A robotok fogalma már nagyon tág. Ez a cikk az ipari automatizálási szektorban használt robotcsuklók szervomotorjaira összpontosít, és nem terjed ki a szervizrobotok integrált szervomotorjaira.
Az ipari robotokat nagy vonalakban lineáris robotokra (más néven derékszögű robotokra), több{0}}szabadságfokú--szabadságrobotokra (más néven több-joint robotokra), párhuzamos robotokra (más néven Delta robotokra) és vízszintes több-együttes robotokra (más néven SCAR-robotokra) osztják. Az „automatizálási cella” különféle típusú csuklós robotkarokból és automatizált szállítóberendezésekből áll. A különböző funkciókkal rendelkező automatizálási cellák összekapcsolva egy automatizált gyártósort alkotnak, és több automatizált gyártósort kombinálnak egy automatizált műhely létrehozásához.
Ezen ipari robotok és automatizált egységek közül a szervomotorok kritikus szerepet játszanak a mechanikus szerkezetek vezérlési parancsok szerinti pontos, gyors és megbízható pozicionálásában; ezért alapvető összetevőknek tekintendők.
Az állandó mágneses szervomotorok alapfogalmai
A "Servo" arra a képességre utal, hogy a vezérlő számítógépes rendszertől eltérés nélkül végrehajtható parancsok. Ez a koncepció nem korlátozódik az elektromos motorokra vagy a hidraulikára; magában foglalja a pneumatikus rendszereket is, és minden alkatrész, amely képes ezt a feladatot ellátni, szervoalkatrésznek minősül.
Az elektromos motor egy elektromechanikus alkatrész, amely az elektromos energiát mechanikai energiává alakítja. A szervomotor egy mozgásvezérlő rendszerekben való használatra tervezett villanymotor, ahol a kimeneti paraméterei-, például a helyzet, a sebesség, a gyorsulás vagy a nyomaték{2}}szabályozhatók.
A szervomotorok vezérlési specifikációik alapján különböző típusokba sorolhatók. A tápegység típusa szerint AC szervomotorokra és egyenáramú szervomotorokra vannak felosztva; üzemmód szerint lineáris szervomotorok és forgó szervomotorok kategóriába sorolhatók. A lineáris motorok közvetlenül Newtoni erőt generálnak, míg a forgómotorok forgási nyomatékot. A lineáris terhelések meghajtásához a forgómotorokhoz mechanikus mechanizmusokra van szükség, például vezércsavarokra, amelyek a forgó mozgást lineáris mozgássá alakítják.
A forgó váltóáramú szervomotorokat AC aszinkron szervomotorokba és AC szinkron szervomotorokba sorolják a forgórész szerkezete alapján. A váltakozó áramú aszinkron szervomotor forgórésze alumínium vagy réz ketrecből áll, és a ketrec forgási sebessége mindig fenntart egy bizonyos sebességkülönbséget a szinkron forgó mágneses térhez képest. A vektorvezérlési technológiában az ilyen típusú motorok olyan pontos nyomatékszabályozási karakterisztikát tudnak elérni, mint az egyenáramú motoroké. A rotor azonban nagy tehetetlenséggel, jó állandó -teljesítmény-jellemzőkkel és széles fordulatszám-tartománnyal rendelkezik, így alkalmas a változó tehetetlenségi terhelések széles skálájára, mint például a szerszámgépek forgácsolására és a nyomdagépek tekercselési/letekercselési alkalmazásaira. Hátránya az alacsony indítónyomaték, és az elektromágneses válaszsebességük alacsonyabb, mint az állandó mágneses szervomotoroké. Az elektromágneses időállandó körülbelül 10-szerese az állandó mágneses anyagokból készült állandó mágneses motorokénak. Ezenkívül az alacsony teljesítménysűrűség és a nagy rotorméretek miatt nem alkalmasak nagy-dinamikus szervo-alkalmazásokhoz.
