La elección de un sistema de servomotor para el diseño de una máquina comienza con la comprensión de los componentes que conforman el servomotor o el sistema de servoaccionamiento. Los servosistemas son sistemas de circuito cerrado que se utilizan para controlar ciertos movimientos deseados. Incluyen un dispositivo de retroalimentación que proporciona información constante entre el motor y el controlador para controlar con precisión la posición, la velocidad y el par del mecanismo que se está impulsando.
Servocontrolador de motor DDR de alto rendimiento QXR
Por lo general, los diseños de servo son sistemas altamente dinámicos que implican impulsar una carga para acelerar y desacelerar rápidamente. Operan en cuatro cuadrantes, lo que significa que pueden controlar el par y la velocidad, tanto positiva como negativa.
La selección servoaccionada requiere una solución sistemática. En otras palabras, un enfoque holístico que tiene en cuenta los parámetros generales mecánicos, eléctricos y de programación. El sistema incluye la determinación de las cargas mecánicas, las curvas de movimiento (incluidos los requisitos de posicionamiento), las características del servomotor y el entorno en el que se encuentran el motor y otros componentes; En particular, cuando el motor funciona a una velocidad casi constante, tiene un impacto en los productos terminados, los materiales y/o el proceso mismo.
Parámetros de curva de movimiento y carga mecánica
Comencemos por comprender qué significan los requisitos de movimiento y carga mecánica. La física newtoniana básica afirma que la fuerza (o el par en la dirección de rotación) es proporcional a la masa (inercia rotacional) multiplicada por la aceleración, independientemente de si la aceleración es positiva o negativa. En el contexto del diseño de movimiento, la construcción de máquinas tiene su propia calidad y la calidad de la carga que lleva.
Por lo tanto, es importante determinar las partes mecánicas, especialmente la calidad del movimiento y la curva de movimiento deseada. Los métodos para convertir el movimiento de rotación en movimiento lineal varían ampliamente y se ven afectados por factores como la precisión, la carga, la dinámica del movimiento y el entorno.
Una vez que se comprende el mecanismo utilizado, es importante comprender la dinámica del movimiento para determinar la mejor solución de servomotor. La curva de movimiento incluye no solo el movimiento de un punto a otro, sino también las funciones que pueden utilizarse en ese movimiento, como el empuje asociado con el mecanizado de las piezas. La aceleración, la uniformidad y la desaceleración, así como los tiempos de residencia y pausa, están todos incluidos en la curva de movimiento general del sistema. Los movimientos de indexación pueden ser un movimiento triangular simple, trapezoidal variable o 1/3-1/3-1/3 (el movimiento más eficiente asociado con el par RMS).
Herramienta de selección y selección de servosistemas
Muchos proveedores ofrecen herramientas de selección y selección para ayudar a los usuarios a crear perfiles de movimiento basados en los requisitos de movimiento de sus aplicaciones. La mayoría de las herramientas de software, como la plataforma Motioneering de Kollmorgen, brindan una variedad de descripciones de movimiento para ayudarlo a calcular la aceleración, el tiempo de movimiento, la distancia, la velocidad y el tiempo de residencia. La Figura 1 muestra la curva básica 1/3-1/3-1/3, con una aceleración del 50 por ciento introducida para suavizar la aceleración. En este ejemplo, elegimos mover 8 pulgadas en 1 segundo y usar una aceleración del 50 por ciento y un tiempo de permanencia de 2 segundos. El sistema calcula el movimiento en términos de 1/3 de tiempo de aceleración, 1/3 de velocidad constante y 1/3 de desaceleración. La velocidad máxima calculada por la herramienta es de 720 in/min. Puede ver el contorno de la curva "S" (basado en una aceleración del 50 por ciento). Además, para este movimiento, se puede ver que se aplica una carga de empuje (línea roja) a la parte transversal del movimiento -- esta curva de movimiento probablemente se está maquinando. El tiempo de permanencia también puede verse como 3 segundos. La parte de permanencia es importante porque todos los parámetros asociados con esta curva se usarán para calcular el par RMS, que será una métrica que usaremos para seleccionar el motor correcto. Además de las curvas de movimiento, también es importante comprender los requisitos reales de posicionamiento de las cargas en términos de resolución, precisión y repetibilidad. Esto se verá directamente afectado por la selección de dispositivos de retroalimentación y (más significativamente) por el impulso vacío de los accesorios mecánicos en forma de espacio libre y flexibilidad.
