Понятие роботов уже очень широкое. В этой статье основное внимание уделяется серводвигателям для роботизированных соединений, используемых в секторе промышленной автоматизации, и не рассматриваются встроенные серводвигатели для сервисных роботов.
Промышленные роботы в целом подразделяются на линейных роботов (также известных как декартовы роботы), роботов с несколькими-степенью--свободы (также известных как много-суставные роботы), параллельных роботов (также известных как дельта-роботы) и горизонтальных много-суставных роботов (также известных как роботы SCARA). «Ячейка автоматизации» состоит из различных типов шарнирных роботов и автоматизированного конвейерного оборудования. Ячейки автоматизации с различными функциями объединяются в автоматизированную производственную линию, а несколько автоматизированных производственных линий объединяются в автоматизированный цех.
Среди этих промышленных роботов и автоматизированных устройств серводвигатели играют решающую роль в точном, быстром и надежном позиционировании механических конструкций в соответствии с командами управления; поэтому они считаются основными компонентами.
Основные понятия о серводвигателях с постоянными магнитами
«Сервопривод» означает способность без отклонений выполнять команды управляющей компьютерной системы. Эта концепция не ограничивается электродвигателями или гидравликой; оно также охватывает пневматические системы, и любой компонент, способный выполнять эту задачу, считается сервокомпонентом.
Электродвигатель – это электромеханический компонент, преобразующий электрическую энергию в механическую. Серводвигатель – это электродвигатель, предназначенный для использования в системах управления движением, где его выходные параметры,-такие как положение, скорость, ускорение или крутящий момент-, можно контролировать.
Серводвигатели можно разделить на различные типы в зависимости от их характеристик управления. По типу питания они делятся на серводвигатели переменного тока и серводвигатели постоянного тока; По режиму работы они подразделяются на линейные серводвигатели и ротационные серводвигатели. Линейные двигатели непосредственно генерируют силу Ньютона, а роторные двигатели выдают крутящий момент. Для управления линейными нагрузками роторным двигателям требуются механические механизмы, такие как ходовые винты, для преобразования вращательного движения в линейное.
Роторные серводвигатели переменного тока подразделяются на асинхронные серводвигатели переменного тока и синхронные серводвигатели переменного тока в зависимости от конструкции ротора. Ротор асинхронного серводвигателя переменного тока состоит из алюминиевой или медной клетки, и скорость вращения клетки всегда поддерживает определенную разницу скоростей относительно синхронного вращающегося магнитного поля. Благодаря технологии векторного управления этот тип двигателя может обеспечить такие же точные характеристики управления крутящим моментом, как и двигатели постоянного тока. Однако ротор обладает высокой инерцией, хорошими характеристиками постоянной-мощности и широким диапазоном скоростей, что делает его пригодным для широкого спектра переменных-инерционных нагрузок, таких как намотка/размотка станков для резки и печатных машин. Недостатками являются низкий пусковой момент, а скорость электромагнитного отклика уступает скорости серводвигателей с постоянными магнитами. Электромагнитная постоянная времени примерно в 10 раз больше, чем у двигателей с постоянными магнитами, изготовленных из материалов с постоянными магнитами. Кроме того, из-за низкой удельной мощности и больших размеров ротора они не подходят для высокодинамичных сервоприводов.
