Begreppet robotar är redan mycket brett. Den här artikeln fokuserar på servomotorer för robotförband som används inom industriautomationssektorn och omfattar inte integrerade servomotorer för servicerobotar.
Industrirobotar klassificeras allmänt i linjära robotar (även känd som kartesiska robotar), multi-degree-}of-freedom-robotar (även känd som multi-joint-robotar), parallella robotar (även kända som Delta-robotar) och horisontella multi-joint-robotar (även kända som SCARA-robotar). En "automationscell" består av olika typer av ledade robotarmar och automatiserad transportutrustning. Automationsceller med olika funktioner är länkade till en automatiserad produktionslinje, och flera automatiserade produktionslinjer kombineras för att skapa en automatiserad verkstad.
Bland dessa industrirobotar och automatiserade enheter spelar servomotorer en avgörande roll för att exakt, snabbt och tillförlitligt positionera mekaniska strukturer enligt kontrollkommandon; därför anses de vara kärnkomponenter.
Grundläggande koncept för servomotorer med permanent magnet
"Servo" avser möjligheten att utföra kommandon från ett styrdatorsystem utan avvikelse. Detta koncept är inte begränsat till elmotorer eller hydraulik; den omfattar också pneumatiska system, och varje komponent som kan utföra denna uppgift anses vara en servokomponent.
En elmotor är en elektromekanisk komponent som omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi. En servomotor är en elektrisk motor designad för användning i rörelsekontrollsystem, där dess utgående parametrar-som position, hastighet, acceleration eller vridmoment-är styrbara.
Servomotorer kan klassificeras i olika typer baserat på deras styrspecifikationer. Efter strömförsörjningstyp är de uppdelade i AC-servomotorer och DC-servomotorer; efter driftläge, delas de in i linjära servomotorer och roterande servomotorer. Linjära motorer genererar direkt newtonsk kraft, medan roterande motorer matar ut roterande vridmoment. För att driva linjära laster kräver roterande motorer mekaniska mekanismer såsom ledarskruvar för att omvandla rotationsrörelse till linjär rörelse.
Roterande AC servomotorer klassificeras i AC asynkrona servomotorer och AC synkrona servomotorer baserade på rotorstruktur. Rotorn på en AC asynkron servomotor består av en aluminium- eller kopparbur, och burens rotationshastighet håller alltid en viss hastighetsskillnad i förhållande till det synkront roterande magnetfältet. Med vektorstyrningsteknik kan denna typ av motor uppnå vridmomentstyrningsegenskaper lika exakta som DC-motorer. Rotorn har dock hög tröghet, goda konstanta-effektegenskaper och ett brett varvtalsområde, vilket gör den lämplig för ett brett spektrum av varierande-tröghetsbelastningar såsom verktygsmaskiner och applikationer för lindning/avlindning av tryckmaskiner. Nackdelarna är lågt startvridmoment och deras elektromagnetiska svarshastighet är sämre än permanentmagnetservomotorer. Den elektromagnetiska tidskonstanten är ungefär 10 gånger den för permanentmagnetmotorer gjorda av permanentmagnetmaterial. Dessutom, på grund av låg effekttäthet och stora rotordimensioner, är de inte lämpliga för hög-dynamiska servoapplikationer.
Roterande AC synkrona servomotorer använder permanentmagnetmaterial för sina rotorer, som direkt genererar excitationsmagnetfältet. Det finns inget behov av en excitationsström för att etablera motorns magnetfält, vilket resulterar i en snabb elektromagnetisk respons. Dessutom möjliggör den höga energitätheten hos nuvarande sällsynta-jordarts permanentmagnetmaterial hög effekttäthet i dessa motorer, vilket öppnar upp möjligheter för att designa servomotorer med olika prestandaegenskaper. Hög dynamisk respons kan uppnås genom en smal design med låg rotortröghet eller en kompakt, robust design med hög rotortröghet. Användningen av sällsynta-jordiska permanentmagnetmaterial har etablerat permanentmagnetmotorer som det föredragna valet för servoapplikationer. Men sällsynta-permanentmagnetmaterial förblir den dyraste komponenten bland alla material som används i servomotorer. Skillnader i material som används av olika tillverkare resulterar i olika nivåer av produktkvalitet. Permanentmagnetmaterial av{10}}kvalitet kanske inte avmagnetiserar ens vid driftstemperaturer över 150 grader, medan sämre material kan avmagnetisera när motorns driftstemperatur är under 120 grader. Kvaliteten på permanentmagnetmaterialen bestämmer direkt de olika egenskaperna hos servomotorn.