A forgó váltóáramú szinkron szervomotorok állandó mágneses anyagokat használnak forgórészeikhez, amelyek közvetlenül generálják a gerjesztő mágneses teret. Nincs szükség gerjesztőáramra a motor mágneses terének létrehozásához, ami gyors elektromágneses választ eredményez. Ezenkívül a jelenlegi ritka{2}földfém állandó mágneses anyagok nagy energiasűrűsége nagy teljesítménysűrűséget tesz lehetővé ezekben a motorokban, ami lehetőséget ad különféle teljesítményjellemzőkkel rendelkező szervomotorok tervezésére. Magas dinamikus reakció érhető el karcsú kialakítással, alacsony forgórész tehetetlenséggel vagy kompakt, robusztus kialakítással, nagy rotortehetetlenséggel. A ritka-földfém állandó mágneses anyagok használata miatt az állandó mágneses motorok az előnyben részesítettek szervóalkalmazások számára. A ritka{7}}földfém állandó mágnesek azonban továbbra is a legdrágább alkatrész a szervomotorokban használt anyagok közül. A különböző gyártók által felhasznált anyagok közötti különbségek a termék minőségének eltérő szintjét eredményezik. Előfordulhat, hogy a jó minőségű állandó mágneses anyagok még 150 fok feletti üzemi hőmérsékleten sem lemágneseznek, míg a gyengébb minőségű anyagok demagnetizálódhatnak, ha a motor üzemi hőmérséklete 120 fok alatt van. Az állandó mágneses anyagok minősége közvetlenül meghatározza a szervomotor különböző jellemzőit.
A lineáris szervomotorok közvetlenül Newton{0}}méteres erőt adnak le, mechanikai átalakítás nélkül, ami nagyon nagy gyorsulást tesz lehetővé. Az elmúlt években a gyors technológiai fejlődés eredményeként széles körben elterjedtek a nagy teljesítményű szerszámgépek előtolótengelyein. Az ipari robotokban azonban alkalmazásuk bizonyos lineáris robotkarokra korlátozódik, és ez a cikk nem áll a középpontjában. Ez a cikk a forgó állandó mágneses szervomotorokra és azok ipari robotokban való alkalmazásaira összpontosít.
Forgó állandó mágneses motor felépítése
Az 1. ábra egy állandó mágneses szervomotor tipikus szerkezeti diagramját mutatja. Az átfogó áttekintés érdekében ez az egyetlen diagram világosan bemutatja az állandó mágneses szervomotor teljes szerkezetét. Valójában a 15 kW-os vagy kisebb teljesítményű, kis teljesítményű állandó mágneses szervomotorok természetes konvekcióra támaszkodhatnak a hűtéshez, így nincs szükség hűtőventilátorra. Ezek a motorok kompaktak és nem igényelnek rögzítő lábakat; szerelőgyűrűk sem szükségesek. A kapocsdoboz cseréje légi csatlakozóval a vezetékek számára tisztább kialakítást eredményez. Következésképpen a motor megjelenése a 2(a) ábrán látható lesz. Ha a motor nagyon kicsi-1 kW alatti-, még a vezetékek légi csatlakozóira sincs szükség; ehelyett egy kábel közvetlenül kihúzható a motorból, ami a 2(b) ábrán látható konfigurációt eredményezi.
1. ábra: Állandó mágneses szervomotor vázlata
2. ábra: Egy kis-teljesítményű állandó mágneses szervomotor sematikus diagramja
Ez a rész feltételezi, hogy az olvasó megérti az elektromos motorok alapelveit, és kizárólag az állandó mágneses szervomotorok és más típusú motorok közötti szerkezeti különbségek magyarázatára összpontosít a robotmotorok jellemzői alapján.
Csapágyak: A szervomotor élettartama szorosan összefügg a csapágyaival. Tekintettel a robotok magas megbízhatósági és tartóssági követelményeire, a csapágyaknak legalább 30 000 órás élettartamot kell biztosítaniuk. A 8 órás munkanap alapján ez a robot legalább 10 éves élettartamát jelenti. A csapágyaknak képesnek kell lenniük 6000 ford./perc sebességű szakaszos működésre.
Állórész laminálása és tekercselése: Mivel a robotmotorok nagy teljesítménysűrűséget igényelnek, és a méret minimalizálása és a vasveszteség hőtermelésének csökkentése érdekében a laminálás anyagának 0,35 mm vagy annál kisebb vastagságú, hidegen{0}}hengerelt szilíciumacélnak kell lennie. A tekercseknek ki kell állniuk a 16 kHz-es változófrekvenciás{5}}frekvenciás vivőimpulzusoknak. A meghibásodás megelőzése és az intenzív dv/dt túlfeszültségek ellenállóképessége érdekében a névleges feszültségállóságnak legalább 2500 V-nak kell lennie.