В роторных синхронных серводвигателях переменного тока для роторов используются материалы с постоянными магнитами, которые непосредственно генерируют магнитное поле возбуждения. Нет необходимости в токе возбуждения для создания магнитного поля двигателя, что приводит к быстрому электромагнитному отклику. Кроме того, высокая плотность энергии современных редкоземельных материалов с постоянными магнитами обеспечивает высокую плотность мощности в этих двигателях, открывая возможности для разработки серводвигателей с различными эксплуатационными характеристиками. Высокая динамическая реакция может быть достигнута за счет тонкой конструкции с низкой инерцией ротора или компактной, прочной конструкции с высокой инерцией ротора. Использование редкоземельных-материалов с постоянными магнитами сделало двигатели с постоянными магнитами предпочтительным выбором для сервоприводов. Однако редкоземельные-постоянные магниты остаются самым дорогим компонентом среди всех материалов, используемых в серводвигателях. Различия в материалах, используемых разными производителями, приводят к разному уровню качества продукции. Высококачественные-материалы с постоянными магнитами могут не размагничиваться даже при рабочей температуре выше 150 градусов, тогда как материалы низкого качества могут размагничиваться, когда рабочая температура двигателя ниже 120 градусов. Качество материалов постоянных магнитов напрямую определяет различные характеристики серводвигателя.
Линейные серводвигатели напрямую выдают ньютон-метры силы, не требуя механического преобразования, что обеспечивает очень высокое ускорение. В последние годы быстрый технологический прогресс привел к их широкому использованию в осях подачи высокопроизводительных станков. Однако в промышленных роботах их применение ограничено определенными линейными роботизированными манипуляторами и не является предметом данной статьи. В этой статье основное внимание уделяется вращающимся серводвигателям с постоянными магнитами и их применению в промышленных роботах.
Структура вращающегося двигателя с постоянными магнитами
На рисунке 1 показана типичная структурная схема серводвигателя с постоянными магнитами. Эта единственная схема призвана дать полный обзор и наглядно проиллюстрировать всю структуру серводвигателя с постоянными магнитами. Фактически, серводвигатели с постоянными магнитами малой-мощности мощностью 15 кВт или менее могут полагаться на естественную конвекцию для охлаждения, что устраняет необходимость в охлаждающем вентиляторе. Эти двигатели компактны и не требуют монтажных ножек; установочные кольца также не нужны. Замена клеммной коробки авиационным разъемом для подводящих проводов обеспечивает более чистую конструкцию. В результате внешний вид двигателя становится таким, как показано на рисунке 2(а). Если двигатель очень маленький,-мощностью менее 1 кВт-даже авиационные разъемы для подводящих проводов не нужны; вместо этого кабель можно удлинить непосредственно от двигателя, что приведет к конфигурации, показанной на рисунке 2 (b).
Рисунок 1. Принципиальная схема серводвигателя с постоянными магнитами.
Рис. 2. Принципиальная схема серводвигателя малой-мощности с постоянными магнитами.
В этом разделе предполагается, что читатель понимает принципы работы электродвигателей и сосредоточен исключительно на объяснении структурных различий между серводвигателями с постоянными магнитами и другими типами двигателей на основе характеристик двигателей роботов.
Подшипники. Срок службы серводвигателя тесно связан с его подшипниками. Учитывая высокие требования к надежности и долговечности роботов, подшипники должны обеспечивать срок службы не менее 30 000 часов. При 8-часовом рабочем дне это означает, что срок службы робота составит не менее 10 лет. Подшипники должны быть способны работать в прерывистом режиме при частоте вращения 6000 об/мин.
Пластины и обмотки статора. Поскольку двигатели роботов требуют высокой удельной мощности, а также для минимизации размеров и снижения тепловыделения в железе, материал пластин должен представлять собой холоднокатаную кремниевую сталь толщиной 0,35 мм или меньше. Обмотки должны выдерживать длительное-воздействие импульсов переменной несущей частоты 16 кГц-. Для предотвращения пробоя и выдерживания интенсивных скачков напряжения du/dt номинальное напряжение должно быть не менее 2500 В.
Материал постоянного магнита ротора. Материал постоянного магнита является самым дорогим компонентом серводвигателя с постоянными магнитами. Материалы с низким содержанием редкоземельных элементов имеют низкую точку Кюри и плохую стабильность материала. Если используются неодимовые-железо-борные магниты (NdFeB), желательно, чтобы они были марки UH42 или выше. Дополнительно необходимо обратить внимание на содержание редкоземельных элементов, таких как диспрозий. Чтобы обеспечить высокую-стойкость к размагничиванию при высоких температурах, самариевые-кобальтовые (SmCo) магниты также широко используются в серводвигателях малых и средних-размеров. Таким образом, очень важно обеспечить, чтобы серводвигатель оставался действительно устойчивым к размагничиванию-в нормальных условиях эксплуатации. В противном случае долгосрочная-стабильность робота не может быть гарантирована.
