Ръководство за избор на серво мотор: обяснение на въртящия момент, скоростта и точността

Изборът на правилния серво мотор за индустриална машина може да бъде по-сложен от простото проверяване на номиналната мощност на двигателя.

Серво моторът може да има достатъчно конски сили, но все още да не осигурява достатъчен въртящ момент по време на ускорение. Може да достигне необходимата максимална скорост, но да работи лошо при ниска скорост. Може също така да има енкодер с висока -разделителна способност, но цялата машина все още не може да постигне точността на позициониране, изисквана от приложението.

Причината е проста: въртящият момент, скоростта и точността са свързани.

Когато избирате серво мотор, трябва да разгледате мотора, енкодера, серво задвижването, механичната трансмисия и действителния товар като една цялостна система за управление на движението.

Това ръководство обяснява трите най-важнисерво моторфактори за избор-въртящ момент, скорост и точност-и показва как да ги използвате заедно при избора на двигател за индустриални приложения.

Защо въртящият момент, скоростта и точността имат значение при избора на серво мотор

Различните машини поставят различни изисквания към техните серво мотори.

Една опаковъчна машина може да се нуждае от бързо ускорение и прецизно спиране.

Конвейерът може да се нуждае от стабилен непрекъснат въртящ момент и контрол на скоростта.

Роботизираното съединение може да се нуждае от висок въртящ момент в компактен пакет.

Машината с ЦПУ може да даде приоритет на точността на позициониране и плавната ни-скоростна работа.

Следователно, няма нито един серво мотор, който да е "най-добрият" за всяко приложение.

Правилният двигател трябва да осигурява необходимата комбинация от:

• Непрекъснат въртящ момент
• Пиков въртящ момент
• Скорост на работа
• Максимална скорост
• Ускорение
• Точност на позициониране
• Разделителна способност на енкодера
• Инерция на товара
• Работен цикъл

Сред тези параметри въртящият момент, скоростта и точността са трите най-важни отправни точки.

1. Въртящ момент: Може ли серво моторът да премести вашия товар?

Въртящият момент определя колко ротационна сила може да произведе серво моторът.

За промишленото оборудване въртящият момент обикновено е по-важен от простото разглеждане на конските сили.

Серво моторът се нуждае от достатъчно въртящ момент, за да преодолее механичното съпротивление на машината и да ускори товара.

Общото изискване за въртящ момент може да включва:

Момент на натоварване

Въртящ момент на триене

Момент на ускорение

Въртящ момент,-свързан с гравитацията

Загуби при предаване

Това означава, че моторът не трябва да се избира само според теглото на товара.

Механичната структура на машината има също толкова голямо значение.

Непрекъснат въртящ момент срещу пиков въртящ момент

Това е една от най-важните разграничения при избора на серво мотор.

Непрекъснат въртящ момент

Непрекъснатият въртящ момент е количеството въртящ момент, който двигателят може да достави по време на нормална работа, без да надвишава термичните си граници.

Има значение, когато двигателят трябва да работи под натоварване за дълги периоди.

Например:

Конвейер може да изисква 5 N·m въртящ момент непрекъснато.

В този случай избраният двигател трябва да има достатъчен непрекъснат въртящ момент, за да се справи с натоварването от 5 N·m, без да работи непрекъснато при неговата топлинна граница.

Пиков въртящ момент

Пиковият въртящ момент е по-високият въртящ момент, наличен за кратки периоди.

Става важно по време на:

• Стартиране
• Ускорение
• Бързо забавяне
• Промени в посоката
• Внезапни промени в натоварването

Например една машина може да изисква:

5 N·m непрекъснат въртящ момент

но

10 N·m пиков въртящ момент

по време на ускорение.

Двигател с адекватен непрекъснат въртящ момент, но недостатъчен пиков въртящ момент може да работи нормално при постоянна скорост, но се бори винаги, когато машината трябва да ускори бързо.

Ето защо трябва да се проверят и двете числа.

Колко марж на въртящия момент трябва да оставите?

Често срещана грешка е изборът на двигател, чийто номинален въртящ момент е точно равен на изчисленото натоварване.

Истинските машини рядко работят при напълно постоянни условия.

