Konsep robot sudah sangat luas. Artikel ini memfokuskan pada motor servo untuk sambungan robotik yang digunakan dalam sektor automasi industri dan tidak meliputi motor servo bersepadu untuk robot perkhidmatan.
Robot industri secara umumnya dikelaskan kepada robot linear (juga dikenali sebagai robot Cartesian), berbilang-darjah--robot kebebasan (juga dikenali sebagai robot-berbilang), robot selari (juga dikenali sebagai robot Delta) dan robot berbilang-berbilang mendatar (juga dikenali sebagai robot SCARA). "Sel automasi" terdiri daripada pelbagai jenis lengan robot yang diartikulasikan dan peralatan penghantaran automatik. Sel automasi dengan fungsi berbeza dipautkan untuk membentuk barisan pengeluaran automatik, dan berbilang barisan pengeluaran automatik digabungkan untuk mencipta bengkel automatik.
Di antara robot industri dan unit automatik ini, motor servo memainkan peranan penting dalam meletakkan struktur mekanikal dengan tepat, segera dan boleh dipercayai mengikut arahan kawalan; oleh itu, ia dianggap sebagai komponen teras.
Konsep Asas Motor Servo Magnet Kekal
"Servo" merujuk kepada keupayaan untuk melaksanakan arahan daripada sistem komputer kawalan tanpa sisihan. Konsep ini tidak terhad kepada motor elektrik atau hidraulik; ia merangkumi sistem pneumatik juga, dan mana-mana komponen yang mampu melaksanakan tugas ini dianggap sebagai komponen servo.
Motor elektrik ialah komponen elektromekanikal yang menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal. Motor servo ialah motor elektrik yang direka bentuk untuk digunakan dalam sistem kawalan gerakan, di mana parameter outputnya-seperti kedudukan, kelajuan, pecutan atau tork-boleh dikawal.
Motor servo boleh dikelaskan kepada jenis yang berbeza berdasarkan spesifikasi kawalannya. Mengikut jenis bekalan kuasa, ia dibahagikan kepada motor servo AC dan motor servo DC; mengikut mod pengendalian, ia dikategorikan kepada motor servo linear dan motor servo berputar. Motor linear secara langsung menjana daya Newton, manakala motor berputar mengeluarkan tork putaran. Untuk memacu beban linear, motor berputar memerlukan mekanisme mekanikal seperti skru plumbum untuk menukar gerakan putaran kepada gerakan linear.
Motor servo AC berputar dikelaskan kepada motor servo tak segerak AC dan motor servo segerak AC berdasarkan struktur rotor. Pemutar motor servo tak segerak AC terdiri daripada sangkar aluminium atau tembaga, dan kelajuan putaran sangkar sentiasa mengekalkan perbezaan kelajuan tertentu berbanding medan magnet berputar segerak. Di bawah teknologi kawalan vektor, motor jenis ini boleh mencapai ciri kawalan tork setepat motor DC. Walau bagaimanapun, pemutar mempunyai inersia yang tinggi, ciri kuasa-malar yang baik dan julat kelajuan yang luas, menjadikannya sesuai untuk pelbagai beban inersia-pelbagai pembolehubah seperti pemotongan alat mesin dan aplikasi penggulungan/pembuangan mesin cetak. Kelemahannya ialah tork permulaan yang rendah, dan kelajuan tindak balas elektromagnetnya adalah lebih rendah daripada motor servo magnet kekal. Pemalar masa elektromagnet adalah lebih kurang 10 kali ganda daripada motor magnet kekal yang diperbuat daripada bahan magnet kekal. Tambahan pula, disebabkan ketumpatan kuasa yang rendah dan dimensi pemutar yang besar, ia tidak sesuai untuk-aplikasi servo dinamik tinggi.