A menos que el diseño pueda utilizar una solución de motor de transmisión directa, incluirá algún tipo de transmisión mecánica. La transmisión de potencia lineal giratoria (que convierte la salida de un motor giratorio en un recorrido del eje) se puede lograr mediante una transmisión por polea o mediante mecanismos basados en tornillos, como tornillos de bolas. La transmisión rotativa incluye una caja de engranajes o un conjunto de transmisión por correa para que se puedan usar poleas de varios tamaños como retardadores. En algunas aplicaciones, las partes que se mueven contribuyen significativamente a la masa de movimiento total. Un caso especial es la masa del eje de una máquina que debe moverse para cambiar --, como en la distribución o el procesamiento de un sistema robótico. La variación de carga total puede ser un factor en el ajuste del servoaccionamiento.
Los componentes en movimiento deben sumar su inercia y reflejarla de regreso al eje del motor. Además de la inercia, se deben considerar las fuerzas externas, la fricción y la ineficiencia.
Consideraciones ambientales en el diseño de servos
Aún no ha terminado. Al determinar el diseño del servo, solo ciertos mecanismos disponibles pueden proporcionar económica y eficientemente el movimiento, la capacidad de carga y la precisión requeridos. Una consideración que a menudo se pasa por alto es el entorno en el que opera el servosistema. La mayoría de los servomotores están clasificados para funcionar a 40 °C, un entorno muy cálido, pero típico en muchas fábricas y entornos industriales.
La resistencia al calor de los componentes electrónicos de conducción no es muy alta, y dado que también tienen una clasificación de 40 grados C, manejar la temperatura ambiente donde operan es un desafío. Por lo general, se requiere enfriamiento forzado en el gabinete de control para mantener las condiciones ambientales adecuadas (temperatura y humedad). Por lo tanto, se debe considerar la ubicación del motor y del controlador. Por supuesto, el motor se puede instalar o integrar directamente en el dispositivo para accionar el mecanismo de transporte de carga. Por el contrario, el variador en una solución centralizada está ubicado en un gabinete de control -- por lo general necesita refrigeración.
Los fabricantes definen el rendimiento parcial del motor de acuerdo con las condiciones ambientales en las que funciona el motor. Como se indicó anteriormente, muchos diseñadores asumen que el motor está clasificado para una temperatura ambiente de 40 °C, pero ocasionalmente se proporciona una especificación de motor de 25 °C. Por lo tanto, se debe prestar atención a los valores de referencia publicados al revisar las especificaciones. Si la temperatura ambiente de la máquina supera la temperatura ambiente nominal, el motor no alcanzará la potencia nominal.
Otras condiciones ambientales pueden afectar las pinturas y los sellos del motor y otros subcomponentes mecánicos. El polvo, la suciedad, la humedad, el enjuague por aspersión, los requisitos de higiene, los entornos explosivos, los entornos de vacío y la radiación requieren un servomotor especial con características físicas adaptadas al duro entorno actual.
Proceso de selección
Al determinar la composición requerida del sistema de motor/accionamiento, una gran parte del esfuerzo de selección inicial es mecánico y ambiental. Ahora, cuando el usuario selecciona el producto final, se deben considerar los componentes restantes del sistema que contiene el sistema. Los factores mecánicos y ambientales seguirán influyendo en los elementos de retroalimentación, el cableado y la elección final de la arquitectura de control.
Consideraciones de retroalimentación y características del servomotor
Por definición, los servosistemas tienen dispositivos de retroalimentación que miden la velocidad, la posición y otros parámetros del sistema durante la operación. Los fabricantes pueden tener opciones limitadas, pero es importante considerar cuidadosamente los parámetros de aplicación específicos, incluida la carga de impacto y la precisión de posicionamiento, así como la repetibilidad. Los transformadores rotativos a menudo tienen un rendimiento excelente en entornos hostiles, especialmente para cargas de mayor impacto. Un transformador giratorio es un transformador giratorio que consta de una bobina de bobinado con partes de estator y rotor alrededor del núcleo. Esta construcción permite un funcionamiento a mayor temperatura y una mayor tolerancia a las cargas de alto impacto que los codificadores que pueden contener elementos de disco de vidrio.