Linjära servomotorer matar direkt ut Newton-meter kraft utan att kräva mekanisk omvandling, vilket möjliggör mycket hög acceleration. Under de senaste åren har snabba tekniska framsteg lett till att de används i stor utsträckning i matningsaxlarna för högpresterande verktygsmaskiner. I industrirobotar är deras tillämpning dock begränsad till vissa linjära robotarmar och är inte i fokus för denna artikel. Den här artikeln fokuserar på roterande permanentmagnetservomotorer och deras tillämpningar i industrirobotar.
Struktur för en roterande permanentmagnetmotor
Figur 1 visar ett typiskt strukturdiagram för en servomotor med permanentmagnet. För att ge en heltäckande översikt är detta enda diagram avsett att tydligt illustrera hela strukturen hos en servomotor med permanentmagnet. Faktum är att låg-permanentmagnetservomotorer med en kapacitet på 15 kW eller mindre kan förlita sig på naturlig konvektion för kylning, vilket eliminerar behovet av en kylfläkt. Dessa motorer är kompakta och kräver inga monteringsfötter; installationsringar är också onödiga. Att byta ut anslutningslådan mot en flygkontakt för ledningarna resulterar i en renare design. Följaktligen blir motorns utseende som visas i figur 2(a). Om motorn är mycket liten-under 1 kW-är till och med flygkontakterna för ledningarna onödiga; istället kan en kabel dras ut direkt från motorn, vilket resulterar i den konfiguration som visas i figur 2(b).
Figur 1: Schematisk bild av en servomotor med permanentmagnet
Figur 2: Schematiskt diagram över en permanentmagnetservomotor med låg-effekt
Det här avsnittet förutsätter att läsaren förstår principerna för elmotorer och fokuserar enbart på att förklara de strukturella skillnaderna mellan permanentmagnetservomotorer och andra typer av motorer baserat på robotmotorernas egenskaper.
Lager: Livslängden för en servomotor är nära kopplad till dess lager. Med tanke på robotarnas höga krav på tillförlitlighet och hållbarhet måste lagren säkerställa en livslängd på minst 30 000 timmar. Baserat på en 8-timmars arbetsdag innebär detta en robotlivslängd på minst 10 år. Lagren måste kunna fungera intermittent vid 6 000 rpm.
Statorlamineringar och lindningar: Eftersom robotmotorer kräver hög effekttäthet och för att minimera storleken och minska värmeutvecklingen för järnförlust, måste lamineringsmaterialet vara kallvalsat kiselstål med en tjocklek på 0,35 mm eller mindre. Lindningarna måste tåla lång-exponering för 16 kHz variabla-frekvensbärarpulser. För att förhindra haveri och motstå intensiva dv/dt-stötningar, måste spänningshållfastheten inte vara mindre än 2 500 V.
Rotor Permanent Magnet Material: Permanentmagnetmaterialet är den dyraste komponenten i en permanentmagnet servomotor. Material med lågt innehåll av sällsynta jordartsmetaller har en låg Curie-punkt och dålig materialstabilitet. Om neodym-järn-bor (NdFeB)-magneter används ska de helst vara av UH42-grad eller högre. Dessutom måste uppmärksamhet ägnas åt innehållet av sällsynta jordartsmetaller såsom dysprosium. För att säkerställa hög-temperaturavmagnetiseringsmotstånd används samarium-kobolt (SmCo)-magneter också i stor utsträckning i små och medelstora-servomotorer. Sammanfattningsvis är det viktigt att se till att servomotorn förblir verkligt avmagnetiserings{11}}beständig under normala driftsförhållanden. Annars kan robotens långsiktiga stabilitet- inte garanteras.