Motor servo segerak Rotary AC menggunakan bahan magnet kekal untuk pemutarnya, yang secara langsung menjana medan magnet pengujaan. Tidak ada keperluan untuk arus pengujaan untuk mewujudkan medan magnet motor, menghasilkan tindak balas elektromagnet yang cepat. Tambahan pula, ketumpatan tenaga tinggi bahan magnet kekal-bumi yang jarang ditemui semasa membolehkan ketumpatan kuasa tinggi dalam motor ini, membuka kemungkinan untuk mereka bentuk motor servo dengan pelbagai ciri prestasi. Tindak balas dinamik yang tinggi boleh dicapai melalui reka bentuk langsing dengan inersia rotor yang rendah atau reka bentuk yang padat dan teguh dengan inersia rotor yang tinggi. Penggunaan bahan magnet kekal-bumi yang jarang ditemui telah menjadikan motor magnet kekal sebagai pilihan pilihan untuk aplikasi servo. Walau bagaimanapun, bahan magnet kekal-tanah yang jarang ditemui kekal sebagai komponen paling mahal antara semua bahan yang digunakan dalam motor servo. Perbezaan dalam bahan yang digunakan oleh pelbagai pengeluar menyebabkan tahap kualiti produk yang berbeza-beza. Bahan magnet kekal{10}berkualiti tinggi mungkin tidak menyahmagnetkan walaupun pada suhu operasi melebihi 150 darjah, manakala bahan yang lebih rendah mungkin menyahmagnet apabila suhu pengendalian motor di bawah 120 darjah. Kualiti bahan magnet kekal secara langsung menentukan pelbagai ciri motor servo.
Motor servo linear mengeluarkan terus Newton-meter daya tanpa memerlukan penukaran mekanikal, membolehkan pecutan yang sangat tinggi. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, kemajuan teknologi yang pesat telah menyebabkan penggunaannya secara meluas dalam paksi suapan alat mesin-berprestasi tinggi. Walau bagaimanapun, dalam robot industri, aplikasinya terhad kepada lengan robotik linear tertentu dan bukan fokus artikel ini. Artikel ini memberi tumpuan kepada motor servo magnet kekal berputar dan aplikasinya dalam robot industri.
Struktur Motor Magnet Kekal Berputar
Rajah 1 menunjukkan gambar rajah struktur tipikal motor servo magnet kekal. Untuk memberikan gambaran menyeluruh, rajah tunggal ini bertujuan untuk menggambarkan dengan jelas keseluruhan struktur motor servo magnet kekal. Malah,-motor servo magnet kekal berkuasa rendah yang dinilai pada 15 kW atau kurang boleh bergantung pada perolakan semula jadi untuk penyejukan, menghapuskan keperluan untuk kipas penyejuk. Motor ini padat dan tidak memerlukan kaki pemasangan; cincin pemasangan juga tidak diperlukan. Menggantikan kotak terminal dengan penyambung penerbangan untuk wayar plumbum menghasilkan reka bentuk yang lebih bersih. Akibatnya, rupa motor menjadi seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2(a). Jika motor adalah sangat kecil-di bawah 1 kW-malah penyambung penerbangan untuk wayar plumbum adalah tidak diperlukan; sebaliknya, kabel boleh dilanjutkan terus daripada motor, menghasilkan konfigurasi yang ditunjukkan dalam Rajah 2(b).
Rajah 1: Gambarajah skematik motor servo magnet kekal
Rajah 2: Gambar rajah skematik-motor servo magnet kekal kuasa rendah
Bahagian ini menganggap bahawa pembaca memahami prinsip motor elektrik dan memberi tumpuan semata-mata untuk menerangkan perbezaan struktur antara motor servo magnet kekal dan jenis motor lain berdasarkan ciri-ciri motor robot.
Galas: Hayat perkhidmatan motor servo terikat rapat dengan galasnya. Memandangkan keperluan kebolehpercayaan dan ketahanan robot yang tinggi, galas mesti memastikan hayat perkhidmatan sekurang-kurangnya 30,000 jam. Berdasarkan 8 jam hari bekerja, ini diterjemahkan kepada hayat perkhidmatan robot sekurang-kurangnya 10 tahun. Galas mesti mampu beroperasi sekejap pada 6,000 rpm.
Laminasi dan belitan stator: Memandangkan motor robot memerlukan ketumpatan kuasa tinggi, dan untuk meminimumkan saiz dan mengurangkan penjanaan haba kehilangan besi, bahan salutan mestilah sejuk-keluli silikon gulung dengan ketebalan 0.35 mm atau kurang. Penggulungan mesti menahan pendedahan jangka panjang-kepada 16 kHz pembolehubah-denyut pembawa frekuensi. Untuk mengelakkan kerosakan dan menahan lonjakan dv/dt yang kuat, kadaran tahan voltan mestilah tidak kurang daripada 2,500 V.