Натоварванията могат да се променят поради:

• Тегло на продукта
• Механично триене
• температура
• Носете
• Ускорение
• Ефективност на предаване
• Производствени условия
• Следователно разумният инженерен марж е полезен.

Обаче простото избиране на двигател, който е няколко пъти по-голям от изчисленото натоварване, не е непременно по-добро.

Извънгабаритният двигател може да увеличи:

• Моторни разходи
• Цена на серво задвижване
• Инерция на системата
• Място за монтаж
• Консумация на енергия

Целта е да се осигури достатъчен капацитет на въртящия момент без ненужно увеличаване на размера на системата.

2. Скорост: Колко бързо трябва да работи моторът?

Скоростта е второто важно съображение.

Когато избирате серво мотор, не гледайте само максималните обороти.

Трябва да определите три работни точки:

Минимална работна скорост

Нормална работна скорост

Максимална скорост на работа

Важният въпрос не е:

„Колко бързо може да се върти този мотор?“

това е:

„Може ли този двигател да осигури необходимия въртящ момент при скоростта, от която моята машина всъщност се нуждае?“

Това разграничение е изключително важно.

Един серво мотор може да има максимална скорост от 5000 RPM, но това не означава, че може да осигури максималния си въртящ момент при 5000 RPM.

Серво моторите имат характеристики на въртящия момент-скорост, които трябва да се вземат предвид при избора.

Защо високата скорост и високият въртящ момент могат да бъдат трудни за комбиниране

Скоростта и въртящият момент на двигателя са тясно свързани с електрическите и механичните характеристики на двигателя.

Когато скоростта се увеличи, двигателят може да навлезе в област, където наличният въртящ момент намалява.

Това създава важен въпрос за избор:

Имате ли нужда от висок въртящ момент, висока скорост или и двете едновременно?

Например:

Приложение А

Работна скорост: 1000 RPM

Необходим въртящ момент: 10 N·m

Приложение Б

Работна скорост: 4000 RPM

Необходим въртящ момент: 10 N·m

Въпреки че и двете приложения изискват еднакъв въртящ момент, Приложение B е много по-взискателно, тъй като двигателят трябва да поддържа този въртящ момент при много по-висока скорост.

Следователно разглеждането само на въртящия момент не е достатъчно.

Винаги проверявайте кривата на скоростта-на въртящия момент на двигателя.

Скоростта също е свързана с ускорението

За серво приложения максималната скорост е само една част от уравнението.

Ускорението може да бъде още по-важно.

Помислете за машина, която трябва да се премести от:

0 → 3000 RPM за 0,2 секунди

Това е много различно от машина, която отнема:

10 секунди, за да достигнете 3000 RPM.

Първото приложение изисква много по-голяма динамична производителност.

Двигателят трябва да осигурява достатъчен въртящ момент, за да ускори ротора и свързания товар в рамките на необходимото време.

Ето защо изискванията за ускорение трябва да бъдат предоставени на доставчика на двигателя по време на избора.

3. Точност: Колко точно може серво моторът да позиционира товара?

Точността често се разбира погрешно при избора на серво мотор.

Много купувачи приемат, че високата разделителна способност на енкодера автоматично означава, че машината ще има изключително висока точност на позициониране.

Това не е непременно вярно.

Действителната точност на системата зависи от множество компоненти:

• Разделителна способност на енкодера
• Алгоритъм за серво управление
• Механичен луфт
• Коравина на вала
• Точност на скоростната кутия
• Гъвкавост на съединителя
• Вибрация на машината
• Инерция на товара
• Механична производствена толерантност

Енкодерът е само една част от цялата система.

Разделителна способност на енкодера срещу действителна точност на позициониране

Тези два термина не трябва да се третират като едно и също нещо.

Резолюция на енкодера

Разделителната способност на енкодера описва колко фино енкодерът може да открие промените в положението на вала.

По-високата разделителна способност осигурява повече информация за обратна връзка към контролера.

Това може да подобри:

• Обратна връзка за позицията
• Плавност при ниска{0}}скорост
• Контрол на движението
• Повторяемост

Но по-високата разделителна способност не елиминира автоматично механичните грешки.

