Begrebet robotter er allerede meget bredt. Denne artikel fokuserer på servomotorer til robotforbindelser, der anvendes i industriautomationssektoren og dækker ikke integrerede servomotorer til servicerobotter.
Industrielle robotter er bredt klassificeret i lineære robotter (også kendt som kartesiske robotter), multi-degree-of-freedom-robotter (også kendt som multi-joint-robotter), parallelle robotter (også kendt som Delta-robotter) og horisontale multi-joint-robotter (også kendt som SCARA-robotter). En "automationscelle" består af forskellige typer leddelte robotarme og automatiseret transportudstyr. Automationsceller med forskellige funktioner er knyttet til en automatiseret produktionslinje, og flere automatiserede produktionslinjer kombineres for at skabe et automatiseret værksted.
Blandt disse industrielle robotter og automatiserede enheder spiller servomotorer en afgørende rolle i nøjagtig, hurtig og pålidelig positionering af mekaniske strukturer i henhold til kontrolkommandoer; derfor betragtes de som kernekomponenter.
Grundlæggende koncepter for servomotorer med permanent magnet
"Servo" refererer til evnen til at udføre kommandoer fra et kontrolcomputersystem uden afvigelse. Dette koncept er ikke begrænset til elektriske motorer eller hydraulik; det omfatter også pneumatiske systemer, og enhver komponent, der er i stand til at udføre denne opgave, betragtes som en servokomponent.
En elektrisk motor er en elektromekanisk komponent, der omdanner elektrisk energi til mekanisk energi. En servomotor er en elektrisk motor designet til brug i bevægelseskontrolsystemer, hvor dens outputparametre-såsom position, hastighed, acceleration eller drejningsmoment-kan kontrolleres.
Servomotorer kan klassificeres i forskellige typer baseret på deres kontrolspecifikationer. Efter strømforsyningstype er de opdelt i AC servomotorer og DC servomotorer; efter driftstilstand er de kategoriseret i lineære servomotorer og roterende servomotorer. Lineære motorer genererer direkte newtonsk kraft, mens roterende motorer udsender rotationsmoment. For at drive lineære belastninger kræver roterende motorer mekaniske mekanismer såsom blyskruer for at konvertere rotationsbevægelse til lineær bevægelse.
Roterende AC servomotorer er klassificeret i AC asynkrone servomotorer og AC synkrone servomotorer baseret på rotorstruktur. Rotoren på en AC asynkron servomotor består af et aluminiums- eller kobberbur, og burets rotationshastighed holder altid en vis hastighedsforskel i forhold til det synkront roterende magnetfelt. Under vektorstyringsteknologi kan denne type motor opnå momentstyringskarakteristika lige så præcise som DC-motorer. Rotoren har dog høj inerti, gode konstante-effektkarakteristika og et bredt hastighedsområde, hvilket gør den velegnet til en lang række variable-inertibelastninger, såsom værktøjsmaskiners skæring og applikationer til oprulning/afvikling af printmaskiner. Ulemperne er lavt startmoment, og deres elektromagnetiske responshastighed er ringere end permanentmagnet servomotorer. Den elektromagnetiske tidskonstant er cirka 10 gange større end for permanentmagnetmotorer fremstillet af permanentmagnetmaterialer. På grund af lav effekttæthed og store rotordimensioner er de desuden ikke egnede til høje-dynamiske servoapplikationer.