Axeltätningar: För att förhindra att olja och skräp kommer in i motorn samtidigt som den säkerställer smidig drift, är installation av en axeltätning vid motoraxeländen en standardpraxis. I robotar är ofta ett litet kugghjul fräst på servomotoraxeln för att ansluta motorn direkt till reduceringen. Eftersom höga temperaturer och olja kan tränga in i motorn krävs axeltätningar med flera-läppar och hög-temperatur. Till exempel är en axeltätning av fluorkarbongummi med dubbel-läpp mer pålitlig än en axeltätning av nitrilgummi med enkel-läpp, även om kostnadsskillnaden är betydande.
Broms: En broms är en standardfunktion för robotmotorer. Nästan 95 % av servomotorerna kräver en broms. För att säkerställa att bromsen aktiveras hela tiden-särskilt under nödstopp-måste den fungera tillförlitligt. Bromsen måste ha en tillräcklig säkerhetsfaktor, med ett statiskt vridmoment på cirka 1,5 gånger motorns nominella vridmoment. För tunga-robotmotorer bör säkerhetsfaktorn för bromsen nå 2,0 eller till och med 2,5 gånger det nominella vridmomentet. Det är viktigt att notera att bromsen på en robotmotor är en säkerhetsbroms, inte en färdbroms. Styrsystemet ska säkerställa att servodrivningens bromskrets vid ett nödstopp aktiveras via ett bromsmotstånd och att bromsen kopplas in när motorvarvtalet närmar sig noll. För att förbättra svarshastigheten är permanentmagnetbromsar överlägsna elektromagnetiska fjäderbromsar.
Givare: Givaren är monterad i motorns bakre ände och fungerar som en sensor för motorvarvtal och rotorposition. Den mäter rotorns position för att förse styrdatorn med data om rotorns faktiska position och hastighet för servostyrning, magnetfältspositionering och beräkning av rörelsebana. Även om robotmotorkodare i allmänhet inte erbjuder hög precision, måste de stödja multi-varvs absolut positionsmätning för att säkerställa att motorn kan återuppta driften från det läge den var i före ett strömavbrott. För närvarande finns det tre vanliga tillvägagångssätt för att hantera krav på robotmotorkodare. Den första metoden använder en optisk eller magnetisk gråkodskodare för enkel-varvsmätning och mekaniska växlar för fler-varvsmätning. Fördelen med detta tillvägagångssätt är hög mätnoggrannhet; efter ett strömavbrott bibehålls motorns driftläge via pulsgivarens mekaniska läge och kan avläsas direkt vid uppstart-. Nackdelen är dock att givaren är för tjock, vilket gör den för lång för begränsade installationsutrymmen. Den andra metoden använder en optisk eller magnetisk Gray-kodkodare för att lagra enstaka-varvsdata, medan fler-varvsdata lagras via ett batteridrivet-elektroniskt minne. Detta gör att pulsgivaren kan göras mycket kort, vilket gör den idealisk för små servomotorer med en ytterdiameter på mindre än 60 mm. Nackdelen är att batteritiden är relativt kort-vanligtvis högst 2–3 år, och i vissa fall behöver batteriet bytas ut efter bara ett år. Den tredje metoden använder en roterande transformator för att mäta positionen för en-varv för applikationer med låga precisionskrav, medan information om flera-varv hanteras av ett batteridrivet-kretskort inuti kontrollboxen.
Rotoraxelförlängning: På grund av frekvent körning framåt och bakåt utsätts motorn för skjuvkrafter; därför ska axelmaterialet helst vara 42CrMo härdat stål. Om motorn är installerad med en nyckel måste nyckeln sitta helt på plats för att effektivt minska motorns dynamiska balans och utlopp. Vid höga hastigheter kan utloppsskillnaden mellan en kilförsedd servomotor och en bar axel under tomgångsdrift vara så mycket som nio gånger större-en faktor som inte bör underskattas.