Действителна точност на позициониране

Точността на позициониране описва колко близо е действителната механична позиция до зададената позиция.

Например, ако дадена машина получи команда да се премести на 100,00 mm, но крайната позиция е 100,08 mm, грешката при позициониране е 0,08 mm.

Тази грешка може да идва от:

• Луфт на скоростната кутия
• Еластичност на колана
• Грешка на проводника на винта
• Механична деформация
• Монтаж на енкодер
• Движение на товара

Следователно, когато клиент каже „Имам нужда от високо{0}}точен серво мотор“, правилният въпрос е:

От каква точност всъщност се нуждае цялата машина?

Повторяемост срещу точност

Това също са различни понятия.

Една машина може многократно да спира в почти една и съща позиция, но все още да е малко встрани от зададената позиция.

Например:

• Позиция на целта: 100,00 мм
• Действителни резултати:
• 100.08 мм
• 100.08 мм
• 100.07 мм
• 100.08 мм

Системата има добра повторяемост, но слаба абсолютна точност.

Това разграничение има значение в приложения като:

• CNC оборудване
• роботика
• Машини за проверка
• Полупроводниково оборудване
• Прецизен монтаж
• Автоматизирани системи за позициониране

Инерция на товара: Скритият фактор зад серво производителността

Въртящият момент, скоростта и точността не могат да бъдат оценени отделно от инерцията на товара.

Серво моторът може да има достатъчно номинален въртящ момент, но въпреки това да работи лошо, ако свързаният товар има много висока инерция.

Високата инерция може да причини:

• Бавно ускорение
• Превишаване
• Вибрация
• Дълго време за утаяване
• Грешки при позициониране
• Серво нестабилност

Често срещаните натоварвания с висока{0}}инерция включват:

• Големи ролки
• Ротационни маси
• Маховици
• Големи зъбни колела
• Тежки роботизирани ръце
• Въртящи се възли с голяма-маса

Поради тази причина доставчикът на двигателя трябва да знае приблизителната инерция на товара, когато е възможно.

Защо серво задвижването има значение

Серво моторът е само една част от системата.

Серво задвижването определя как електрическата енергия се доставя на двигателя и как се обработва сигналът за обратна връзка.

Преди да изберете двигател, проверете съвместимостта между:

• Напрежение на двигателя
• Ток на двигателя
• Енкодер
• Серво задвижване
• Контролер
• Комуникационен интерфейс

Двигател с отлични спецификации все още може да даде лоши резултати, ако задвижването не е правилно съчетано.

Следователно моторът и задвижването трябва да бъдат избрани като система.

Избор на правилния серво мотор според приложението

Различните приложения дават приоритет на различни спецификации.

Ето защо простото искане за "2 kW серво мотор" не предоставя достатъчно информация за правилен избор.

24V срещу 48V срещу 220V серво мотори

Напрежението е друг важен фактор за избор.

24V серво мотор

24V серво мотори обикновено се разглеждат за:

AGVs

AMRs

Мобилни роботи

Машини-захранвани с батерии

Компактно оборудване за автоматизация

Те са особено удобни, когато машината вече използва 24V DC електрическа архитектура.

48V серво мотор

48V системите могат да осигурят повече мощност с по-нисък ток в сравнение с 24V системите.

Това може да бъде полезно за:

Мобилни роботи

Електрическо оборудване

Средна{0}}автоматизация на мощността

Индустриални-захранвани с батерии системи

По-малкият ток също може да помогне за намаляване на размера на кабела и електрическите загуби.

220V серво мотор

220V серво мотори се използват широко в индустриалната автоматизация, където се изисква по-висока мощност.

Типичните приложения включват:

CNC машини

Индустриални роботи

Машини за опаковане

Автоматизирано производствено оборудване

Подходящото напрежение зависи от пълната електрическа архитектура на машината, а не само от предпочитанията на двигателя.

Кога имате нужда от скоростна кутия?

Скоростна кутия може да е необходима, когато приложението се нуждае от:

Висок изходен въртящ момент

Ниска изходна скорост

Висока точност на позициониране

По-добро съвпадение на инерцията

Например, един серво мотор може да работи ефективно при няколко хиляди RPM, докато машината се нуждае само от няколкостотин RPM.

