Клиенты требуют сокращения расходов на техническое обслуживание и габаритов оборудования, а также ускорения производительности и настройки оборудования. Чтобы удовлетворить эти требования, производители оборудования выбирают сервоприводы вместо механических компонентов.

Управление движением определяет возможности и ограничения машины. Поэтому для максимального повышения её производительности и гибкости, а также сокращения затрат на обслуживание часто требуется модернизировать систему управления движением в этой машине. Большинство причин перехода от традиционных систем управления и устройств к сервоуправлению заключаются в получении одного или нескольких из следующих преимуществ:

• Повышение производительности. Серводвигатели обеспечивают высокие показатели ускорения и скорости.
• Повышение точности. Сервоприводы обеспечивают высокую точность, необходимую для обработки быстро движущихся деталей.
• Повышение гибкости. Сервоприводы представляют собой электронные версии традиционных механических компонентов. Например, профили электронных кулачков можно менять практически мгновенно. Программируемые профили движения можно адаптировать к различным размерам и конфигурации изделия. Передаточные числа электронных передач можно изменять для адаптации к различным скоростям машины. Кроме того, благодаря электронным редукторам двигатели можно размещать в любом удобном для конкретной области применения месте, поскольку они устраняют необходимость в длинных валах, шестернях и ремнях.

Кроме того, один электрический «линейный вал» может быть подключен к практически неограниченному количеству осей. Для станков с несколькими конфигурациями это означает, что дополнительные оси движения не требуют дополнительных механических соединений.

Сервоприводы также повышают гибкость благодаря большему объёму доступной информации. Например, многие сервоконтроллеры хранят историю неисправностей и состояний ошибок, что облегчает поиск и устранение неисправностей. Большинство сервосистем также могут отображать осциллографические диаграммы для анализа производительности. • Сокращение затрат на техническое обслуживание. Сервоприводы помогают сократить количество механических деталей в машине. Электронные шестерни заменяют ремни. Электронные кулачки не подвержены износу. Электронные концевые выключатели не требуют периодической регулировки или замены.

Сервоприводы требуют определённого уровня знаний и опыта. Если вы новичок в сервоуправлении, будьте готовы потратить некоторое время на выбор и применение своей первой системы. (Примечание о терминологии сервоприводов: слово «контроллер» имеет несколько значений. Система илидвижениеконтроллер обычно запускает программу, которая управляет движением;моторконтроллер управляет одниммотор. Во избежание путаницы мы будем называть контроллеры двигателей приводами).

Выбор и масштабирование приложения

Выбор и расчет компонентов сервопривода может показаться сложной задачей из-за количества компонентов: двигателей, приводов, контроллера, а также возможного использования промышленного ПК или ПЛК. Если у вас есть опыт работы с механикой, это может быть пугающим. К счастью, компании — поставщики компонентов и интеграторы систем управления — комплектуют эти компоненты вместе, а также предлагают помощь в их применении. Независимо от того, делаете ли вы это самостоятельно или покупаете готовый комплект, основной процесс выглядит следующим образом:

Сначала выберите двигательНачните выбор двигателя с выбора его формы. Наиболее распространены двигатели с большим соотношением сторон (длинные и малого диаметра). Они могут быть квадратными или круглыми и обеспечивают отличное соотношение цены и качества. Дисковые двигатели (короткие и большого диаметра) подходят для установки в ограниченном пространстве и обеспечивают высокое ускорение благодаря малоинерционным роторам. Оба типа двигателей доступны в герметичном и открытом исполнении.

Бескорпусные или интегральные двигатели разделяют ротор и статор для интеграции в машину. Эти двигатели обеспечивают компактную конструкцию и улучшают работу прямого привода, повышая точность и снижая вибрацию.

Линейные двигатели, заменяющие стандартный поворотный двигатель и связанные с ним приводные механизмы, создают линейное движение напрямую. Они позволяют одновременно в несколько раз увеличить производительность и точность.

Выбор двигателяРазмер двигателя определяется в первую очередь крутящим моментом: пиковым и постоянным. Выбор двигателя может быть сложной задачей, и ошибки могут быть обнаружены только на поздних этапах разработки. Поскольку на данном этапе увеличить размер двигателя может быть сложно, разумно учитывать запас мощности в расчётах. Если вы новичок в этом процессе, вам, вероятно, следует довериться инженерам по применению в автомобильных компаниях.

Выберите отзывНаиболее распространёнными устройствами обратной связи являются энкодеры и резольверы. Энкодеры — это оптические устройства, генерирующие последовательность импульсов. Количество импульсов пропорционально угловому перемещению. Они обеспечивают высокую точность, особенно при высоком разрешении. Резольверы — это электромеханические устройства, которые определяют абсолютное положение в пределах одного оборота двигателя и известны своей надёжностью. Выберите тот, который лучше всего подходит для вашей области применения.

