Robotite mõiste on juba väga lai. See artikkel keskendub tööstusautomaatika sektoris kasutatavatele robotliigendite servomootoritele ega hõlma teenindusrobotite integreeritud servomootoreid.
Tööstusrobotid jaotatakse laias laastus lineaarseteks robotiteks (tuntud ka kui Descartes'i robotid), mitme{0}}vabadusastme--robotiteks (tuntud ka kui mitme-liigerobotiks), paralleelrobotiteks (tuntud ka kui Delta robotiteks) ja horisontaalseteks mitme{4}}liigerobotiteks (tuntud ka kui SCAR-robotid). "Automatiseerimisrakk" koosneb erinevat tüüpi liigendatud robotkätest ja automatiseeritud transpordiseadmetest. Erinevate funktsioonidega automatiseerimisrakud on ühendatud, et moodustada automatiseeritud tootmisliin, ja mitu automatiseeritud tootmisliini kombineeritakse automatiseeritud töökoja loomiseks.
Nende tööstusrobotite ja automatiseeritud seadmete hulgas on servomootoritel kriitiline roll mehaaniliste struktuuride täpsel, kiirel ja usaldusväärsel positsioneerimisel vastavalt juhtkäskudele; seetõttu peetakse neid põhikomponentideks.
Püsimagnetiga servomootorite põhikontseptsioonid
"Servo" viitab võimalusele täita juhtarvutisüsteemi käske ilma kõrvalekaldeta. See kontseptsioon ei piirdu elektrimootorite või hüdraulikaga; see hõlmab ka pneumaatilisi süsteeme ja kõiki komponente, mis on võimelised seda ülesannet täitma, loetakse servokomponendiks.
Elektrimootor on elektromehaaniline komponent, mis muudab elektrienergia mehaaniliseks energiaks. Servomootor on liikumisjuhtimissüsteemides kasutamiseks mõeldud elektrimootor, mille väljundparameetrid-, nagu asend, kiirus, kiirendus või pöördemoment,{2}} on juhitavad.
Servomootoreid saab nende juhtimisspetsifikatsioonide alusel liigitada eri tüüpidesse. Toiteallika tüübi järgi jagunevad need vahelduvvoolu servomootoriteks ja alalisvoolu servomootoriteks; töörežiimi järgi liigitatakse need lineaarseteks servomootoriteks ja pöörlevateks servomootoriteks. Lineaarmootorid genereerivad otse Newtoni jõudu, samal ajal kui pöörlevad mootorid annavad välja pöördemomendi. Lineaarsete koormuste juhtimiseks vajavad pöörlevad mootorid mehaanilisi mehhanisme, nagu juhtkruvid, mis muudavad pöörleva liikumise lineaarseks liikumiseks.
Pöörlevad vahelduvvoolu servomootorid liigitatakse rootori struktuuri alusel vahelduvvoolu asünkroonseteks servomootoriteks ja vahelduvvoolu sünkroonseteks servomootoriteks. Vahelduvvoolu asünkroonse servomootori rootor koosneb alumiiniumist või vasest puurist ja puuri pöörlemiskiirus säilitab alati teatud kiiruste erinevuse sünkroonselt pöörleva magnetvälja suhtes. Vektorjuhtimise tehnoloogias võivad seda tüüpi mootorid saavutada sama täpsed pöördemomendi juhtimise omadused kui alalisvoolumootoritel. Rootoril on aga suur inerts, head konstantse-võimsuse omadused ja lai kiirusvahemik, mistõttu sobib see mitmesuguste muutuva-inertskoormustega, nagu tööpinkide lõikamine ja trükimasinate kerimis-/lahtikerimisrakendused. Puuduseks on madal käivitusmoment ja nende elektromagnetiline reageerimiskiirus on madalam püsimagnetitega servomootorite omast. Elektromagnetiline ajakonstant on ligikaudu 10 korda suurem kui püsimagnetmaterjalidest valmistatud püsimagnetmootoritel. Lisaks ei sobi need väikese võimsustiheduse ja suurte rootori mõõtmete tõttu suure-dünaamilise servorakenduste jaoks.
