Pojem roboti je že zelo širok. Ta članek se osredotoča na servo motorje za robotske spoje, ki se uporabljajo v sektorju industrijske avtomatizacije, in ne zajema integriranih servo motorjev za servisne robote.
Industrijski roboti so na splošno razvrščeni v linearne robote (znani tudi kot kartezični roboti), robote z več-stopnjami--prostosti (znani tudi kot roboti z več-zgibi), vzporedne robote (znani tudi kot roboti Delta) in horizontalne robote z več-zgibi (znani tudi kot roboti SCARA). "Avtomatizirana celica" je sestavljena iz različnih vrst zgibnih robotskih rok in avtomatizirane transportne opreme. Avtomatske celice z različnimi funkcijami so povezane v avtomatizirano proizvodno linijo, več avtomatiziranih proizvodnih linij pa je združenih v avtomatizirano delavnico.
Med temi industrijskimi roboti in avtomatiziranimi enotami imajo servo motorji ključno vlogo pri natančnem, hitrem in zanesljivem pozicioniranju mehanskih struktur v skladu s krmilnimi ukazi; zato veljajo za ključne komponente.
Osnovni koncepti servo motorjev s trajnimi magneti
"Servo" se nanaša na zmožnost izvajanja ukazov iz krmilnega računalniškega sistema brez odstopanja. Ta koncept ni omejen na električne motorje ali hidravliko; zajema tudi pnevmatske sisteme in vsaka komponenta, ki lahko opravlja to nalogo, se šteje za servo komponento.
Elektromotor je elektromehanska komponenta, ki pretvarja električno energijo v mehansko. Servo motor je električni motor, zasnovan za uporabo v sistemih za nadzor gibanja, kjer je mogoče nadzorovati njegove izhodne parametre-, kot so položaj, hitrost, pospešek ali navor-.
Servo motorje je mogoče razvrstiti v različne vrste glede na njihove krmilne specifikacije. Po vrsti napajanja jih delimo na AC servo motorje in DC servo motorje; po načinu delovanja jih delimo na linearne servo motorje in rotacijske servo motorje. Linearni motorji neposredno ustvarjajo Newtonovo silo, medtem ko rotacijski motorji oddajajo vrtilni moment. Za pogon linearnih obremenitev rotacijski motorji potrebujejo mehanske mehanizme, kot so vodilni vijaki za pretvorbo rotacijskega gibanja v linearno.
Rotacijski AC servo motorji so razvrščeni v AC asinhrone servo motorje in AC sinhrone servo motorje glede na strukturo rotorja. Rotor AC asinhronega servo motorja je sestavljen iz aluminijaste ali bakrene kletke, vrtilna hitrost kletke pa vedno ohranja določeno razliko hitrosti glede na sinhrono vrtljivo magnetno polje. S tehnologijo vektorskega krmiljenja lahko ta tip motorja doseže tako natančne karakteristike krmiljenja navora kot motorji na enosmerni tok. Vendar ima rotor visoko vztrajnost, dobre karakteristike konstantne-moči in širok razpon hitrosti, zaradi česar je primeren za širok razpon spremenljivih-vztrajnostnih obremenitev, kot so aplikacije za rezanje in navijanje/odvijanje strojnih orodij. Pomanjkljivosti so nizek začetni navor in njihova hitrost elektromagnetnega odziva je slabša od hitrosti servo motorjev s trajnimi magneti. Elektromagnetna časovna konstanta je približno 10-krat večja od motorjev s trajnimi magneti, izdelanih iz materialov s trajnimi magneti. Poleg tega zaradi nizke gostote moči in velikih dimenzij rotorja niso primerni za visoko-dinamične servo aplikacije.