Скоростната кутия може да намали скоростта, като същевременно увеличи изходящия въртящ момент.

Скоростните кутии обаче също така въвеждат:

Луфт

Механични загуби

Допълнителни разходи

Допълнителна поддръжка

За прецизни приложения луфтът на скоростната кутия трябва да бъде включен в анализа на точността.

Кога трябва да изберете серво мотор с висок въртящ момент?

Сервомотор с висок въртящ момент си струва да се обмисли, когато приложението включва:

Тежки натоварвания

Бързо ускорение

Често стартиране и спиране

Висока инерция

Вертикално повдигане

Голямо ротационно оборудване

Тежко{0}}роботика

Високият въртящ момент обаче не трябва да се бърка с „по-добър“.

Ако вашата машина се нуждае само от малко количество въртящ момент, използването на значително по-голям двигател с висок въртящ момент може да увеличи цената на системата, без да подобри производителността.

Моторът трябва да бъде оразмерен около действителния профил на движение.

Практичен процес на избор на серво мотор

Добрият процес на подбор може да се сведе до следните стъпки.

Стъпка 1 - Дефиниране на товара

Определете:

Тегло на товара

Тип товар

Триене

Гравитационни ефекти

Механична трансмисия

Стъпка 2 - Изчислете въртящия момент

Определете:

Непрекъснат въртящ момент

Пиков въртящ момент

Стартов въртящ момент

Момент на ускорение

Стъпка 3 - Дефиниране на скорост

Идентифицирайте:

Минимална скорост

Нормална скорост

Максимална скорост

Време за ускорение

Стъпка 4 - Изчисляване на инерцията

Оценете инерцията на:

Мотор

Съединител

Скоростна кутия

ролка

Валяк

Заредете

Стъпка 5 - Дефиниране на точност

Определете дали приложението изисква:

Точност на позицията

Повторяемост

Плавност при ниска{0}}скорост

Обратна- обратна връзка с висока разделителна способност

Стъпка 6 - Изберете енкодер

Изберете енкодер въз основа на необходимата производителност на управление.

Стъпка 7 - Съпоставете серво задвижването

Проверете изискванията за напрежение, ток, енкодер, комуникация и управление.

Стъпка 8 - Оценете средата

Проверете температурата, влажността, праха, вибрациите и други работни условия.

Стъпка 9 - Прегледайте пълния профил на движение

Уверете се, че избраният двигател може да се справи с действителния цикъл-не само с една работна точка.

Контролен списък за избор на серво мотор за купувачи

Преди да поискате оферта, подгответе следната информация:

Механични

Тегло на товара

Инерция на товара

Тип трансмисия

Предавателно отношение

Изисквания към вала

Монтажни размери

Изпълнение

Непрекъснат въртящ момент

Пиков въртящ момент

Номинална скорост

Максимална скорост

Време за ускорение

Време за забавяне

Работен цикъл

точност

Необходима точност на позициониране

Необходима повторяемост

Предпочитание за енкодер

Изисквания за хлабина

Електрически

Налично напрежение

Непрекъснат ток

Пиков ток

Тип контролер

Комуникационен протокол

Околна среда

Околна температура

Прах

Влажност

Вибрация

Условия за монтаж

Колкото по-пълна е тази информация, толкова по-лесно е за доставчика да препоръча правилния двигател.

Често срещани грешки при избора на серво мотор

Избор само по мощност

Мощността е важна, но не ви казва достатъчно за въртящия момент при определена скорост.

Игнориране на пиковия въртящ момент

Моторът може да издържи непрекъснатото натоварване, но да се повреди по време на ускорението.

Ако приемем, че резолюцията на енкодера е равна на точност

Механичната хлабина и деформацията все още могат да ограничат крайната точност на позициониране.

Игнориране на инерцията

Високата инерция на натоварване може да затрудни управлението на правилно захранван двигател.

Преоразмеряване на двигателя

По-големият двигател не е автоматично по-надежден или по-ефективен.

Избор на мотор преди задвижването

Моторът и задвижването трябва да са съвместими от самото начало.