Nyckeltransmissionsparametrar för servomotorer med permanent magnet
Driftszon: Området där motorn kan arbeta kontinuerligt utan att överskrida den tillåtna temperaturökningen kallas den kontinuerliga driftzonen; regionen utanför den kontinuerliga driftzonen där kort-drift är tillåten kallas intermittent driftzon. Driftszonen representeras av ett två- koordinatplan för vridmoment och hastighet.
Nominell effekt PN: Den maximala effekt som motorn kan avge inom den kontinuerliga driftzonen.
Nominellt vridmoment MN: Det vridmoment med vilket motorn levererar sin märkeffekt inom den kontinuerliga driftzonen. Definitioner av nominellt vridmoment varierar avsevärt mellan tillverkare. Motsvarande värmeavledningsförhållanden specificeras i allmänhet. Internationellt är det vanlig praxis att specificera att denna klassificering mäts med motorn monterad på en aluminiumfläns med en definierad area och tjocklek, med flänstemperaturen hållen vid 20 grader eller under en specificerad temperatur. Därför, i verklig drift, är motorer ofta monterade på gjutjärnskomponenter, och sommartemperaturerna kan överstiga teststandarden. Om ingen marginal tillåts under drift kan detta leda till överhettning och avmagnetisering. Standardtillståndet på 40 graders omgivningstemperatur som anges av den kinesiska nationella standarden är relativt rimligt för den kinesiska miljön. Ansedda tillverkare kommer att inkludera en viss designmarginal under de nominella värdena som bestäms enligt standarden när de publicerar det nominella vridmomentet, vilket är säkrare.
Märkström IN: Den ström som motsvarar det nominella vridmomentet.
Nominellt varvtal nN: Den maximala hastighet vid vilken motorn tillåts arbeta under nominellt vridmoment inom den kontinuerliga arbetscykeln.
Kontinuerligt låst-Rotormoment MO: Det maximala vridmoment som motorn kan leverera när den är låst i den kontinuerliga driftcykeln. Generellt anses hastigheter under 100 rpm falla inom det låsta -rotorns arbetsområde.
Continuous Locked-Rotor Current I0: Strömmen som motsvarar det kontinuerligt låsta-rotormomentet.
Peak Torque Mmax: Det maximala vridmoment som motorn tillåts avge. De nominella förhållandena varierar avsevärt mellan olika tillverkare. Vissa anger det vridmoment som motsvarar avmagnetiseringsströmmen; sådana specifikationer bör inte användas som toppvridmoment. Mekaniska konstruktörer måste tillåta tillräcklig marginal för att förhindra att motorn avmagnetiseras och går sönder på grund av för högt arbetsmoment. Om det maximala vridmomentet är specificerat enligt arbetscykeln har det ett tekniskt referensvärde. Det högsta vridmomentet som anges enligt S3-10 % har det högsta tekniska referensvärdet; det kan förstås som det maximala driftvridmomentet som tillåts för en kontinuerlig drifttid på 3 sekunder, vilket är tillräckligt för robotar. Den upprepade överbelastningen för flerledsrobotar är i allmänhet cirka 2,0 gånger.
Toppström Imax: Driftström som motsvarar toppvridmomentet.
Elektrisk tidskonstant Te: En karakteristisk konstant som representerar den hastighet med vilken ström svarar på en pålagd spänning. Den definieras som den tid som krävs för att strömmen ska nå 1 - e^(-1) (ungefär 63,2 %) av slutströmmen efter att en fast spänning lagts på över motorklämmorna. Den elektriska tidskonstanten för en servomotor anges vanligtvis som förhållandet mellan statorlindningens induktans och dess resistans (Te=L/R). Den är relaterad till den aktuella stegsvarstiden för servosystemet men är inte nödvändigtvis likvärdig med den.