Rotacijski AC sinhroni servo motorji uporabljajo trajne magnetne materiale za svoje rotorje, ki neposredno ustvarjajo vzbujevalno magnetno polje. Ni potrebe po vzbujalnem toku za vzpostavitev magnetnega polja motorja, kar ima za posledico hiter elektromagnetni odziv. Poleg tega visoka energijska gostota trenutnih redko{2}}zemeljskih trajnih magnetnih materialov omogoča visoko gostoto moči v teh motorjih, kar odpira možnosti za načrtovanje servo motorjev z različnimi karakteristikami delovanja. Visok dinamični odziv je mogoče doseči z vitko zasnovo z nizko vztrajnostjo rotorja ali kompaktno, robustno zasnovo z visoko vztrajnostjo rotorja. Uporaba materialov s trajnimi magneti iz redkih zemelj- je uveljavila motorje s trajnimi magneti kot prednostno izbiro za servo aplikacije. Vendar redki-zemeljski trajni magneti ostajajo najdražja komponenta med vsemi materiali, ki se uporabljajo v servo motorjih. Razlike v materialih, ki jih uporabljajo različni proizvajalci, povzročajo različne ravni kakovosti izdelkov. Visoko{10}}kakovostni trajni magnetni materiali se morda ne bodo razmagnetili niti pri delovnih temperaturah nad 150 stopinj, slabši materiali pa se lahko razmagnetijo, ko je delovna temperatura motorja pod 120 stopinj. Kakovost materialov s trajnimi magneti neposredno določa različne značilnosti servo motorja.
Linearni servo motorji neposredno proizvedejo newton-metre sile brez mehanske pretvorbe, kar omogoča zelo visoke pospeške. V zadnjih letih je hiter tehnološki napredek privedel do njihove široke uporabe v podajalnih oseh visoko-zmogljivih obdelovalnih strojev. Pri industrijskih robotih pa je njihova uporaba omejena na nekatere linearne robotske roke in ni v središču tega članka. Ta članek se osredotoča na rotacijske servo motorje s trajnimi magneti in njihovo uporabo v industrijskih robotih.
Struktura rotacijskega motorja s trajnimi magneti
Slika 1 prikazuje tipičen strukturni diagram servo motorja s trajnim magnetom. Da bi zagotovili izčrpen pregled, je ta diagram namenjen jasni ilustraciji celotne strukture servo motorja s trajnim magnetom. Pravzaprav se servo motorji s trajnimi magneti z nizko-močjo in nazivno močjo 15 kW ali manj lahko za hlajenje zanašajo na naravno konvekcijo, kar odpravi potrebo po hladilnem ventilatorju. Ti motorji so kompaktni in ne potrebujejo montažnih nog; nepotrebni so tudi namestitveni obroči. Zamenjava priključne omarice z letalskim konektorjem za vodilne žice povzroči čistejšo zasnovo. Posledično postane videz motorja tak, kot je prikazan na sliki 2(a). Če je motor zelo majhen-pod 1 kW-so celo letalski konektorji za vodilne žice nepotrebni; namesto tega se lahko kabel razširi neposredno iz motorja, kar ima za posledico konfiguracijo, prikazano na sliki 2(b).
Slika 1: Shematski diagram servo motorja s trajnim magnetom
Slika 2: Shematski diagram nizko{1}}zmogljivega servo motorja s trajnim magnetom
Ta razdelek predvideva, da bralec razume principe elektromotorjev in se osredotoča izključno na razlago strukturnih razlik med servo motorji s trajnimi magneti in drugimi vrstami motorjev, ki temeljijo na značilnostih robotskih motorjev.
Ležaji: Življenjska doba servo motorja je tesno povezana z njegovimi ležaji. Glede na visoke zahteve glede zanesljivosti in vzdržljivosti robotov morajo ležaji zagotavljati življenjsko dobo najmanj 30.000 ur. Na podlagi 8-urnega delavnika to pomeni življenjsko dobo robota vsaj 10 let. Ležaji morajo biti zmožni prekinjenega delovanja pri 6000 obratih na minuto.
Laminacije in navitja statorja: ker motorji robotov zahtevajo visoko gostoto moči in da se čim bolj zmanjša velikost in izguba železa, mora biti material za laminacijo hladno{0}}valjano silicijevo jeklo z debelino 0,35 mm ali manj. Navitja morajo vzdržati dolgotrajno-izpostavljenost nosilnim impulzom-spremenljive frekvence 16 kHz. Da bi preprečili okvaro in zdržali intenzivne dv/dt sunke, nazivna vzdržljivost napetosti ne sme biti nižja od 2500 V.