Pöörlevate vahelduvvoolu sünkroonsete servomootorite rootorites kasutatakse püsimagnetmaterjale, mis genereerivad otseselt ergastava magnetvälja. Mootori magnetvälja loomiseks ei ole vaja ergutusvoolu, mille tulemuseks on kiire elektromagnetiline reaktsioon. Lisaks võimaldab praeguste haruldaste{2}muldmetallide püsimagnetmaterjalide kõrge energiatihedus nendes mootorites suurt võimsustihedust, avades võimalused erinevate jõudlusnäitajatega servomootorite kujundamiseks. Kõrge dünaamilise reaktsiooni saab saavutada väikese rootori inertsiga õhukese konstruktsiooni või suure rootori inertsiga kompaktse ja tugeva konstruktsiooniga. Haruldaste -muldpüsimagnetmaterjalide kasutamine on muutnud püsimagnetmootorid servorakenduste eelistatud valikuks. Haruldased-muldpüsimagnetmaterjalid jäävad aga servomootorites kasutatavate materjalide hulgas kõige kallimaks komponendiks. Erinevate tootjate kasutatud materjalide erinevused põhjustavad erinevat tootekvaliteedi taset. Kvaliteetsed-püsimagnetmaterjalid ei pruugi demagneteeruda isegi töötemperatuuril üle 150 kraadi, samas kui kehvemad materjalid võivad demagneteeruda, kui mootori töötemperatuur on alla 120 kraadi. Püsimagnetmaterjalide kvaliteet määrab otseselt servomootori erinevad omadused.
Lineaarsed servomootorid väljastavad otse Newton{0}}meetreid ilma mehaanilist muundamist vajamata, võimaldades väga suurt kiirendust. Viimastel aastatel on kiire tehnoloogiline areng kaasa toonud nende laialdase kasutamise suure jõudlusega-tööpinkide toitetelgedel. Tööstusrobotites on nende rakendamine piiratud teatud lineaarsete robotkätetega ja see ei ole käesoleva artikli keskmes. See artikkel keskendub pöörlevatele püsimagnetitega servomootoritele ja nende rakendustele tööstusrobotites.
Pöörleva püsimagnetmootori ehitus
Joonisel 1 on kujutatud püsimagnetiga servomootori tüüpiline konstruktsiooniskeem. Põhjaliku ülevaate andmiseks on selle ühe diagrammi eesmärk selgelt illustreerida püsimagnetiga servomootori kogu struktuuri. Tegelikult võivad madala-võimsusega püsimagnetitega servomootorid, mille nimivõimsus on 15 kW või vähem, jahutuseks toetuda loomulikule konvektsioonile, mis välistab vajaduse jahutusventilaatori järele. Need mootorid on kompaktsed ega vaja kinnitusjalgu; paigaldusrõngad pole samuti vajalikud. Klemmikarbi asendamine juhtmejuhtmete lennuühendusega annab tulemuseks puhtama disaini. Järelikult muutub mootor selliseks, nagu on näidatud joonisel 2(a). Kui mootor on väga väike-alla 1 kW-, pole isegi juhtjuhtmete lennuühendused vajalikud; selle asemel saab kaablit otse mootorist välja tõmmata, mille tulemuseks on joonisel 2(b) näidatud konfiguratsioon.
Joonis 1: Püsimagnetiga servomootori skemaatiline diagramm
Joonis 2: Madala võimsusega-püsimagnet-servomootori skemaatiline diagramm
See osa eeldab, et lugeja mõistab elektrimootorite tööpõhimõtteid ja keskendub ainult püsimagnetiga servomootorite ja muud tüüpi mootorite struktuursete erinevuste selgitamisele robotimootorite omaduste põhjal.
Laagrid: Servomootori kasutusiga on tihedalt seotud selle laagritega. Arvestades robotite kõrgeid töökindluse ja vastupidavuse nõudeid, peavad laagrid tagama tööea vähemalt 30 000 tundi. 8-tunnise tööpäeva põhjal tähendab see roboti kasutusiga vähemalt 10 aastat. Laagrid peavad olema võimelised töötama vahelduvalt kiirusel 6000 p/min.
Staatori lamineerimine ja mähised: kuna robotmootorid nõuavad suurt võimsustihedust ning mõõtmete minimeerimiseks ja rauakao vähendamiseks peab lamineerimismaterjal olema külmvaltsitud -räniteras paksusega kuni 0,35 mm. Mähised peavad taluma pikaajalist kokkupuudet-16 kHz muutuva sagedusega{5}}kandeimpulssidega. Rikke vältimiseks ja tugevate dv/dt liigpingete vastupidamiseks ei tohi pingetaluvus olla väiksem kui 2500 V.