Rotor állandó mágneses anyaga: Az állandó mágnes anyaga az állandó mágneses szervomotor legdrágább alkatrésze. Az alacsony ritkaföldfém-tartalmú anyagok alacsony Curie-ponttal és rossz anyagstabilitással rendelkeznek. Ha neodímium-vas-bór (NdFeB) mágneseket használ, lehetőleg UH42 vagy magasabb minőségűek legyenek. Ezenkívül figyelmet kell fordítani a ritkaföldfém-elemek, például a diszprózium tartalmára. A magas-hőmérsékletű lemágnesezési ellenállás biztosítása érdekében a szamárium-kobalt (SmCo) mágneseket széles körben használják kis és közepes méretű szervomotorokban is. Összefoglalva, alapvető fontosságú annak biztosítása, hogy a szervomotor valóban lemágnesezési -ellenálló maradjon normál működési körülmények között. Ellenkező esetben a robot hosszú távú stabilitása{13}nem garantálható.
Tengelytömítések: Annak érdekében, hogy megakadályozzuk az olaj és törmelék bejutását a motorba, miközben biztosítjuk a zökkenőmentes működést, a tengelytömítés beszerelése a motor tengelyvégére szokásos tervezési gyakorlat. A robotokban gyakran egy kis fogaskereket marnak a szervomotor tengelyére, hogy a motort közvetlenül a reduktorhoz csatlakoztassák. Mivel magas hőmérséklet és olaj kerülhet a motorba, több-ajakos, magas hőmérsékletű-tengelytömítésekre van szükség. Például egy dupla-ajkos fluorkarbon gumi tengelytömítés megbízhatóbb, mint az egy-ajkos nitril gumi tengelytömítés, bár a költségkülönbség jelentős.
Fék: A fék a robotmotorok alapfelszereltsége. A szervomotorok közel 95%-a féket igényel. Annak érdekében, hogy a fék mindenkor bekapcsolódjon,-különösen vészleálláskor-megbízhatóan kell működnie. A féknek megfelelő biztonsági tényezővel kell rendelkeznie, és a statikus nyomatéka körülbelül 1,5-szerese a motor névleges nyomatékának. Nagy teherbírású robotmotorok esetén a fék biztonsági tényezőjének el kell érnie a névleges nyomaték 2,0 vagy akár 2,5-szeresét. Fontos megjegyezni, hogy a robotmotor fékje biztonsági fék, nem üzemi fék. A vezérlőrendszernek biztosítania kell, hogy vészleállításkor a szervohajtás fékköre egy fékellenálláson keresztül aktiválódjon, és a fék bekapcsoljon, ha a motor fordulatszáma megközelíti a nullát. A reakciósebesség javítása érdekében az állandó mágneses fékek jobbak, mint az elektromágneses rugós fékek.
Kódoló: A jeladó a motor hátsó végére van felszerelve, és a motor fordulatszámának és a rotor helyzetének érzékelőjeként működik. Méri a forgórész helyzetét, hogy a vezérlő számítógép számára adatokat biztosítson a rotor tényleges helyzetéről és sebességéről a szervovezérléshez, a mágneses mező pozicionálásához és a mozgási pálya kiszámításához. Noha a robotmotor-kódolók általában nem nyújtanak nagy pontosságot, támogatniuk kell a több-fordulatú abszolút pozícióméréseket, hogy biztosítsák, hogy a motor az áramkimaradás előtti pozícióból folytathassa működését. Jelenleg három általános megközelítés létezik a robotmotor-kódolókkal kapcsolatos követelmények kezelésére. Az első módszer Gray kódú optikai vagy mágneses kódolót használ egy-fordulatú méréshez, mechanikus fogaskerekeket pedig több-fordulatú méréshez. Ennek a megközelítésnek az előnye a nagy mérési pontosság; áramkimaradás után a motor működési helyzetét a kódoló mechanikus helyzete megőrzi, és közvetlenül leolvasható -bekapcsoláskor. Hátránya azonban, hogy az enkóder túl vastag, ezért túlságosan hosszú a korlátozott telepítési helyeken. A második módszer egy optikai vagy mágneses Gray-kód kódolót használ az egyszeri-fordulatos adatok tárolására, míg a több{12}}fordulatú adatokat egy akkumulátoros{13}}elektronikus memória tárolja. Ez lehetővé teszi a jeladó nagyon rövidre szabását, így ideális a 60 mm-nél kisebb külső átmérőjű kis szervomotorokhoz. Hátránya, hogy az akkumulátor élettartama viszonylag rövid, -általában legfeljebb 2–3 év, és bizonyos esetekben az akkumulátort már egy év elteltével ki kell cserélni. A harmadik módszer egy forgótranszformátort használ az egyszeri-fordulat helyzetének mérésére az alacsony pontosságú alkalmazásoknál, míg a többfordulatú információkat a vezérlődobozban található akkumulátoros{23}}áramköri lap kezeli.