Material trajnega magneta rotorja: Material trajnega magneta je najdražja komponenta v servo motorju s trajnim magnetom. Materiali z nizko vsebnostjo redkih zemeljskih elementov imajo nizko Curiejevo točko in slabo materialno stabilnost. Če uporabljate neodim-železo-borove (NdFeB) magnete, naj bodo po možnosti razreda UH42 ali višjega. Poleg tega je treba biti pozoren na vsebnost redkih zemeljskih elementov, kot je disprozij. Za zagotovitev-odpornosti proti razmagnetenju pri visoki-temperaturi se magneti iz samarijevega-kobalta (SmCo) pogosto uporabljajo v majhnih in-velikih servo motorjih. Če povzamemo, bistveno je zagotoviti, da servo motor ostane resnično{11}}odporen na razmagnetenje v normalnih pogojih delovanja. V nasprotnem primeru dolgoročne-stabilnosti robota ni mogoče zagotoviti.
Tesnila gredi: Če želite preprečiti vstop olja in umazanije v motor, hkrati pa zagotoviti nemoteno delovanje, je namestitev tesnila gredi na koncu gredi motorja standardna praksa načrtovanja. Pri robotih se na gred servo motorja pogosto rezka majhen zobnik, da se motor poveže neposredno z reduktorjem. Ker lahko visoke temperature in olje vstopijo v motor, so potrebna tesnila gredi z več-ustnicami za visoke{3}}temperature. Na primer, tesnilo gredi iz fluoroogljikove gume z dvojnim-ustom je bolj zanesljivo kot tesnilo gredi iz nitrilne gume z eno-ustnico, čeprav je razlika v ceni precejšnja.
Zavora: zavora je standardna funkcija za robotske motorje. Skoraj 95 % servo motorjev potrebuje zavoro. Za zagotovitev, da se zavora sproži ves čas-zlasti med zaustavitvami v sili-mora delovati zanesljivo. Zavora mora imeti zadosten varnostni faktor s statičnim navorom, ki je približno 1,5-kratnik nazivnega navora motorja. Pri robotskih motorjih za-težke obremenitve mora varnostni faktor zavore doseči 2,0 ali celo 2,5-kratnik nazivnega navora. Pomembno je vedeti, da je zavora na motorju robota varnostna zavora in ne delovna zavora. Krmilni sistem mora zagotoviti, da se med zaustavitvijo v sili zavorni tokokrog servo pogona aktivira prek zavornega upora in da se zavora aktivira, ko se vrtilna frekvenca motorja približa ničli. Za izboljšanje odzivne hitrosti so zavore s trajnimi magneti boljše od elektromagnetnih vzmetnih zavor.
Dajalnik: dajalnik je nameščen na zadnji strani motorja in deluje kot senzor za hitrost motorja in položaj rotorja. Meri položaj rotorja, da krmilnemu računalniku zagotovi podatke o dejanskem položaju in hitrosti rotorja za servo krmiljenje, pozicioniranje magnetnega polja in izračun trajektorije gibanja. Medtem ko kodirniki robotskih motorjev na splošno ne ponujajo visoke natančnosti, morajo podpirati več{2}}obratno merjenje absolutnega položaja, da zagotovijo, da lahko motor nadaljuje z delovanjem iz položaja, v katerem je bil pred izpadom električne energije. Trenutno obstajajo trije običajni pristopi za reševanje zahtev robotskega motornega kodirnika. Prva metoda uporablja optični ali magnetni kodirnik Grayeve kode za meritve z enim-obratom in mehanske zobnike za meritve z več-obrati. Prednost tega pristopa je visoka merilna natančnost; po izpadu električne energije se delovni položaj motorja ohrani prek mehanskega položaja dajalnika in ga je mogoče neposredno prebrati ob-vklopu. Vendar pa je pomanjkljivost, da je kodirnik predebel, zaradi česar je predolg za omejene prostore za namestitev. Druga metoda uporablja optični ali magnetni kodirnik Grayeve kode za shranjevanje-podatkov o enem zavoju, medtem ko se podatki o več-zavojih shranjujejo prek baterijsko-elektronskega pomnilnika. To omogoča, da je dajalnik zelo kratek, zaradi česar je idealen za majhne servo motorje z zunanjim premerom manj kot 60 mm. Pomanjkljivost je, da je življenjska doba baterije relativno kratka-običajno največ 2–3 leta, v nekaterih primerih pa je treba baterijo zamenjati že po enem letu. Tretja metoda uporablja rotacijski transformator za merjenje položaja enega-obrata za aplikacije z nizkimi zahtevami glede natančnosti, medtem ko podatke o več-obratih obravnava baterijsko-vezje v krmilni omarici.