Rootori püsimagneti materjal: püsimagneti materjal on püsimagneti servomootori kõige kallim komponent. Madala haruldaste muldmetallide sisaldusega materjalidel on madal Curie punkt ja halb materjali stabiilsus. Kui kasutatakse neodüüm-raud-boor (NdFeB) magneteid, peaksid need eelistatavalt olema UH42 või kõrgema kvaliteediga. Lisaks tuleb tähelepanu pöörata haruldaste muldmetallide, näiteks düsproosiumi sisaldusele. Kõrge -temperatuuri demagnetiseerimiskindluse tagamiseks kasutatakse samarium-koobalti (SmCo) magneteid laialdaselt ka väikestes ja keskmise suurusega-servomootorites. Kokkuvõttes on oluline tagada, et servomootor jääks normaalsetes töötingimustes tõeliselt demagnetiseerimiskindlaks. Vastasel juhul ei saa garanteerida roboti pikaajalist stabiilsust.
Võlli tihendid: Et vältida õli ja prahi sattumist mootorisse, tagades samal ajal tõrgeteta töö, on võllitihendi paigaldamine mootori võlli otsa standardne projekteerimispraktika. Robotites freesitakse sageli servomootori võllile väike hammasratas, et mootor otse reduktoriga ühendada. Kuna mootorisse võivad sattuda kõrged temperatuurid ja õli, on vaja mitme -huulega kõrge temperatuuriga-võllitihendeid. Näiteks topelt-huulega fluorosüsinikkummist võllitihend on usaldusväärsem kui ühe-huulega nitriilkummist võllitihend, kuigi kuluerinevus on märkimisväärne.
Pidur: pidur on robotimootorite standardvarustus. Peaaegu 95% servomootoritest vajavad pidurit. Piduri pidevaks rakendumiseks-eriti hädaseiskamise ajal-peab see töökindlalt töötama. Pidur peab olema piisava ohutusteguriga, staatilise pöördemomendiga, mis on ligikaudu 1,5 korda suurem kui mootori nimimoment. Raskeveokite-robotite mootorite puhul peaks piduri ohutustegur olema 2,0 või isegi 2,5 korda suurem kui nimimoment. Oluline on märkida, et robotmootori pidur on ohutuspidur, mitte sõidupidur. Juhtsüsteem peab tagama, et hädaseiskamise ajal aktiveerub pidurdustakisti kaudu servoajami pidurdusahel ja pidur rakendub, kui mootori kiirus läheneb nullile. Reageerimiskiiruse parandamiseks on püsimagnetpidurid paremad kui elektromagnetilised vedrupidurid.
Kooder: Kooder on paigaldatud mootori tagumisse otsa ja see toimib mootori kiiruse ja rootori asendi andurina. See mõõdab rootori asendit, et anda juhtarvutile andmed rootori tegeliku asukoha ja kiiruse kohta servo juhtimiseks, magnetvälja positsioneerimiseks ja liikumistrajektoori arvutamiseks. Kuigi robotmootori kodeerijad ei paku üldiselt suurt täpsust, peavad need toetama mitme pöörde absoluutse asukoha mõõtmist, et mootor saaks jätkata tööd voolukatkestuse eelsest asendist. Praegu on robotmootori kooderi nõuete täitmiseks kolm levinud lähenemisviisi. Esimene meetod kasutab halli koodiga optilist või magnetilist kodeerijat ühe-pöörde mõõtmiseks ja mehaanilisi hammasrattaid mitme pöörde mõõtmiseks. Selle lähenemisviisi eeliseks on kõrge mõõtmistäpsus; pärast voolukatkestust säilitatakse mootori tööasend kodeerija mehaanilise asendi kaudu ja seda saab toite{8}}lülitamisel otse lugeda. Puuduseks on aga see, et kooder on liiga paks, mistõttu on see piiratud paigaldusruumide jaoks liiga pikk. Teine meetod kasutab ühe pöörde andmete salvestamiseks optilist või magnetilist Grey koodi kodeerijat, samal ajal kui mitme pöörde andmed salvestatakse akutoitega{13}}elektroonilise mälu kaudu. See võimaldab muuta kodeerija väga lühikeseks, mistõttu on see ideaalne väikestele servomootoritele, mille välisläbimõõt on alla 60 mm. Puuduseks on see, et aku kasutusiga on suhteliselt lühike, -tavaliselt maksimaalselt 2–3 aastat ja mõnel juhul tuleb aku välja vahetada juba ühe aasta pärast. Kolmas meetod kasutab pöördtrafot, et mõõta ühe-pöörde asendit madala täpsusega rakenduste puhul, samas kui mitme pöörde teavet käsitleb juhtkarbi sees olev patareitoitel{23}}trükkplaat.
