Расчет двигателя и приводной системы

Правильный размер является важным аспектом выбора двигателя. . Если двигатель слишком мал, он не сможет управлять нагрузкой, что приведет к перерегулированию и звону.

Завышение размера системы так же плохо, как и занижение:оно может контролировать нагрузку, но оно также будет больше и тяжелее, а также дороже с точки зрения цены и стоимости операций. Это может не подойти физически, и это, безусловно, будет стоить дороже. Это займет больше ценного места в шкафу управления или в цехе.

На что обратить внимание при покупке мотора?

Слишком часто продавцам просто звонят и просят двигатель определенной мощности. Инженер может покупать двигатель того же размера, что и у предыдущей платформы. Возможно, они добавили изрядный запас прочности, чтобы компенсировать изменения. Возможно, они использовали соотношение нагрузки и инерции 10:1 или 5:1 к инерции двигателя или какое-то их сочетание.

Цель должна состоять в том, чтобы определить двигатель, который обеспечивает скорость, ускорение и крутящий момент, необходимые для позиционирования нагрузки в указанном месте и в желаемое время. Он может включать в себя запас прочности, предназначенный для компенсации разницы между двигателями и двумя двигателями или ожидаемых изменений в рабочем состоянии машины. Однако запас прочности следует добавить к обоснованному расчету.

Распространенной ошибкой является выбор двигателя с постоянным крутящим моментом, равным максимальному крутящему моменту, требуемому приложением (обычно наблюдается при экстремальных ускорениях/торможениях). ). Приложения для управления движением часто состоят из коротких, быстрых движений. Выбрать двигатель, рассчитанный на непрерывное создание этого крутящего момента, означает, по сути, платить за больший двигатель, чем необходимо.

Размеры мотор-привода

Для эффективного расчета двигателя необходимо рассчитать инерцию нагрузки (JL). Отношение инерции нагрузки к инерции двигателя (фактически, инерция ротора ) показывает, насколько эффективно двигатель может управлять нагрузкой. Высокий коэффициент инерции указывает на то, что системе будет трудно контролировать нагрузку. Низкий коэффициент инерции (например, 4:1 или 1:1) указывает на то, что двигатель будет выполнять очень эффективную работу по управлению нагрузкой, но также показывает, что двигатель может быть слишком мощным для системы

Часто проектировщики включают фактическую нагрузку, редуктор и двигатель, но не учитывают ремни, шкивы и другие механические элементы. Они просто переходят к следующему основному размеру или используют тот же размер рамы, но с большим крутящим моментом. Вот откуда берется весь подход 10 % оверсайза.

Процесс отбора включает сбор данных с последующим подробным анализом. Это требует знания механической системы, рабочих параметров и обстоятельств, при которых будет использоваться оборудование. Он также должен включать сведения об операционной среде, поскольку, если они не будут учтены на раннем этапе, выбранная система может оказаться непригодной.

Инерция – склонность объекта сопротивляться изменениям ускорения – одна из основных проблем управления движением. . Двигатель должен иметь возможность прикладывать достаточную силу (в линейной системе) или крутящий момент (в вращательной системе), чтобы изменять ускорение груза и делать это контролируемым образом.

Основные ограничения, которые необходимо учитывать во время процедуры определения размера, можно резюмировать следующим образом:

• Пиковый крутящий момент
• среднеквадратичный крутящий момент
• Максимальная скорость
• Скоростно-крутящие характеристики двигателя

Кроме того, необходимо учитывать два режима применения:

• Заявка на постоянную работу
• Заявка на прерывистый режим работы

Разницу между этими двумя режимами применения можно проиллюстрировать на токарном станке. Привод шпинделя токарного станка предназначен для непрерывного режима работы, поскольку он работает с постоянной скоростью при постоянной нагрузке; осевые приводы работают в прерывистом режиме из-за ускорения и замедления, необходимого для следования за требуемой траекторией движения инструмента.

Скорость и моторы

Приводы роботов и станков постоянно изменяют скорость, чтобы создать требуемый профиль движения. Выбор передаточного отношения и его связь с генерируемым крутящим моментом двигателя должны быть полностью рассмотрены. Если требуется, чтобы нагрузка работала с постоянной скоростью или крутящим моментом, можно определить оптимальное передаточное число. На практике случаи, которые необходимо учитывать, включают ускорение с внешним приложенным моментом нагрузки и без него, а также эффекты переменной инерции нагрузки.

Знание требуемого диапазона скоростей нагрузки и первоначальная оценка необходимых передаточных чисел позволит оценить пиковую скорость двигателя. Чтобы двигатель не достиг требуемой скорости из-за колебаний напряжения питания, требуемая максимальная скорость должна быть увеличена в 1,2 раза. Этот фактор является удовлетворительным для большинства промышленных приложений. , но может быть усовершенствована для специального применения, например, когда система должна работать от ограниченного источника питания, что характерно для таких разнообразных приложений, как самолеты и морские нефтяные платформы.