Roterende AC synkrone servomotorer bruger permanentmagnetmaterialer til deres rotorer, som direkte genererer det magnetiske excitationsfelt. Der er ikke behov for en excitationsstrøm for at etablere motorens magnetfelt, hvilket resulterer i en hurtig elektromagnetisk respons. Ydermere muliggør den høje energitæthed af nuværende sjældne-jordiske permanentmagnetmaterialer høj effekttæthed i disse motorer, hvilket åbner muligheder for at designe servomotorer med forskellige ydeevneegenskaber. Høj dynamisk respons kan opnås gennem et slankt design med lav rotorinerti eller et kompakt, robust design med høj rotorinerti. Brugen af sjældne-jordiske permanentmagnetmaterialer har etableret permanentmagnetmotorer som det foretrukne valg til servoapplikationer. Men sjældne-jordiske permanentmagnetmaterialer forbliver den dyreste komponent blandt alle materialer, der bruges i servomotorer. Forskelle i de materialer, der anvendes af forskellige producenter, resulterer i varierende niveauer af produktkvalitet. Permanentmagnetmaterialer af{10}}kvalitet afmagnetiseres muligvis ikke, selv ved driftstemperaturer over 150 grader, hvorimod dårlige materialer kan afmagnetiseres, når motorens driftstemperatur er under 120 grader. Kvaliteten af permanentmagnetmaterialerne bestemmer direkte de forskellige egenskaber ved servomotoren.
Lineære servomotorer udsender direkte Newton-meter kraft uden at kræve mekanisk konvertering, hvilket muliggør meget høj acceleration. I de senere år har hurtige teknologiske fremskridt ført til udbredt brug af højtydende værktøjsmaskiner i fodakserne. I industrirobotter er deres anvendelse dog begrænset til visse lineære robotarme og er ikke fokus i denne artikel. Denne artikel fokuserer på roterende permanentmagnet servomotorer og deres anvendelser i industrirobotter.
Opbygning af en roterende permanent magnetmotor
Figur 1 viser et typisk strukturdiagram af en servomotor med permanent magnet. For at give et omfattende overblik er dette enkelt diagram beregnet til klart at illustrere hele strukturen af en permanent magnet servomotor. Faktisk kan lav-permanentmagnetservomotorer vurderet til 15 kW eller mindre stole på naturlig konvektion til køling, hvilket eliminerer behovet for en køleventilator. Disse motorer er kompakte og kræver ikke monteringsfødder; installationsringe er også unødvendige. Udskiftning af klemkassen med et flystik til ledningsledningerne resulterer i et renere design. Følgelig bliver motorens udseende som vist i figur 2(a). Hvis motoren er meget lille-under 1 kW-er selv flyforbindelserne til ledningsledningerne unødvendige; i stedet kan et kabel forlænges direkte fra motoren, hvilket resulterer i konfigurationen vist i figur 2(b).
Figur 1: Skematisk diagram af en permanent magnet servomotor
Figur 2: Skematisk diagram af en-laveffekt permanent magnet servomotor
Dette afsnit forudsætter, at læseren forstår principperne for elektriske motorer og udelukkende fokuserer på at forklare de strukturelle forskelle mellem permanentmagnet servomotorer og andre typer motorer baseret på robotmotorers egenskaber.
Lejer: En servomotors levetid er tæt knyttet til dens lejer. I betragtning af robotternes høje krav til pålidelighed og holdbarhed skal lejerne sikre en levetid på mindst 30.000 timer. Baseret på en 8-timers arbejdsdag svarer dette til en robot-levetid på mindst 10 år. Lejerne skal være i stand til intermitterende drift ved 6.000 rpm.
Statorlamineringer og viklinger: Da robotmotorer kræver høj effekttæthed og for at minimere størrelsen og reducere varmeudviklingen af jerntab, skal lamineringsmaterialet være kold-valset siliciumstål med en tykkelse på 0,35 mm eller mindre. Vindingerne skal modstå langvarig-eksponering for 16 kHz variable-frekvensbæreimpulser. For at forhindre nedbrud og modstå intense dv/dt-overspændinger skal spændingsmodstandsværdien ikke være mindre end 2.500 V.
Rotor Permanent Magnet Materiale: Permanent magnet materiale er den dyreste komponent i en permanent magnet servomotor. Materialer med lavt indhold af sjældne jordarter har et lavt Curie-punkt og dårlig materialestabilitet. Hvis der anvendes neodym-jern-bor (NdFeB)-magneter, skal de helst være af UH42-grad eller højere. Derudover skal man være opmærksom på indholdet af sjældne jordarters grundstoffer såsom dysprosium. For at sikre høj-temperaturafmagnetiseringsmodstand er samarium-kobolt (SmCo)-magneter også meget brugt i små og mellemstore-servomotorer. Sammenfattende er det vigtigt at sikre, at servomotoren forbliver virkelig afmagnetiseringsbestandig- under normale driftsforhold. Ellers kan robottens langsigtede stabilitet- ikke garanteres.