Rootori võlli pikendus: sagedase edasi- ja tagurpidi töötamise tõttu on mootor allutatud nihkejõududele; seetõttu peaks võlli materjal eelistatavalt olema 42CrMo karastatud teras. Kui mootor on paigaldatud võtmega, peab võti olema täielikult paigal, et tõhusalt vähendada mootori dünaamilist tasakaalu ja väljalülitamist. Suurtel kiirustel võib võtmega servomootori ja tühikäigul töötava võlli tühi-vahe olla kuni üheksa korda suurem-tegur, mida ei tohiks alahinnata.
Püsimagnetiga servomootorite peamised ülekandeparameetrid
Töötsoon: piirkonda, kus mootor saab pidevalt töötada ilma lubatud temperatuuritõusu ületamata, nimetatakse pidevaks töötsooniks; Piirkonda väljaspool pidevat töötsooni, kus{0}}lühiajaline töö on lubatud, nimetatakse katkendlikuks töötsooniks. Töötsooni kujutab pöördemomendi ja kiiruse kahe-mõõtmeline koordinaattasapind.
Nimivõimsus PN: maksimaalne võimsus, mida mootor suudab pidevas töötsoonis väljastada.
Nominaalne pöördemoment MN: pöördemoment, mille juures mootor annab oma nimivõimsust pidevas töötsoonis. Nimipöördemomendi määratlused erinevad tootjate lõikes oluliselt. Vastavad soojuse hajumise tingimused on üldjuhul ette nähtud. Rahvusvaheliselt on levinud tava täpsustada, et seda nimiväärtust mõõdetakse mootoriga, mis on paigaldatud kindlaksmääratud ala ja paksusega alumiiniumäärikule, kusjuures ääriku temperatuuri hoitakse 20 kraadi juures või alla selle. Seetõttu paigaldatakse mootorid tegelikus töös sageli malmkomponentidele ja suvised temperatuurid võivad ületada katsestandardit. Kui töötamise ajal varu ei ole lubatud, võib see põhjustada ülekuumenemist ja demagnetiseerumist. Hiina riiklikus standardis määratletud 40-kraadine ümbritseva õhu temperatuuri standardtingimus on Hiina keskkonna jaoks suhteliselt mõistlik. Tuntud tootjad lisavad nimipöördemomendi avaldamisel teatud projekteerimismarginaali, mis on alla standardi järgi määratud nimiväärtused, mis on ohutum.
Nimivool IN: nimipöördemomendile vastav vool.
Nimipöörlemissagedus nN: maksimaalne kiirus, mille juures mootoril on lubatud pideva töötsükli jooksul töötada nimipöördemomendiga.
Pidev lukustatud{0}}Rootori pöördemoment MO: maksimaalne pöördemoment, mida mootor suudab pidevas töötsüklis lukustatuna anda. Üldiselt loetakse, et kiirused alla 100 p/min jäävad lukustatud-rootori töövahemikku.
Pidev lukustatud-rootori vool I0: vool, mis vastab pidevalt lukustatud-rootori pöördemomendile.
Maksimaalne pöördemoment Mmax: maksimaalne pöördemoment, mida mootoril on lubatud väljastada. Nominaalsed tingimused on erinevate tootjate lõikes oluliselt erinevad. Mõned täpsustavad demagnetiseerivale voolule vastava pöördemomendi; selliseid tehnilisi andmeid ei tohiks kasutada suurima pöördemomendina. Mehaanilised disainerid peavad jätma piisava varu, et vältida mootori demagnetiseerumist ja rikkeid liigse töömomendi tõttu. Kui maksimaalne pöördemoment on määratud vastavalt töötsüklile, on sellel tehniline kontrollväärtus. S3-10% kohaselt määratud tipppöördemomendil on suurim tehniline kontrollväärtus; selle all võib mõista maksimaalset töömomenti, mis on robotite jaoks piisav pidevaks tööajaks 3 sekundit. Mitme liigendiga robotite korduv ülekoormus on üldiselt umbes 2,0 korda suurem.
Tippvool Imax: tipppöördemomendile vastav töövool.
Elektriline ajakonstant Te: iseloomulik konstant, mis tähistab kiirust, millega vool reageerib rakendatud pingele. See on defineeritud kui aeg, mis kulub voolu jõudmiseks 1 - e^(-1) (ligikaudu 63,2%) lõppvoolust pärast seda, kui mootori klemmidele on rakendatud fikseeritud pinge. Servomootori elektriline ajakonstant määratakse üldiselt staatorimähise induktiivsuse ja selle takistuse suhtena (Te=L/R). See on seotud servosüsteemi praeguse astmelise reaktsiooniajaga, kuid ei pruugi sellega samaväärne.