Podaljšek gredi rotorja: zaradi pogostega delovanja naprej in nazaj je motor izpostavljen strižnim silam; zato mora biti material gredi prednostno kaljeno jeklo 42CrMo. Če je motor nameščen s ključem, mora biti ključ popolnoma nameščen, da se učinkovito zmanjša dinamično ravnotežje in iztek motorja. Pri visokih hitrostih je lahko razlika v izteku med servo motorjem s ključem in golo gredjo brez-obremenitve kar devetkrat večja-dejavnik, ki ga ne smemo podcenjevati.
Ključni parametri prenosa servo motorjev s trajnimi magneti
Območje delovanja: Območje, kjer lahko motor neprekinjeno deluje brez prekoračitve dovoljenega dviga temperature, se imenuje območje neprekinjenega delovanja; območje zunaj območja neprekinjenega delovanja, kjer je kratko{0}}delovanje dovoljeno, se imenuje območje delovanja s prekinitvami. Območje delovanja je predstavljeno z dvo-dimenzionalno koordinatno ravnino navora in hitrosti.
Nazivna moč PN: največja moč, ki jo motor lahko proizvede znotraj območja neprekinjenega delovanja.
Nazivni navor MN: navor, pri katerem motor zagotavlja svojo nazivno moč znotraj območja neprekinjenega delovanja. Opredelitve nazivnega navora se med proizvajalci zelo razlikujejo. Ustrezni pogoji odvajanja toplote so na splošno določeni. Na mednarodni ravni je običajna praksa, da se določi, da se ta ocena meri z motorjem, nameščenim na aluminijasti prirobnici določene površine in debeline, pri čemer se temperatura prirobnice vzdržuje pri 20 stopinjah ali pod določeno temperaturo. Zato so motorji med dejanskim delovanjem pogosto nameščeni na komponente iz litega železa, poletne temperature pa lahko presežejo preskusni standard. Če med delovanjem ni dovoljena nobena rezerva, lahko to povzroči pregrevanje in razmagnetenje. Standardni pogoj temperature okolja 40 stopinj, ki ga določa kitajski nacionalni standard, je razmeroma primeren za kitajsko okolje. Ugledni proizvajalci bodo pri objavi nazivnega navora vključili določeno konstrukcijsko rezervo pod nazivnimi vrednostmi, določenimi v skladu s standardom, kar je varnejše.
Nazivni tok IN: Tok, ki ustreza nazivnemu navoru.
Nazivna vrtilna frekvenca nN: največja hitrost, pri kateri lahko motor deluje pri nazivnem navoru v neprekinjenem delovnem ciklu.
Neprekinjeno zaklenjen{0}}navor rotorja MO: največji navor, ki ga motor lahko zagotovi, ko je zaklenjen v neprekinjenem delovnem ciklu. Na splošno velja, da hitrosti pod 100 vrt/min spadajo v območje delovanja zaklenjenega-rotorja.
Tok neprekinjenega zaklenjenega-rotorja I0: tok, ki ustreza neprekinjenemu navoru-rotorja.
Najvišji navor Mmax: največji navor, ki ga motor lahko odda. Nominalni pogoji se med različnimi proizvajalci močno razlikujejo. Nekateri določajo navor, ki ustreza razmagnetnemu toku; takšnih specifikacij se ne sme uporabljati kot najvišji navor. Mehanski oblikovalci morajo omogočiti zadostno rezervo, da preprečijo razmagnetenje in odpoved motorja zaradi previsokega delovnega navora. Če je največji navor določen v skladu z delovnim ciklom, ima referenčno vrednost inženiringa. Najvišji navor, določen v skladu s S3-10 %, ima največjo inženirsko referenčno vrednost; razumeti ga je mogoče kot največji obratovalni navor, ki je dovoljen za neprekinjen čas delovanja 3 sekunde, kar je dovolj za robote. Ponavljajoča se preobremenitev za robote z več sklepi je na splošno približno 2,0-kratna.
Temenski tok Imax: delovni tok, ki ustreza najvišjemu navoru.
Električna časovna konstanta Te: karakteristična konstanta, ki predstavlja hitrost, s katero se tok odziva na uporabljeno napetost. Definiran je kot čas, ki je potreben, da tok doseže 1 - e^(-1) (približno 63,2 %) končnega toka po uporabi fiksne napetosti na sponkah motorja. Električna časovna konstanta servo motorja je na splošno določena kot razmerje med induktivnostjo statorskega navitja in njegovim uporom (Te=L/R). Povezan je s trenutnim korakom odzivnega časa servo sistema, vendar mu ni nujno enakovreden.