Los codificadores sinusoidales pueden proporcionar alta resolución, hasta 24 bits y más, para una precisión de posicionamiento óptima. Algunos codificadores híbridos pueden proporcionar la robustez de un transformador giratorio con mejor resolución. Estos codificadores inteligentes se basan en transformadores giratorios con componentes electrónicos que interpretan las señales de seno y coseno y las convierten en una señal digital de alta resolución que pasará a un servocontrolador para su uso en retroalimentación de velocidad y posición.
Actualmente, los codificadores más recientes ofrecen una variedad de protocolos de comunicación (EnDAT, BiSS y DSL) y brindan capacidades de alta resolución y bajo nivel de ruido para ayudar a lograr señales de retroalimentación óptimas para los servocontroladores y controladores.
Otra opción de retroalimentación que depende de los requisitos de la aplicación es si desea una retroalimentación absoluta o incremental. En un sistema rotativo, puede contar desde 0 una vez que haya completado una rotación de 360 grados con un solo giro del equipo. El encoder absoluto multivuelta permite al sistema conocer su posición, no solo la posición del motor en un giro de 360 grados, sino también el número de vueltas que ha dado en cada sentido. Así que sabe exactamente dónde está. Es importante saber esto y saber dónde se encuentran las herramientas y otros ejes. Los codificadores incrementales simples, por otro lado, pueden determinar la posición en una sola rotación, pero solo después de encontrar cero en el ciclo de encendido. Como resultado, el usuario no sabrá cuántos ciclos se han completado o incluso la posición absoluta
en una rotación de 360 grados cuando está encendido.
Además del servomotor y el propio servocontrolador, la conexión real entre los dos también es importante. La flexibilidad del cable (definida por su radio de curvatura permitido) es una consideración importante, especialmente cuando el cable se mueve con el eje.
La longitud del cable puede estar limitada por el tipo de codificador considerado. Los parámetros del cable, como la impedancia y la caída de voltaje, combinados con la intensidad de la señal del codificador, son los factores clave en la consideración de la longitud. Algunos de los dispositivos más nuevos que se ofrecen en el mercado transmiten información en serie a los controladores (como DSL, EnDat y BiSS) a velocidades de transmisión muy altas, que se verán afectadas por la longitud, especialmente la impedancia y la relación señal-ruido. Incluso el conector juega un papel en el ciclo de "retroalimentación", ya que el conector necesita procesar las diversas señales generadas por estos dispositivos. Otro factor de longitud de cable relacionado con la potencia del motor está relacionado con las altas frecuencias de conmutación involucradas en los controladores PWM actuales. Hay ruido en el cable de alimentación del motor. Cuando el cable se vuelve más largo y se acerca a la mitad de la longitud de onda de frecuencia del cable, se formará una antena. La antena enviará o recibirá información (en este caso generando ruido) que no debería estar presente en un sistema de alto rendimiento.
Último parámetro: control de movimiento y red -- centralizado frente a descentralizado
Una consideración final que puede causar la duplicación del proceso de diseño general (y cambiar otros componentes específicos del diseño) es la arquitectura del sistema. El ingeniero debe preguntarse: ¿Debería concentrarme en un sistema de control centralizado con controladores, controladores y componentes electrónicos de apoyo empaquetados en un gabinete centralizado, o es más rentable y económico distribuir los controladores en toda la máquina (un enfoque de sistemas distribuidos)? Una máquina con varios ejes, que pueden estar dispersos por la máquina, sería un candidato ideal para una solución distribuida. Este método puede reducir significativamente los requisitos de cables y ahorrar costos asociados con el cableado de cables largos y las ranuras y soportes para cables que van con estos cables. Además, sacar el controlador de la máquina reduce el tamaño del gabinete requerido para albergar los componentes electrónicos de control y soporte, lo que nuevamente reduce los costos y los requisitos de enfriamiento dentro del gabinete. Por otro lado, las máquinas que son compactas y tienen menos ejes no se beneficiarán de un tradicional
enfoque centralizado.
conclusión
Hay muchas cosas que deben tenerse en cuenta al seleccionar un servosistema para una aplicación, muchas de las cuales se han descrito en este artículo. Otra opción que afecta la selección de componentes controla el sistema. El tipo de control generalmente se especifica en una etapa temprana en las discusiones de diseño de la máquina y depende de una variedad de factores, mientras que la elección del control generalmente se basa en la elección de los estándares de comunicación de bus de campo.