Akseltætninger: For at forhindre olie og snavs i at trænge ind i motoren og samtidig sikre jævn drift, er installation af en akseltætning ved motorakselenden en standarddesignpraksis. I robotter fræses et lille tandhjul ofte på servomotorakslen for at forbinde motoren direkte med reduktionsgearet. Da høje temperaturer og olie kan trænge ind i motoren, kræves der akseltætninger med flere-høje-læber. For eksempel er en akseltætning af fluorcarbongummi med dobbelt-læbe mere pålidelig end en akseltætning af nitrilgummi med enkelt-læbe, selvom prisforskellen er betydelig.
Bremse: En bremse er en standardfunktion til robotmotorer. Næsten 95 % af servomotorerne kræver en bremse. For at sikre, at bremsen til enhver tid aktiveres,-især ved nødstop-skal den fungere pålideligt. Bremsen skal have en tilstrækkelig sikkerhedsfaktor med et statisk moment på cirka 1,5 gange motorens nominelle moment. For kraftige-robotmotorer bør sikkerhedsfaktoren for bremsen nå 2,0 eller endda 2,5 gange det nominelle drejningsmoment. Det er vigtigt at bemærke, at bremsen på en robotmotor er en sikkerhedsbremse, ikke en driftsbremse. Styresystemet skal sikre, at servodrevets bremsekreds ved et nødstop aktiveres via en bremsemodstand, og at bremsen tilkobles, når motorhastigheden nærmer sig nul. For at forbedre reaktionshastigheden er permanentmagnetbremser bedre end elektromagnetiske fjederbremser.
Encoder: Encoderen er monteret i bagenden af motoren og fungerer som sensor for motorhastighed og rotorposition. Den måler rotorens position for at give kontrolcomputeren data om rotorens faktiske position og hastighed til servostyring, magnetfeltpositionering og bevægelsesbaneberegning. Selvom robotmotorkodere generelt ikke tilbyder høj præcision, skal de understøtte multi-drejningsmåling af absolut position for at sikre, at motoren kan genoptage driften fra den position, den var i før et strømsvigt. I øjeblikket er der tre almindelige tilgange til at imødekomme krav til robotmotorkoder. Den første metode bruger en optisk eller magnetisk gråkode-koder til enkelt-drejningsmåling og mekaniske gear til multi-drejningsmåling. Fordelen ved denne fremgangsmåde er høj målenøjagtighed; efter en strømafbrydelse bevares motorens driftsposition via encoderens mekaniske position og kan aflæses direkte ved opstart-. Ulempen er dog, at encoderen er for tyk, hvilket gør den for lang til begrænsede installationspladser. Den anden metode bruger en optisk eller magnetisk Gray-kodekoder til at lagre enkelt-svingdata, mens multi{12}}drejningsdata lagres via en batteridrevet-elektronisk hukommelse. Dette gør det muligt at lave encoderen meget kort, hvilket gør den ideel til små servomotorer med en ydre diameter på mindre end 60 mm. Ulempen er, at batterilevetiden er relativt kort-typisk højst 2-3 år, og i nogle tilfælde skal batteriet udskiftes efter blot et år. Den tredje metode bruger en roterende transformer til at måle enkelt-drejningsposition til applikationer med lave præcisionskrav, mens information om flere-drejninger håndteres af et batteridrevet-kredsløbskort inde i kontrolboksen.
Rotorakselforlængelse: På grund af hyppig fremad- og bakkørsel er motoren udsat for forskydningskræfter; derfor skal skaftmaterialet helst være 42CrMo hærdet stål. Hvis motoren er installeret med en nøgle, skal nøglen sidde helt på plads for effektivt at reducere motorens dynamiske balance og udløb. Ved høje hastigheder kan udløbsforskellen mellem en servomotor med nøgle og en bar aksel under ubelastet-drift være så meget som ni gange større-en faktor, der ikke bør undervurderes.