Как Auric ви помага да изберете правилния серво мотор

За индустриалните производители на оригинално оборудване изборът на серво мотор от каталог може да бъде труден, тъй като каталогът рядко описва всеки детайл от действителната машина.

Ауринподхожда към избора на серво мотор от страна на приложението.

Вместо да се иска само мощност на двигателя, процесът на избор може да вземе предвид:

Необходим въртящ момент

Пиков въртящ момент

Скорост на работа

Ускорение

Инерция на товара

Изисквания към енкодера

Напрежение

Монтажни размери

Конфигурация на вала

Изисквания към спирачките

Съвместимост със серво задвижване

Това е особено полезно за производители на оборудване, които се нуждаят от серво мотор, който пасва на съществуваща механична структура или нов дизайн на машина.

Auric може също така да оцени персонализирани изисквания за OEM приложения, където стандартните каталожни спецификации не са достатъчни.

Целта не е просто да се осигури двигател с по-високи спецификации.

Целта е да се осигури двигател, който е правилно съобразен с действителните изисквания за движение на машината.

Често задавани въпроси

Коя е най-важната спецификация при избора на серво мотор?

Няма една най-важна спецификация. Въртящият момент, скоростта, ускорението, инерцията на товара, точността и работният цикъл трябва да се разглеждат заедно.

За повечето приложения постоянният въртящ момент и пиковият въртящ момент са първите спецификации за изчисляване.

Как да изчисля необходимия въртящ момент на серво мотора?

Започнете с оценка на въртящия момент на натоварването, триенето, изискванията за ускорение, гравитацията и механичните загуби на трансмисията. В изчислението трябва да се включи-най-лошият случай на работа.

Сервомоторът с по-високи обороти осигурява ли по-добра производителност?

Не е задължително. Високата максимална скорост е полезна само ако машината действително я изисква. Трябва също така да проверите колко въртящ момент може да осигури моторът при тази скорост.

Кодерът с висока{0}}резолюция прави ли машината по-точна?

Не автоматично. Разделителната способност на енкодера подобрява разделителната способност на обратната връзка, но крайната точност на машината също зависи от механичния луфт, точността на предаване, твърдостта, вибрациите и ефективността на управлението.

Имам ли нужда от скоростна кутия с моя серво мотор?

Не винаги. Скоростната кутия е полезна, когато се нуждаете от по-висок изходен въртящ момент при по-ниска скорост или по-добро съответствие на товара. Сервомоторите с директно{2}}задвижване могат да бъдат подходящи, когато приложението не изисква намаляване на скоростта.

Как да избера между 24V, 48V и 220V серво мотори?

Започнете с наличната електрическа архитектура и необходимата мощност. 24V и 48V са често срещани в системи с ниско-волтаж и батерии-захранване, докато 220V е по-често срещано в промишлени машини с по-висока-мощност.

Последни мисли

Изборът на серво мотор не означава намирането на мотор с най-висок въртящ момент, най-високи RPM или най-висока резолюция на енкодера.

Става въпрос за намиране на правилния баланс между въртящ момент, скорост и точност.

Двигателят се нуждае от достатъчно непрекъснат въртящ момент, за да се справи с нормалното натоварване, достатъчно пиков въртящ момент, за да се справи с ускорението, достатъчна скорост за необходимия цикъл и подходяща обратна връзка за постигане на необходимата производителност на позициониране.

В същото време инерцията на товара, механичната трансмисия, работният цикъл, съвместимостта със серво задвижването и работната среда също трябва да бъдат взети предвид.

Следователно най-добрият серво мотор не е непременно най-големият или най-мощният модел.

Това е моторът, който може да достави необходимия въртящ момент при необходимата скорост с необходимата точност, като същевременно остава надежден и икономичен през целия експлоатационен живот на машината.

За индустриални OEM производители и производители на оборудване за автоматизация, определянето на тези изисквания преди закупуване може да предотврати скъпи подмени на мотори и проблеми с пускането в експлоатация по-късно.

Ако можете да предоставите действителното натоварване, скорост, ускорение, точност, работен цикъл и изисквания за инсталиране, професионален доставчик на серво мотори като Auric може да ви помогне да преминете от обща спецификация на двигателя към правилно съчетано решение за контрол на движението.