A rotor tengelyének meghosszabbítása: A gyakori előre- és hátramenet miatt a motor nyíróerőknek van kitéve; ezért a tengely anyaga lehetőleg 42CrMo edzett acél legyen. Ha a motor kulccsal van felszerelve, a kulcsnak teljesen be kell ülnie, hogy hatékonyan csökkentse a motor dinamikus egyensúlyát és lefutását. Nagy fordulatszámon a kulcsos szervomotor és a csupasz tengely közötti kifutási különbség terhelés nélküli-működés esetén akár kilencszer nagyobb is lehet,-ez a tényező, amelyet nem szabad alábecsülni.
Állandó mágneses szervomotorok fő átviteli paraméterei
Működési zóna: Azt a tartományt, ahol a motor folyamatosan működik anélkül, hogy túllépné a megengedett hőmérséklet-emelkedést, folyamatos működési zónának nevezzük; a folyamatos működési zónán kívüli régiót, ahol a rövid távú{0}}működés megengedett, szakaszos működési zónának nevezzük. A működési zónát a nyomaték és a sebesség két-dimenziós koordinátasíkja képviseli.
Névleges teljesítmény PN: A motor által a folyamatos működési zónában leadható maximális teljesítmény.
Névleges nyomaték MN: Az a nyomaték, amellyel a motor leadja névleges teljesítményét a folyamatos működési zónában. A névleges nyomaték meghatározásai jelentősen eltérnek a gyártók között. A megfelelő hőelvezetési feltételeket általában meghatározzák. Nemzetközi szinten bevett gyakorlat, hogy ezt a névleges értéket meghatározott területű és vastagságú alumínium karimára szerelt motorral mérik, miközben a karima hőmérsékletét 20 fokon vagy egy meghatározott hőmérséklet alatt tartják. Ezért a tényleges működés során a motorokat gyakran öntöttvas alkatrészekre szerelik fel, és a nyári hőmérséklet meghaladhatja a vizsgálati szabványt. Ha működés közben nem megengedett a margó, az túlmelegedéshez és lemágnesezéshez vezethet. A kínai nemzeti szabvány által meghatározott 40 fokos környezeti hőmérséklet szabványos feltétele viszonylag ésszerű a kínai környezet számára. A neves gyártók a névleges nyomaték közzétételekor a szabvány szerint meghatározott névleges értékek alatt bizonyos tervezési határt fognak feltüntetni, ami biztonságosabb.
Névleges áram IN: A névleges nyomatéknak megfelelő áram.
Névleges fordulatszám nN: Az a maximális fordulatszám, amelyen a motor névleges nyomaték mellett üzemelhet a folyamatos munkacikluson belül.
Folyamatos zárolt Általában a 100 ford./perc alatti fordulatszámok a zárt-rotor működési tartományába esnek.
Folyamatos zárt
Csúcsnyomaték Mmax: A maximális nyomaték, amelyet a motor kiadhat. A névleges feltételek jelentősen eltérnek az egyes gyártóktól. Egyesek a lemágnesező áramnak megfelelő nyomatékot adják meg; az ilyen specifikációkat nem szabad csúcsnyomatékként használni. A mechanikus tervezőknek elegendő tartalékot kell hagyniuk ahhoz, hogy megakadályozzák a motor lemágnesezését és a túlzott üzemi nyomaték miatti meghibásodást. Ha a maximális nyomaték a munkaciklusnak megfelelően van megadva, akkor annak műszaki referenciaértéke van. Az S3-10% szerint meghatározott csúcsnyomaték rendelkezik a legnagyobb műszaki referenciaértékkel; felfogható a robotok számára elegendő 3 másodperces folyamatos üzemidőre megengedett maximális üzemi nyomatékként. A többcsuklós robotok ismétlődő túlterhelése általában körülbelül 2,0-szeres.
Csúcsáram Imax: A csúcsnyomatéknak megfelelő üzemi áram.
Elektromos időállandó Te: karakterisztikus állandó, amely azt a sebességet jelenti, amellyel az áram reagál a rákapcsolt feszültségre. Ez az az idő, amely ahhoz szükséges, hogy az áram elérje a végső áram 1 - e^(-1) értékét (körülbelül 63,2%), miután a motor kapcsaira rögzített feszültséget kapcsoltak. A szervomotor elektromos időállandóját általában az állórész tekercs induktivitásának és ellenállásának arányaként határozzák meg (Te=L/R). Összefügg a szervorendszer aktuális lépésválaszidejével, de nem feltétlenül egyenértékű vele.