Bahan Magnet Kekal Rotor: Bahan magnet kekal adalah komponen paling mahal dalam motor servo magnet kekal. Bahan dengan kandungan unsur nadir bumi yang rendah mempunyai titik Curie yang rendah dan kestabilan bahan yang lemah. Jika magnet neodymium-besi-boron (NdFeB) digunakan, ia sebaiknya daripada gred UH42 atau lebih tinggi. Di samping itu, perhatian mesti diberikan kepada kandungan unsur nadir bumi seperti disprosium. Untuk memastikan rintangan penyahmagnetan suhu tinggi-, magnet samarium-kobalt (SmCo) juga digunakan secara meluas dalam motor servo bersaiz kecil dan sederhana-. Ringkasnya, adalah penting untuk memastikan bahawa motor servo kekal benar-benar tahan penyahmagnetan-di bawah keadaan pengendalian biasa. Jika tidak, -kestabilan jangka panjang robot tidak dapat dijamin.
Pengedap Aci: Untuk mengelakkan minyak dan serpihan daripada memasuki motor sambil memastikan operasi lancar, memasang pengedap aci pada hujung aci motor adalah amalan reka bentuk standard. Dalam robot, gear kecil sering digiling ke aci motor servo untuk menyambungkan motor terus ke pengurang. Memandangkan suhu tinggi dan minyak boleh memasuki motor, pengedap aci suhu berbilang-tinggi{3}}diperlukan. Contohnya, pengedap aci getah fluorokarbon berganda-berganda lebih dipercayai daripada pengedap aci getah nitril bibir- tunggal, walaupun perbezaan kos adalah ketara.
Brek: Brek ialah ciri standard untuk motor robot. Hampir 95% motor servo memerlukan brek. Untuk memastikan brek berfungsi pada setiap masa-terutama semasa hentian kecemasan-ia mesti beroperasi dengan pasti. Brek mesti mempunyai faktor keselamatan yang mencukupi, dengan tork statik kira-kira 1.5 kali tork terkadar motor. Untuk motor robot-berat, faktor keselamatan brek harus mencapai 2.0 atau bahkan 2.5 kali tork yang dinilai. Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa brek pada motor robot adalah brek keselamatan, bukan brek servis. Sistem kawalan mesti memastikan bahawa, semasa hentian kecemasan, litar brek pemacu servo diaktifkan melalui perintang brek, dan brek menyala apabila kelajuan motor menghampiri sifar. Untuk meningkatkan kelajuan tindak balas, brek magnet kekal adalah lebih baik daripada brek spring elektromagnet.
Pengekod: Pengekod dipasang di hujung belakang motor dan berfungsi sebagai penderia untuk kelajuan motor dan kedudukan rotor. Ia mengukur kedudukan rotor untuk menyediakan komputer kawalan dengan data mengenai kedudukan dan kelajuan sebenar rotor untuk kawalan servo, kedudukan medan magnet dan pengiraan trajektori gerakan. Walaupun pengekod motor robot secara amnya tidak menawarkan ketepatan yang tinggi, ia mesti menyokong pengukuran kedudukan mutlak berbilang-belok untuk memastikan motor boleh menyambung semula operasi dari kedudukan sebelum kegagalan kuasa. Pada masa ini, terdapat tiga pendekatan biasa untuk menangani keperluan pengekod motor robot. Kaedah pertama menggunakan pengekod optik atau magnet kod Kelabu untuk pengukuran-satu pusingan dan gear mekanikal untuk pengukuran berbilang-pusingan. Kelebihan pendekatan ini ialah ketepatan pengukuran yang tinggi; selepas bekalan elektrik terputus, kedudukan kendalian motor dikekalkan melalui kedudukan mekanikal pengekod dan boleh dibaca terus apabila kuasa-naik. Walau bagaimanapun, kelemahannya ialah pengekod terlalu tebal, menjadikannya terlalu panjang untuk ruang pemasangan terhad. Kaedah kedua menggunakan pengekod kod Kelabu optik atau magnetik untuk menyimpan data-pusingan tunggal, manakala data-berbilang pusingan disimpan melalui memori elektronik{13}}berkuasa bateri. Ini membolehkan pengekod dibuat sangat pendek, menjadikannya sesuai untuk motor servo kecil dengan diameter luar kurang daripada 60 mm. Kelemahannya ialah hayat bateri agak pendek-biasanya paling lama 2–3 tahun, dan dalam sesetengah kes, bateri perlu diganti selepas hanya satu tahun. Kaedah ketiga menggunakan pengubah berputar untuk mengukur kedudukan pusingan tunggal-untuk aplikasi dengan keperluan ketepatan rendah, manakala maklumat-berbilang pusingan dikendalikan oleh papan litar berkuasa bateri-di dalam kotak kawalan.