Уплотнения вала. Чтобы предотвратить попадание масла и мусора в двигатель и обеспечить плавную работу, установка уплотнения вала на конце вала двигателя является стандартной практикой проектирования. В роботах на валу серводвигателя часто фрезеруется небольшая шестерня, чтобы соединить двигатель напрямую с редуктором. Поскольку в двигатель могут попасть высокие температуры и масло, необходимы много-кромочные жаропрочные-уплотнения вала. Например, двухкромочное уплотнение вала из фторуглеродной резины с двумя-кромками более надежно, чем уплотнение вала с одной-кромкой из нитрильной резины, хотя разница в стоимости значительна.
Тормоз: Тормоз является стандартной функцией двигателей роботов. Почти 95% серводвигателей требуют тормоза. Чтобы тормоз всегда срабатывал,-особенно во время аварийной остановки-, он должен работать надежно. Тормоз должен иметь достаточный запас прочности: статический крутящий момент примерно в 1,5 раза превышает номинальный крутящий момент двигателя. Для тяжелых-двигателей роботов коэффициент запаса прочности тормоза должен достигать 2,0 или даже 2,5-кратного номинального крутящего момента. Важно отметить, что тормоз двигателя робота является предохранительным, а не рабочим. Система управления должна обеспечивать, чтобы при аварийной остановке тормозная цепь сервопривода активировалась через тормозной резистор и тормоз включался при приближении скорости двигателя к нулю. По скорости срабатывания тормоза с постоянными магнитами превосходят электромагнитные пружинные тормоза.
Энкодер: Энкодер установлен на задней части двигателя и действует как датчик скорости двигателя и положения ротора. Он измеряет положение ротора, чтобы предоставить управляющему компьютеру данные о фактическом положении и скорости ротора для сервоуправления, позиционирования магнитного поля и расчета траектории движения. Хотя энкодеры двигателей роботов обычно не обеспечивают высокой точности, они должны поддерживать многооборотное измерение абсолютного положения, чтобы гарантировать, что двигатель может возобновить работу из положения, в котором он находился до сбоя питания. В настоящее время существует три распространенных подхода к удовлетворению требований к энкодерам двигателей роботов. В первом методе используется оптический или магнитный энкодер с кодом Грея для однооборотных измерений и механические редукторы для многооборотных измерений. Преимуществом этого подхода является высокая точность измерений; после отключения питания рабочее положение двигателя сохраняется через механическое положение энкодера и может быть считано непосредственно при-включении питания. Однако недостатком является то, что энкодер слишком толстый, что делает его слишком длинным для ограниченного пространства для установки. Второй метод использует оптический или магнитный кодировщик кода Грея для хранения однооборотных данных, а многооборотные данные сохраняются через электронную память-с питанием от батареи. Это позволяет сделать энкодер очень коротким, что делает его идеальным для небольших серводвигателей с внешним диаметром менее 60 мм. Недостаток заключается в том, что срок службы батареи относительно невелик,-обычно не более 2–3 лет, а в некоторых случаях батарею необходимо заменять всего через год. В третьем методе используется вращающийся трансформатор для измерения положения одного-витка в приложениях с низкими требованиями к точности, тогда как информация о много-витках обрабатывается печатной платой-с питанием от батареи, расположенной внутри блока управления.