Nøgletransmissionsparametre for servomotorer med permanent magnet
Driftszone: Det område, hvor motoren kan arbejde kontinuerligt uden at overskride den tilladte temperaturstigning, kaldes den kontinuerlige driftszone; området uden for den kontinuerlige driftszone, hvor kort-drift er tilladt, kaldes den intermitterende driftszone. Driftszonen er repræsenteret af et to-}dimensionelt koordinatplan for drejningsmoment og hastighed.
Nominel effekt PN: Den maksimale effekt, som motoren kan levere inden for den kontinuerlige driftszone.
Nominel drejningsmoment MN: Det drejningsmoment, hvormed motoren leverer sin nominelle effekt inden for den kontinuerlige driftszone. Definitioner af nominelt drejningsmoment varierer betydeligt mellem producenter. Tilsvarende varmeafledningsbetingelser er generelt specificeret. Internationalt er det almindelig praksis at specificere, at denne rating måles med motoren monteret på en aluminiumsflange med et defineret areal og tykkelse, med flangetemperaturen holdt på 20 grader eller under en specificeret temperatur. Derfor er motorer i faktisk drift ofte monteret på støbejernskomponenter, og sommertemperaturer kan overstige teststandarden. Hvis der ikke tillades margen under drift, kan dette føre til overophedning og afmagnetisering. Standardtilstanden på 40 graders omgivelsestemperatur angivet af den kinesiske nationale standard er relativt rimelig for det kinesiske miljø. Velrenommerede producenter vil inkludere en vis designmargin under de nominelle værdier bestemt i henhold til standarden, når de offentliggør det nominelle drejningsmoment, hvilket er mere sikkert.
Nominel strøm IN: Den strøm, der svarer til det nominelle drejningsmoment.
Nominel hastighed nN: Den maksimale hastighed, hvormed motoren må arbejde under nominelt drejningsmoment inden for den kontinuerlige driftscyklus.
Kontinuerligt låst-Rotormoment MO: Det maksimale moment, motoren kan levere, når den er låst i den kontinuerlige driftscyklus. Generelt anses hastigheder under 100 rpm for at falde inden for det låste-rotordriftsområde.
Continuous Locked-Rotor Current I0: Den strøm, der svarer til det kontinuerlige låste-rotormoment.
Peak Torque Mmax: Det maksimale drejningsmoment, som motoren må afgive. De nominelle forhold varierer betydeligt mellem forskellige producenter. Nogle specificerer drejningsmomentet svarende til afmagnetiseringsstrømmen; sådanne specifikationer bør ikke bruges som det maksimale drejningsmoment. Mekaniske designere skal tillade tilstrækkelig margin til at forhindre motoren i at afmagnetisere og svigte på grund af for stort driftsmoment. Hvis det maksimale drejningsmoment er specificeret i henhold til driftscyklussen, har det en teknisk referenceværdi. Det maksimale drejningsmoment angivet i henhold til S3-10 % har den største tekniske referenceværdi; det kan forstås som det maksimalt tilladte driftsmoment for en kontinuerlig driftstid på 3 sekunder, hvilket er tilstrækkeligt for robotter. Den gentagne overbelastning for flerledsrobotter er generelt omkring 2,0 gange.
Spidsstrøm Imax: Driftsstrømmen svarende til det maksimale drejningsmoment.
Elektrisk tidskonstant Te: En karakteristisk konstant, der repræsenterer den hastighed, hvormed strømmen reagerer på en påført spænding. Det er defineret som den tid, det tager for strømmen at nå 1 - e^(-1) (ca. 63,2%) af den endelige strøm, efter at en fast spænding er påført over motorterminalerne. Den elektriske tidskonstant for en servomotor er generelt angivet som forholdet mellem statorviklingens induktans og dens modstand (Te=L/R). Den er relateret til servosystemets aktuelle trinsvarstid, men svarer ikke nødvendigvis til den.