Sambungan Aci Rotor: Disebabkan oleh operasi ke hadapan dan belakang yang kerap, motor tertakluk kepada daya ricih; oleh itu, bahan aci sebaiknya adalah keluli terbaja 42CrMo. Jika motor dipasang dengan kunci, kunci mesti diletakkan sepenuhnya untuk mengurangkan keseimbangan dinamik dan kehabisan motor dengan berkesan. Pada kelajuan tinggi, perbezaan penghabisan antara motor servo berkunci dan aci kosong di bawah-operasi tanpa beban boleh menjadi sembilan kali lebih besar-faktor yang tidak boleh dipandang remeh.
Parameter Penghantaran Utama Motor Servo Magnet Kekal
Zon Operasi: Kawasan di mana motor boleh beroperasi secara berterusan tanpa melebihi kenaikan suhu yang dibenarkan dipanggil zon operasi berterusan; rantau di luar zon pengendalian berterusan yang -operasi jangka pendek dibenarkan dipanggil zon operasi terputus-putus. Zon pengendalian diwakili oleh satah koordinat dua-dimensi tork dan kelajuan.
PN Kuasa Dinilai: Kuasa maksimum yang boleh dikeluarkan oleh motor dalam zon operasi berterusan.
Tork Dinilai MN: Daya kilas di mana motor menyampaikan kuasa terkadarnya dalam zon operasi berterusan. Takrifan tork terkadar berbeza dengan ketara di kalangan pengeluar. Keadaan pelesapan haba yang sepadan secara amnya ditentukan. Di peringkat antarabangsa, adalah amalan biasa untuk menyatakan bahawa penarafan ini diukur dengan motor yang dipasang pada bebibir aluminium dengan kawasan dan ketebalan yang ditentukan, dengan suhu bebibir dikekalkan pada 20 darjah atau di bawah suhu yang ditentukan. Oleh itu, dalam operasi sebenar, motor sering dipasang pada komponen besi tuang, dan suhu musim panas mungkin melebihi standard ujian. Jika tiada margin dibenarkan semasa operasi, ini boleh menyebabkan terlalu panas dan penyahmagnetan. Keadaan standard suhu ambien 40 darjah yang ditentukan oleh piawaian kebangsaan China adalah agak munasabah untuk persekitaran Cina. Pengilang yang bereputasi baik akan memasukkan margin reka bentuk tertentu di bawah nilai undian yang ditentukan mengikut piawaian apabila menerbitkan tork terkadar, yang lebih selamat.
Arus Dinilai IN: Arus yang sepadan dengan tork terkadar.
Kelajuan Dinilai nN: Kelajuan maksimum di mana motor dibenarkan beroperasi di bawah tork terkadar dalam kitaran tugas berterusan.
Dikunci Berterusan-Tork Rotor MO: Daya kilas maksimum yang boleh diberikan oleh motor apabila dikunci dalam kitaran tugas berterusan. Secara amnya, kelajuan di bawah 100 rpm dianggap berada dalam julat kendalian-pemutar terkunci.
Dikunci Berterusan-Arus Pemutar I0: Arus yang sepadan dengan tork pemutar-berkunci berterusan.
Tork Puncak Mmax: Daya kilas maksimum yang dibenarkan untuk dikeluarkan oleh motor. Keadaan nominal berbeza dengan ketara antara pengeluar yang berbeza. Sesetengah menentukan tork yang sepadan dengan arus demagnetisasi; spesifikasi sedemikian tidak boleh digunakan sebagai tork puncak. Pereka bentuk mekanikal mesti membenarkan margin yang mencukupi untuk mengelakkan motor daripada demagnet dan gagal akibat tork operasi yang berlebihan. Jika tork maksimum ditentukan mengikut kitaran tugas, ia mempunyai nilai rujukan kejuruteraan. Tork puncak yang ditentukan mengikut S3-10% mempunyai nilai rujukan kejuruteraan terbesar; ia boleh difahami sebagai tork operasi maksimum yang dibenarkan untuk masa operasi berterusan selama 3 saat, yang mencukupi untuk robot. Lebihan beban berulang untuk robot berbilang sendi biasanya sekitar 2.0 kali.
Imax semasa puncak: Arus operasi sepadan dengan tork puncak.
Pemalar masa elektrik Te: Pemalar ciri yang mewakili kelajuan arus bertindak balas kepada voltan yang dikenakan. Ia ditakrifkan sebagai masa yang diperlukan untuk arus mencapai 1 - e^(-1) (kira-kira 63.2%) daripada arus akhir selepas voltan tetap digunakan merentasi terminal motor. Pemalar masa elektrik bagi motor servo secara amnya ditentukan sebagai nisbah kearuhan belitan stator kepada rintangannya (Te=L/R). Ia berkaitan dengan masa tindak balas langkah semasa sistem servo tetapi tidak semestinya bersamaan dengannya.