Выдвижение вала ротора: из-за частого движения вперед и назад двигатель подвергается поперечным нагрузкам; поэтому материалом вала предпочтительно должна быть закаленная сталь 42CrMo. Если двигатель установлен со шпонкой, шпонка должна быть полностью посажена, чтобы эффективно уменьшить динамический баланс и биение двигателя. На высоких скоростях разница в биении серводвигателя со шпонкой и голого вала при работе на холостом ходу может достигать девяти раз-, и этот фактор нельзя недооценивать.
Ключевые параметры трансмиссии серводвигателей с постоянными магнитами
Рабочая зона: Область, в которой двигатель может работать непрерывно, не превышая допустимого повышения температуры, называется зоной непрерывной работы; область за пределами зоны непрерывной работы, где разрешена кратковременная-работа, называется зоной прерывистой работы. Рабочая зона представлена двумерной координатной плоскостью крутящего момента и скорости.
Номинальная мощность PN: максимальная мощность, которую двигатель может выдавать в зоне непрерывной работы.
Номинальный крутящий момент MN: Крутящий момент, при котором двигатель развивает номинальную мощность в зоне непрерывной работы. Определения номинального крутящего момента значительно различаются у разных производителей. Обычно указываются соответствующие условия отвода тепла. На международном уровне принято указывать, что этот номинал измеряется при установке двигателя на алюминиевый фланец определенной площади и толщины, при этом температура фланца поддерживается на уровне 20 градусов или ниже указанной температуры. Поэтому в реальной эксплуатации двигатели часто монтируются на чугунных компонентах, а летние температуры могут превышать норматив испытаний. Если во время работы не допускается запас, это может привести к перегреву и размагничиванию. Стандартное условие температуры окружающей среды 40 градусов, указанное китайским национальным стандартом, является относительно приемлемым для китайской окружающей среды. Авторитетные производители при публикации номинального крутящего момента включают определенный расчетный запас ниже номинальных значений, определенных в соответствии со стандартом, что является более безопасным.
Номинальный ток IN: ток, соответствующий номинальному крутящему моменту.
Номинальная скорость nN: максимальная скорость, при которой двигатель может работать с номинальным крутящим моментом в непрерывном рабочем цикле.
Непрерывная блокировка-Момент ротора MO: максимальный крутящий момент, который двигатель может развивать при блокировке в непрерывном рабочем цикле. Обычно считается, что скорость ниже 100 об/мин попадает в рабочий диапазон заблокированного-ротора.
Непрерывный ток заблокированного-ротора I0: ток, соответствующий постоянному вращающему моменту заблокированного-ротора.
Пиковый крутящий момент Mmax: Максимальный крутящий момент, который может развивать двигатель. Номинальные условия значительно различаются у разных производителей. Некоторые указывают крутящий момент, соответствующий току размагничивания; такие характеристики не следует использовать в качестве пикового крутящего момента. Конструкторы-механики должны предусмотреть достаточный запас для предотвращения размагничивания и выхода двигателя из строя из-за чрезмерного рабочего крутящего момента. Если максимальный крутящий момент указан в соответствии с рабочим циклом, он имеет инженерное эталонное значение. Пиковый крутящий момент, указанный в соответствии с S3-10%, имеет наибольшее инженерно-техническое значение; его можно понимать как максимальный рабочий крутящий момент, разрешенный для непрерывной работы в течение 3 секунд, что достаточно для роботов. Повторяющаяся перегрузка для многосуставных роботов обычно составляет около 2,0 раз.
Пиковый ток Imax: Рабочий ток, соответствующий пиковому крутящему моменту.
Электрическая постоянная времени Te: характеристическая константа, представляющая скорость, с которой ток реагирует на приложенное напряжение. Оно определяется как время, необходимое для того, чтобы ток достиг 1 - e^(-1) (приблизительно 63,2%) конечного тока после подачи фиксированного напряжения на клеммы двигателя. Электрическая постоянная времени серводвигателя обычно определяется как отношение индуктивности обмотки статора к ее сопротивлению (Te=L/R). Оно связано с текущим временем отклика сервосистемы, но не обязательно эквивалентно ему.