Tm mechanikai időállandó: A szervomotor mechanikai időállandója a következőképpen definiálható: tm=R*J/Ke*Kt, azaz a tekercsellenállással, a forgórész tehetetlenségi nyomatékával, a motor vissza-EMF-együtthatójával és a motor nyomatékegyütthatójával függ össze. A hajtómotor mechanikai időállandója hozzávetőlegesen megegyezik azzal az idővel, amely ahhoz szükséges, hogy a motor nulla fordulatszámról az állandósult-fordulatszám 63,2%-ára gyorsuljon terhelés nélkül. Szervorendszerben ez az állandó számszerűen egyenértékű lehet a rendszer sebesség{9}}huroklépéses válaszidejével.
Back-EMF-állandó Ke: A motor által egységnyi fordulatszámon indukált no-load back-EMF érték. Általában az 1000 ford./percnek megfelelő no-load back-EMF-re utal, V/krpm egységekkel.
Nyomatékállandó Kt: A motor egységáramnak megfelelő kimeneti nyomatéka. A motor hátsó -EMF-együtthatója Ke és a Kt nyomatéktényező közötti összefüggést általában a Kt=9.55 * Ke * 1,732 értékkel adják meg, ahol Kt értéke Nm/A, Ke V/rpm, Ke=Kt. Itt Ke a vissza-EMF-re utal.
Ha a motor specifikációi nem adnak meg Kt és Ke paramétereket, a Kt a névleges nyomatékból és a névleges áramból származtatható. Ekkor a Kt=9.55 * Ke * 1,732 összefüggést használva a vissza-Ke EMF-együttható indirekt módon a következőképpen származtatható: Ke=0.1047 * Kt / 1,732, V/rpm egységekkel; Alternatív megoldásként: Ke=104.7 × Kt / 1,732, V/krpm vagy mV/rpm mértékegységekkel.
A tápfeszültség korlátai miatt a motor hátulsó EMF-jét általában viszonylag alacsonyra tervezték, hogy biztosítsa a nagy reakcióképességet, és garantálja a megfelelő feszültségesést nagy sebességeknél a megfelelő áram eléréséhez. A nagy áramerősség azonban növeli a motor hőterhelését. Következésképpen a robotmotorok nagy teljesítménysűrűséget igényelnek a kompakt méret, a nagy nyomaték és az alacsony hőtermelés eléréséhez.
Rotor Moment of Inertia J: A motor forgórészének tehetetlenségi nyomatéka. A robotmotor tehetetlenségi nyomatéka kritikus, mivel közvetlenül befolyásolja a robot működésének stabilitását. Ennek az az oka, hogy a robotok gyakran több-tengelyes koordinációt alkalmaznak. Például egy csuklós robot második tengelyéhez jelentős tehetetlenséggel rendelkező motorra van szükség ahhoz, hogy alkalmazkodni tudjon a terhelési tehetetlenség jelentős változásaihoz, amelyek akkor jelentkeznek, amikor a kar kinyújtja és visszahúzódik.
Fog{0}}horony nyomatéka: Ha az állandó mágneses motor tekercsei nyitott-áramkörbe vannak kapcsolva, a motor egy fordulata alatt periodikus nyomaték keletkezik az armatúra magjában lévő rések miatt, amelyek hajlamosak a minimális mágneses ellenállású pozíciókhoz igazodni.
Túlterhelési kapacitás: A motor azon képessége, hogy meghatározott teljesítményt vagy nyomatékot adott ideig, meghatározott feltételek mellett a megadott csúcsáram túllépése nélkül képes leadni. Általában a csúcsáram és a névleges áram arányát az áram túlterhelési tényezőjének, míg a csúcsnyomaték és a névleges nyomaték arányát nyomaték túlterhelési tényezőnek nevezik. Általában a robotmotoroknak körülbelül háromszoros nyomaték-túlterhelést kell biztosítaniuk.
Maximális fordulatszám nN: Az a legnagyobb fordulatszám, amelyet a motor szakaszos működés közben elérhet. A maximális sebesség meghatározásai jelentősen eltérnek a motorgyártók között; robotmotorok esetében a megadott érték jellemzően azt a legnagyobb sebességet jelenti, amelyen a tényleges használat során megismételhető művelet lehetséges. Maximális fordulatszámon a megfelelő maximális nyomaték meghaladhatja a névleges nyomaték kétszeresét, biztosítva a gyorsulási reakciót a teljes fordulatszám-tartományban.