Mehaaniline ajakonstant Tm: servomootori mehaaniline ajakonstant on defineeritud järgmiselt: tm=R*J/Ke*Kt, st see on seotud mähise takistuse, rootori inertsmomendi, mootori tagasi-EMF koefitsiendi ja mootori pöördemomendi koefitsiendiga. Ajamimootori mehaaniline ajakonstant on ligikaudu võrdne ajaga, mis kulub mootori kiirendamiseks nullkiiruselt 63,2%-ni püsikiirusest -tühi{7}}koormuseta tingimustes. Servosüsteemis võib see konstant olla arvuliselt võrdne süsteemi kiiruse -ahela sammu reaktsiooniajaga.
Tagasi-EMF-konstant Ke: mootori ühikukiirusel indutseeritud no-koormuseta tagasi-EMF-väärtus. Tavaliselt viitab see tühi-tagasikoormusele-EMF-ile, mis vastab 1000 p/min, ühikutes V/krpm.
Pöördemomendi konstant Kt: mootori väljundmoment, mis vastab ühikvoolule. Mootori taga-EMF koefitsiendi Ke ja pöördemomendi koefitsiendi Kt vaheline seos on üldiselt antud Kt=9.55 * Ke * 1,732, kus Kt on Nm/A, Ke on V/rpm ja Ke=Kt. Siin viitab Ke joonele tagasi-EMF.
Kui mootori spetsifikatsioonid ei anna Kt ja Ke parameetreid, saab Kt tuletada nimipöördemomendist ja nimivoolust. Seejärel, kasutades seost Kt=9.55 * Ke * 1,732, saab sirge tagasi-EMF koefitsiendi Ke kaudselt tuletada järgmiselt: Ke=0.1047 * Kt / 1,732, ühikutega V/rpm; Alternatiivina: Ke=104.7 × Kt / 1,732, ühikutega V/krpm või mV/rpm.
Toiteallika pingepiirangute tõttu on mootori tagumine EMF tavaliselt konstrueeritud suhteliselt madalana, et tagada kõrge reageerimisvõime, mis tagab piisava pingelanguse suurtel kiirustel piisava voolu saamiseks. Suur vool suurendab aga mootori soojuskoormust. Järelikult vajavad robotmootorid kompaktse suuruse, suure pöördemomendi ja madala soojuse tootmise saavutamiseks suurt võimsustihedust.
Rootori inertsimoment J: Mootori rootori inertsimoment. Kriitiline on roboti mootori inertsimoment, kuna see mõjutab otseselt roboti töö stabiilsust. Selle põhjuseks on asjaolu, et robotid kasutavad sageli mitme-telje koordineerimist. Näiteks liigendroboti teine telg nõuab märkimisväärse inertsiga mootorit, et kohaneda koormuse inertsi oluliste muutustega, mis tekivad käe väljaulatumisel ja tagasitõmbumisel.
Hamba-pilu pöördemoment: kui püsimagnetmootori mähised on avatud-ahelas, tekib mootori ühe pöörde jooksul perioodiline pöördemoment armatuuri südamikus olevate pilude tõttu, mis kalduvad joonduma minimaalse magnettakistusega positsioonidega.
Ülekoormusvõimsus: mootori võime anda kindlaksmääratud võimsust või pöördemomenti kindlaksmääratud ajavahemiku jooksul kindlaksmääratud tingimustel kindlaksmääratud voolutugevust ületamata. Tavaliselt nimetatakse tippvoolu ja nimivoolu suhet voolu ülekoormusteguriks, tipppöördemomendi ja nimipöördemomendi suhet aga pöördemomendi ülekoormusteguriks. Üldiselt peavad robotmootorid tagama ligikaudu 3-kordse pöördemomendi ülekoormusvõime.
Maksimaalne kiirus nN: suurim kiirus, mida mootor suudab katkendliku töö ajal saavutada. Maksimaalse kiiruse määratlused on mootoritootjate lõikes väga erinevad; robotmootorite puhul tähistab esitatud väärtus tavaliselt suurimat kiirust, mille juures on tegeliku kasutamise ajal võimalik korratav töö. Maksimaalsel kiirusel võib vastav maksimaalne pöördemoment ületada kaks korda nimimomenti, tagades kiirendusreaktsiooni kogu kiirusvahemikus.