Механическая постоянная времени Tm: Механическая постоянная времени серводвигателя определяется как: tm=R*J/Ke*Kt, т. е. она связана с сопротивлением обмотки, моментом инерции ротора, коэффициентом противо-ЭДС двигателя и коэффициентом крутящего момента двигателя. Механическая постоянная времени приводного двигателя примерно эквивалентна времени, необходимому двигателю для разгона от нулевой скорости до 63,2 % от его установившейся скорости в-состоянии в условиях холостого хода. В сервосистеме эта константа может быть численно эквивалентна времени реакции-контура скорости системы на переходной этап.
Постоянная обратная-ЭДС Ke: значение обратной-ЭДС без-нагрузки-, индуцируемой двигателем при единичной скорости. Обычно это относится к -обратной ЭДС-ЭДС холостого хода, соответствующей 1000 об/мин, в единицах В/об/мин.
Постоянная крутящего момента Kt: выходной крутящий момент двигателя, соответствующий единичному току. Соотношение между коэффициентом противо-ЭДС двигателя Ke и коэффициентом крутящего момента Kt обычно определяется выражением Kt=9.55 * Ke * 1,732, где Kt — в Нм/А, Ke — в В/об/мин, а Ke=Kt. Здесь Ke относится к обратной-ЭДС линии.
Если в характеристиках двигателя не указаны параметры Kt и Ke, Kt можно определить на основе номинального крутящего момента и номинального тока. Затем, используя соотношение Kt=9.55 * Ke * 1,732, коэффициент обратной -ЭДС Ke можно косвенно получить следующим образом: Ke=0.1047 * Kt / 1,732, с единицами измерения В/об/мин; Альтернативно: Ke=104.7 × Kt / 1,732, с единицами измерения В/об/мин или мВ/об/мин.
Из-за ограничений напряжения источника питания обратная ЭДС двигателя обычно проектируется так, чтобы быть относительно низкой, чтобы обеспечить высокую отзывчивость и гарантировать достаточное падение напряжения на высоких скоростях для получения достаточного тока. Однако большой ток увеличивает тепловую нагрузку двигателя. Следовательно, двигатели роботов требуют высокой удельной мощности для достижения компактных размеров, высокого крутящего момента и низкого тепловыделения.
Момент инерции ротора J: момент инерции ротора двигателя. Момент инерции двигателя робота имеет решающее значение, так как он напрямую влияет на стабильность работы робота. Это связано с тем, что роботы часто требуют много-координации. Например, вторая ось шарнирного робота требует двигателя со значительной инерцией, чтобы компенсировать существенные изменения инерции нагрузки, которые происходят, когда рука выдвигается и втягивается.
Крутящий момент зубца-паза: когда обмотки двигателя с постоянными магнитами разомкнуты-замкнуты, в течение одного оборота двигателя создается периодический крутящий момент из-за пазов в сердечнике якоря, которые имеют тенденцию совпадать с положениями минимального магнитного сопротивления.
Перегрузочная способность: Способность двигателя обеспечивать заданную мощность или крутящий момент в течение определенного периода в определенных условиях без превышения указанного пикового тока. Обычно отношение пикового тока к номинальному току называют коэффициентом перегрузки по току, а отношение пикового крутящего момента к номинальному крутящему моменту называют коэффициентом перегрузки по крутящему моменту. Как правило, двигатели роботов должны обеспечивать перегрузку по крутящему моменту примерно в 3 раза.
Максимальная скорость nN: максимальная скорость, которую может достичь двигатель в прерывистом режиме. Определения максимальной скорости значительно различаются среди производителей двигателей; для двигателей роботов указанное значение обычно представляет собой максимальную скорость, при которой возможна повторяемая работа во время фактического использования. На максимальной скорости соответствующий максимальный крутящий момент может в два раза превышать номинальный крутящий момент, обеспечивая реакцию ускорения во всем диапазоне скоростей.