som følger: Ke=0.1047 * Kt / 1,732, med enheter av V/rpm; Alternativt: Ke=104.7 × Kt / 1.732, med enheter av V/krpm eller mV/rpm.
På grunn av spenningsbegrensninger i strømforsyningen, er motorens bakre EMF typisk utformet for å være relativt lav for å sikre høy respons, noe som garanterer tilstrekkelig spenningsfall ved høye hastigheter for å oppnå tilstrekkelig strøm. Høy strøm øker imidlertid motorens termiske belastning. Følgelig krever robotmotorer en høy effekttetthet for å oppnå kompakt størrelse, høyt dreiemoment og lav varmeutvikling.
Rotor treghetsmoment J: Treghetsmomentet til motorrotoren. Treghetsmomentet til en robotmotor er kritisk, siden det direkte påvirker stabiliteten til robotens drift. Dette er fordi roboter ofte involverer fler-aksekoordinering. For eksempel krever den andre aksen til en leddrobot en motor med betydelig treghet for å imøtekomme de betydelige endringene i lasttreghet som oppstår når armen strekker seg ut og tilbake.
Tann-spormoment: Når viklingene til en permanentmagnetmotor er åpne-, genereres et periodisk dreiemoment i løpet av én omdreining av motoren på grunn av sporene i ankerkjernen, som har en tendens til å justere med posisjoner med minimum magnetisk motstand.
Overbelastningskapasitet: En motors evne til å levere en spesifisert effekt eller dreiemoment i en definert periode under spesifiserte forhold uten å overskride den spesifiserte toppstrømmen. Vanligvis blir forholdet mellom toppstrøm og nominell strøm referert til som gjeldende overbelastningsfaktor, mens forholdet mellom toppdreiemoment og nominell dreiemoment omtales som momentoverbelastningsfaktor. Generelt må robotmotorer sikre en dreiemomentoverbelastningskapasitet på ca. 3 ganger.
Maksimal hastighet nN: Den høyeste hastigheten motoren kan oppnå under periodisk drift. Definisjoner av maksimal hastighet varierer betydelig blant motorprodusenter; for robotmotorer representerer verdien oppgitt typisk den høyeste hastigheten som repeterbar drift er mulig med under faktisk bruk. Ved maksimal hastighet kan det tilsvarende maksimale dreiemomentet overstige det dobbelte av det nominelle dreiemomentet, noe som sikrer akselerasjonsrespons over hele hastighetsområdet.