Mekanisk tidskonstant Tm: Den mekaniske tidskonstant for en servomotor er defineret som: tm=R*J/Ke*Kt, dvs. den er relateret til viklingsmodstanden, rotorinertimomentet, motorens tilbage-EMF-koefficient og motorens drejningsmomentkoefficient. Den mekaniske tidskonstant for en drivmotor svarer omtrent til den tid, det kræves for motoren at accelerere fra nulhastighed til 63,2 % af dens konstante-hastighed under ingen-belastning. I et servosystem kan denne konstant være numerisk ækvivalent med systemets hastighed-sløjfe-trinsvarstid.
Tilbage-EMF-konstant Ke: Den ingen-belastning tilbage-EMF-værdi induceret af motoren ved en enhedshastighed. Det refererer typisk til den ingen-belastning tilbage-EMF svarende til 1000 rpm, med enheder på V/krpm.
Momentkonstant Kt: Motorens udgangsmoment svarende til en enhedsstrøm. Forholdet mellem motorens ryg-EMF-koefficient Ke og momentkoefficienten Kt er generelt givet ved Kt=9.55 * Ke * 1,732, hvor Kt er i Nm/A, Ke er i V/rpm, og Ke=Kt. Her henviser Ke til linjen tilbage-EMF.
Hvis motorspecifikationerne ikke giver Kt- og Ke-parametre, kan Kt udledes af det nominelle drejningsmoment og den nominelle strøm. Derefter, ved at bruge forholdet Kt=9.55 * Ke * 1,732, kan linjen tilbage-EMF-koefficient Ke indirekte udledes som følger: Ke=0.1047 * Kt / 1,732, med enheder af V/rpm; Alternativt: Ke=104.7 × Kt / 1.732, med enheder af V/krpm eller mV/rpm.
På grund af strømforsyningsspændingsbegrænsninger er motorens bagside-EMK typisk designet til at være relativt lav for at sikre høj reaktionsevne, hvilket garanterer tilstrækkeligt spændingsfald ved høje hastigheder for at opnå tilstrækkelig strøm. Men høj strøm øger motorens termiske belastning. Som følge heraf kræver robotmotorer en høj effekttæthed for at opnå kompakt størrelse, højt drejningsmoment og lav varmeudvikling.
Rotorinertimoment J: Inertimomentet for motorrotoren. Inertimomentet for en robotmotor er kritisk, da det direkte påvirker stabiliteten af robottens drift. Dette skyldes, at robotter ofte involverer koordinering med flere-akser. For eksempel kræver den anden akse af en leddelt robot en motor med betydelig inerti for at imødekomme de væsentlige ændringer i belastningsinerti, der opstår, når armen strækker sig og trækkes tilbage.
Tand-spaltemoment: Når viklingerne på en permanentmagnetmotor er åbne-kredsløb, genereres et periodisk drejningsmoment under en omdrejning af motoren på grund af slidserne i ankerkernen, som har tendens til at flugte med positioner med minimal magnetisk modstand.
Overbelastningskapacitet: En motors evne til at levere en specificeret effekt eller drejningsmoment i en defineret periode under specificerede forhold uden at overskride den specificerede spidsstrøm. Typisk omtales forholdet mellem spidsstrøm og mærkestrøm som den aktuelle overbelastningsfaktor, mens forholdet mellem spidsspænding og nominel drejningsmoment omtales som drejningsmomentoverbelastningsfaktoren. Generelt skal robotmotorer sikre en drejningsmomentoverbelastningskapacitet på ca. 3 gange.
Maksimal hastighed nN: Den højeste hastighed, motoren kan opnå under intermitterende drift. Definitioner af maksimal hastighed varierer betydeligt blandt motorproducenter; for robotmotorer repræsenterer den angivne værdi typisk den højeste hastighed, hvormed gentagelig drift er mulig under faktisk brug. Ved maksimal hastighed kan det tilsvarende maksimale drejningsmoment overstige det dobbelte af det nominelle drejningsmoment, hvilket sikrer accelerationsrespons over hele hastighedsområdet.