Mekanisk tidskonstant Tm: Den mekaniska tidskonstanten för en servomotor definieras som: tm=R*J/Ke*Kt, dvs den är relaterad till lindningsmotståndet, rotorns tröghetsmoment, motorns tillbaka-EMF-koefficient och motorns vridmomentkoefficient. Den mekaniska tidskonstanten för en drivmotor är ungefär ekvivalent med den tid som krävs för motorn att accelerera från nollhastighet till 63,2 % av dess konstanta-hastighet under tomgång-. I ett servosystem kan denna konstant vara numeriskt ekvivalent med systemets hastighets-slingstegs svarstid.
Bakåt-EMF-konstant Ke: EMF-värdet utan-återbelastning- som induceras av motorn vid en enhetshastighet. Det hänvisar vanligtvis till ingen-återladdning-EMF motsvarande 1000 rpm, med enheter av V/krpm.
Momentkonstant Kt: Motorns utgående vridmoment motsvarande en enhetsström. Förhållandet mellan motorns baksida-EMF-koefficient Ke och vridmomentkoefficienten Kt ges i allmänhet av Kt=9.55 * Ke * 1,732, där Kt är i Nm/A, Ke är i V/rpm och Ke=Kt. Här syftar Ke på raden tillbaka-EMF.
Om motorspecifikationerna inte tillhandahåller Kt- och Ke-parametrar, kan Kt härledas från märkmomentet och märkströmmen. Sedan, med hjälp av förhållandet Kt=9.55 * Ke * 1,732, kan linjen tillbaka-EMF-koefficient Ke indirekt härledas enligt följande: Ke=0.1047 * Kt / 1,732, med enheter av V/rpm; Alternativt: Ke=104.7 × Kt / 1,732, med enheter av V/krpm eller mV/rpm.
På grund av strömförsörjningsspänningsbegränsningar är motorns bakre EMF typiskt utformad för att vara relativt låg för att säkerställa hög känslighet, vilket garanterar tillräckligt spänningsfall vid höga hastigheter för att erhålla tillräcklig ström. Hög ström ökar dock motorns termiska belastning. Följaktligen kräver robotmotorer en hög effekttäthet för att uppnå kompakt storlek, högt vridmoment och låg värmealstring.
Rotorns tröghetsmoment J: Tröghetsmomentet för motorrotorn. Tröghetsmomentet för en robotmotor är kritiskt, eftersom det direkt påverkar stabiliteten i robotens drift. Detta beror på att robotar ofta involverar koordinering med flera axlar. Till exempel kräver den andra axeln hos en ledad robot en motor med betydande tröghet för att ta emot de väsentliga förändringarna i lasttröghet som uppstår när armen sträcker sig och dras tillbaka.
Tand-slitsmoment: När lindningarna på en permanentmagnetmotor är öppna-kretsar genereras ett periodiskt vridmoment under ett varv av motorn på grund av slitsarna i ankarkärnan, som tenderar att vara i linje med positioner med minimalt magnetiskt motstånd.
Överbelastningskapacitet: Förmågan hos en motor att leverera en specificerad effekt eller vridmoment under en definierad period under specificerade förhållanden utan att överskrida den specificerade toppströmmen. Typiskt hänvisas till förhållandet mellan toppström och märkström som strömöverbelastningsfaktorn, medan förhållandet mellan toppvridmoment och märkström hänvisas till som vridmomentöverbelastningsfaktor. Generellt sett måste robotmotorer säkerställa en vridmomentöverbelastningskapacitet på cirka 3 gånger.
Maximal hastighet nN: Den högsta hastighet som motorn kan uppnå under intermittent drift. Definitioner av maximal hastighet varierar avsevärt mellan motortillverkare; för robotmotorer representerar det angivna värdet vanligtvis den högsta hastighet med vilken repeterbar drift är möjlig under faktisk användning. Vid maximal hastighet kan motsvarande maximala vridmoment överstiga två gånger det nominella vridmomentet, vilket säkerställer accelerationssvar över hela hastighetsområdet.