Pemalar masa mekanikal Tm: Pemalar masa mekanikal motor servo ditakrifkan sebagai: tm=R*J/Ke*Kt, iaitu, ia berkaitan dengan rintangan belitan, momen inersia pemutar, belakang motor-pekali EMF dan pekali tork motor. Pemalar masa mekanikal motor pemacu adalah lebih kurang bersamaan dengan masa yang diperlukan untuk motor memecut daripada kelajuan sifar kepada 63.2% daripada kelajuan keadaan-mantapnya di bawah-keadaan beban. Dalam sistem servo, pemalar ini mungkin bersamaan secara berangka dengan kelajuan-masa tindak balas langkah gelung sistem.
Kembali-Pemalar EMF Ke: Tiada-nilai EMF balik-yang teraruh oleh motor pada kelajuan unit. Ia biasanya merujuk kepada EMF tanpa-beban balik-yang sepadan dengan 1000 rpm, dengan unit V/krpm.
Pemalar tork Kt: Tork keluaran motor sepadan dengan arus unit. Hubungan antara belakang motor-Pekali EMF Ke dan pekali tork Kt biasanya diberikan oleh Kt=9.55 * Ke * 1.732, dengan Kt dalam Nm/A, Ke dalam V/rpm, dan Ke=Kt. Di sini, Ke merujuk kepada garis belakang-EMF.
Jika spesifikasi motor tidak memberikan parameter Kt dan Ke, Kt boleh diperoleh daripada tork dan arus undian. Kemudian, menggunakan perhubungan Kt=9.55 * Ke * 1.732, garis belakang-pekali EMF Ke boleh secara tidak langsung diterbitkan seperti berikut: Ke=0.1047 * Kt / 1.732, dengan unit V/rpm; Sebagai alternatif: Ke=104.7 × Kt / 1.732, dengan unit V/krpm atau mV/rpm.
Disebabkan oleh pengehadan voltan bekalan kuasa, EMF belakang motor biasanya direka bentuk secara relatif rendah untuk memastikan tindak balas yang tinggi, menjamin penurunan voltan yang mencukupi pada kelajuan tinggi untuk mendapatkan arus yang mencukupi. Walau bagaimanapun, arus yang tinggi meningkatkan beban haba motor. Akibatnya, motor robot memerlukan ketumpatan kuasa yang tinggi untuk mencapai saiz padat, tork tinggi dan penjanaan haba yang rendah.
Pemutar Momen Inersia J: Momen inersia pemutar motor. Momen inersia motor robot adalah kritikal, kerana ia secara langsung mempengaruhi kestabilan operasi robot. Ini kerana robot selalunya melibatkan penyelarasan berbilang-paksi. Sebagai contoh, paksi kedua robot yang diartikulasikan memerlukan motor dengan inersia yang ketara untuk menampung perubahan besar dalam inersia beban yang berlaku apabila lengan dipanjangkan dan ditarik balik.
Tork slot-gigi: Apabila belitan motor magnet kekal terbuka-dilitar, daya kilas berkala dijana semasa satu pusingan motor disebabkan oleh slot dalam teras angker, yang cenderung sejajar dengan kedudukan rintangan magnet minimum.
Kapasiti Beban Lebihan: Keupayaan motor untuk menghantar kuasa atau tork tertentu untuk tempoh tertentu di bawah keadaan tertentu tanpa melebihi arus puncak yang ditentukan. Lazimnya, nisbah arus puncak kepada arus undian dirujuk sebagai faktor beban lampau semasa, manakala nisbah tork puncak kepada tork terkadar dirujuk sebagai faktor beban tork. Secara amnya, motor robot mesti memastikan kapasiti beban tork lebih kurang 3 kali ganda.
Kelajuan Maksimum nN: Kelajuan tertinggi yang boleh dicapai oleh motor semasa operasi terputus-putus. Takrifan kelajuan maksimum berbeza dengan ketara di kalangan pengeluar motor; untuk motor robot, nilai yang diberikan biasanya mewakili kelajuan tertinggi di mana operasi boleh berulang mungkin semasa penggunaan sebenar. Pada kelajuan maksimum, tork maksimum yang sepadan boleh melebihi dua kali tork yang dinilai, memastikan tindak balas pecutan merentasi keseluruhan julat kelajuan.