Напряжение

Поскольку пиковая скорость двигателя зависит от напряжения питания, необходимо учитывать периоды низкого напряжения. Как правило, размер привода обычно рассчитан таким образом, чтобы он мог работать с максимальной скоростью при 80 % номинального напряжения питания. Если система питается от источника, уязвимого для перебоев или отключений электроэнергии, необходимо принять значительные меры для обеспечения защиты привода, его контроллера и нагрузки от повреждений; это особенно остро проявляется в микропроцессорных системах, которые при неправильной настройке могут блокироваться или сбрасываться без предупреждения, что может привести к катастрофической ситуации.

Там, где важна характеристика ускорения, инерция двигателя должна быть добавлена ​​к отраженной инерции нагрузки, и должен быть определен крутящий момент, необходимый для ускорения этой общей инерции с требуемой скоростью. комбинация мотор-привод потребуется максимальный крутящий момент, по крайней мере, в 1,5-2 раза превышающий это значение, чтобы обеспечить достаточный крутящий момент.

Пиковый крутящий момент комбинации мотор-привод должен превышать с безопасным запасом не менее 15 % сумму расчетного момента трения, крутящего момента ускорения и любой постоянной нагрузки крутящего момента, присутствующей во время ускорения. Если это невозможно, потребуется другой двигатель или другое передаточное число.

На высокопроизводительных машинах новейшие приводы с автоматической настройкой могут очень эффективно компенсировать резонансы и вибрацию машины, поддерживая точную работу даже на очень высоких скоростях. Электромагнитная совместимость оказывает значительное влияние на конструкцию и применение системы.

Компоненты силовой передачи

Механические требования к двигателю должны быть определены на ранней стадии определения размеров и процедуры выбора. К элементам, которые часто упускают из виду, относятся любые ограничения по размеру и ориентации, обусловленные механической конструкцией.

Если их можно определить на ранней стадии, это может предотвратить неудовлетворительную работу после установки оборудования. В частности, если двигатель установлен в вертикальном положении, могут потребоваться специальные прокладки или предварительный натяг подшипников.

При определении требований к приводу моменты трения, возможно, являются наиболее сложным аспектом процедуры определения размера двигателя. .

Подшипники

В случае вращающегося вала подшипник является наиболее широко используемым методом поддержки. Доступно множество различных типов, наиболее распространенными из которых являются роликовые и шариковые подшипники.

Коробки передач

Обычная зубчатая передача состоит из двух или более шестерен для изменения угловой скорости и крутящего момента между входным и выходным валами. Коробки передач являются важным инструментом для управления инерцией. Коробка передач уменьшает инерцию на квадрат передаточного отношения. Компромисс заключается в том, что коробки передач также снижают скорость двигателя. . Большинство серводвигателей работают со скоростью от 2000 до 6000 об/мин, что позволяет им работать на полезной скорости даже при использовании редуктора с высоким передаточным отношением.

Цилиндрические или косозубые зубчатые колеса обычно используются в обычных зубчатых передачах. Преимущество цилиндрической шестерни заключается в том, что она создает минимальную осевую силу, что уменьшает проблему любого движения подшипников шестерни.

Косозубые зубчатые колеса широко используются в робототехнических системах, поскольку они обеспечивают более высокое передаточное отношение по сравнению с цилиндрическими зубчатыми колесами при том же передаточном числе изменения скорости, но недостатком является осевая нагрузка на зубчатое колесо.

Ограничивающими факторами в зубчатой ​​передаче являются жесткость зубьев шестерни, которую можно максимально увеличить, выбрав зубчатое колесо наибольшего диаметра, подходящего для применения, а также минимизировать люфт или потерю движения между отдельными шестернями.

Свинец и шарико-винтовые пары

В ходовом винте существует прямой контакт между винтом и гайкой, что приводит к относительно высокому трению и, следовательно, к неэффективному приводу. Для точных применений используются шарико-винтовые пары из-за их низкого трения и, следовательно, хорошей динамической реакции.

Шариковый винт в принципе идентичен ходовому винту, но мощность передается на гайку через линейные шарикоподшипники в резьбе гайки.

Ременный привод

Использование зубчатого ремня или цепной передачи является эффективным методом передачи мощности между двигателем и нагрузкой при сохранении синхронизма

В линейном приводе те же процедуры, которые применялись для ходового и шарико-винтовой передачи, могут быть применены к ременной передаче.

Очень хороший справочник по размерам двигателя можно найти в Интернете по адресу:
http://www.electricmotors.com/sizing.html