Mehanska časovna konstanta Tm: Mehanska časovna konstanta servo motorja je definirana kot: tm=R*J/Ke*Kt, tj. povezana je z uporom navitja, vztrajnostnim momentom rotorja, koeficientom povratne-EMF motorja in koeficientom navora motorja. Mehanska časovna konstanta pogonskega motorja je približno enakovredna času, ki je potreben, da motor pospeši od ničelne hitrosti do 63,2 % svoje hitrosti-stacionarnega stanja v pogojih brez-obremenitve. V servo sistemu je lahko ta konstanta numerično enakovredna hitrosti-odzivnemu času zanke sistema.
Konstanta povratnega-EMF Ke: vrednost-povratnega{2}}EMF brez obremenitve, ki jo inducira motor pri hitrosti enote. Običajno se nanaša na EMF brez{4}}povratne obremenitve-, ki ustreza 1000 vrtljajem na minuto, z enotami V/krpm.
Konstanta navora Kt: izhodni navor motorja, ki ustreza enoti toka. Razmerje med koeficientom povratne -EMF motorja Ke in koeficientom navora Kt je na splošno podano s Kt=9.55 * Ke * 1,732, kjer je Kt v Nm/A, Ke je v V/rpm in Ke=Kt. Tukaj se Ke nanaša na zadnjo vrstico-EMF.
Če specifikacije motorja ne zagotavljajo parametrov Kt in Ke, je mogoče Kt izpeljati iz nazivnega navora in nazivnega toka. Nato lahko z uporabo razmerja Kt=9.55 * Ke * 1,732, nazaj-koeficient EMF Ke posredno izpeljemo na naslednji način: Ke=0.1047 * Kt / 1,732, z enotami V/rpm; Alternativno: Ke=104.7 × Kt / 1,732, z enotami V/krpm ali mV/rpm.
Zaradi omejitev napajalne napetosti je povratna elektromagnetna sila motorja tipično zasnovana tako, da je razmeroma nizka, da se zagotovi visoka odzivnost, ki zagotavlja zadosten padec napetosti pri visokih hitrostih za pridobitev ustreznega toka. Vendar visok tok poveča toplotno obremenitev motorja. Zato robotski motorji zahtevajo visoko gostoto moči, da dosežejo kompaktno velikost, visok navor in nizko proizvodnjo toplote.
Vztrajnostni moment rotorja J: vztrajnostni moment rotorja motorja. Vztrajnostni moment motorja robota je kritičen, saj neposredno vpliva na stabilnost delovanja robota. To je zato, ker roboti pogosto vključujejo več{2}}osno koordinacijo. Na primer, druga os zgibnega robota zahteva motor s precejšnjo vztrajnostjo, da se prilagodi znatnim spremembam vztrajnosti obremenitve, do katerih pride, ko se roka iztegne in umakne.
Navor zob-reže: Ko so navitja motorja s trajnimi magneti odprta{1}}krogokroga, se med enim obratom motorja ustvari periodični navor zaradi rež v jedru armature, ki težijo k poravnavi s položaji najmanjšega magnetnega upora.
Preobremenitvena zmogljivost: Sposobnost motorja, da zagotavlja določeno moč ali navor za določeno obdobje pod določenimi pogoji, ne da bi presegel določeni vršni tok. Običajno se razmerje med najvišjim tokom in nazivnim tokom imenuje faktor trenutne preobremenitve, medtem ko se razmerje med najvišjim navorom in nazivnim navorom imenuje faktor preobremenitve navora. Na splošno morajo robotski motorji zagotavljati približno 3-kratno zmogljivost preobremenitve navora.
Največja hitrost nN: Najvišja hitrost, ki jo motor lahko doseže med prekinitvami delovanja. Opredelitve največje hitrosti se med proizvajalci motorjev zelo razlikujejo; za robotske motorje podana vrednost običajno predstavlja najvišjo hitrost, pri kateri je možno ponovljivo delovanje med dejansko uporabo. Pri najvišji hitrosti lahko ustrezen največji navor preseže dvakratni nazivni navor, kar zagotavlja odziv na pospeševanje v celotnem območju hitrosti.