После выбора типа датчика обратной связи необходимо выбрать его разрешение. Обычно достаточное разрешение обеспечивает энкодер с разрешением 1000 линий или, эквивалентно, 12-битный резольвер. Оба обеспечивают около 4000 различных положений за оборот, что эквивалентно разрешению примерно 0,1 градуса. Однако, если вашему приложению требуется более высокое разрешение, следует выбрать соответствующий датчик. Важно: различайте разрешение и точность. Многие сервоприводы предлагают возможность выбора разрешения для обратной связи резольвера; однако точность (обычно от 10 до 40 угловых минут) может не измениться.

Выберите диск. Подумайте, нужен ли вам модульный (отдельный) блок питания или интегрированный в привод. При близком расположении трёх или более приводов одного семейства модульные блоки питания хорошо подходят. Для одной оси обычно лучше подходят интегрированные блоки питания. Для двух осей оба решения примерно одинаковы.

Если вы планируете разместить диск в корпусе, учтите, что размеры дисков значительно различаются и могут повлиять на общие габариты оборудования. В зависимости от размера корпуса вам также может потребоваться рассмотреть различные варианты охлаждения.

Синусоидальная коммутация против шестиступенчатой

Для бесщёточных серводвигателей форма волны мощности от привода к двигателю обычно бывает двух видов: шестиступенчатая и синусоидальная. При синусоидальной форме ток, вырабатываемый приводом, имеет форму, близкую к синусоидальной. Это обеспечивает более плавный крутящий момент и меньший нагрев. Шестиступенчатый метод формирует шестисегментный прямоугольный сигнал с помощью простой электроники. Несмотря на меньшую стоимость, шестиступенчатый метод характеризуется нестабильной работой на низких скоростях.

Гибкость настройкиНастройка, процесс выбора коэффициентов усиления в контурах обратной связи, необходима для обеспечения высокой производительности и стабильной работы. В прошлом настройка была скорее искусством, чем наукой. Современные сервоприводы предоставляют множество инструментов, помогающих разработчикам машин. Автоматическая настройка (или самонастройка) – процесс, при котором привод возбуждает механическую систему и генерирует набор коэффициентов усиления контура, – стала практически стандартом. Большинство приводов имеют цифровые настройки коэффициентов усиления, поэтому вам не понадобятся паяльник или подстроечный резистор (небольшая отвёртка). Более сложные методы могут понадобиться вам лишь изредка, но их наличие предоставляет больше возможностей.

Аналоговые приводы могут быть дешевле, но вам может потребоваться настройка контуров, регулируя потенциометры или меняя пассивные компоненты. Какой бы вариант вы ни выбрали, настройка — это часть обучения, требующая изучения и экспериментов.

Общение с помощью драйвераМногие приводы используют аналоговый сигнал для управления скоростью и крутящим моментом. Однако цифровая связь набирает популярность, поскольку она сокращает количество соединительных кабелей и повышает гибкость системы. Многие приводы совместимы с такими сетями, как DeviceNet, Profibus и новой сетью Sercos, специально предназначенной для управления движением.

НапряжениеИмейте в виду, что на заводе может быть сложно найти источник питания напряжением 110 В переменного тока. В Европе популярен источник питания напряжением 460 В; для использования приводов на 230 В переменного тока за рубежом может потребоваться трансформатор. К сожалению, приводы на 460 В переменного тока могут быть дорогими. Компромиссным решением является универсальный источник питания, использующий силовые полупроводники для преобразования напряжения. В системах с модульными источниками питания один универсальный источник питания может использовать любое напряжение от 230 до 480 В переменного тока для питания нескольких осей с напряжением 230 В переменного тока.

Последний момент, который следует учесть: использование только небольшого количества семейств приводов на машине упрощает список запасных частей.

Выберите контроллер

При выборе контроллера выберите одноосный или многоосевой. Одноосные контроллеры объединяют в себе контроллер движения, привод и часто источник питания. В одно- или двухосных системах эти контроллеры позволяют снизить стоимость, габариты, упростить подключение и упростить систему.

Многоосевые контроллеры обычно лучше подходят для более сложных систем. Во-первых, они обычно снижают стоимость, особенно по мере увеличения количества осей. Во-вторых, они снижают сложность системы, поскольку одна программа может управлять всеми движениями. Эти контроллеры движения также обеспечивают большую гибкость синхронизации, поскольку обычно позволяют любой оси связываться с любой другой осью и изменять эту связь во время выполнения программы.

После выбора контроллера вам потребуется выбрать конфигурацию «коробка» или «плата». Конфигурация «коробка» представляет собой закрытый контроллер, способный работать автономно. Контроллеры «плата» подключаются к промышленным компьютерам. Если на вашем станке уже установлен промышленный компьютер, совместимая плата может снизить стоимость и улучшить интеграцию системы управления и станка. Если вы не планируете использовать промышленный компьютер, контроллер «коробка» обычно проще добавить.

Оцените набор функций

Наконец, оцените характеристики контроллера. Рассмотрите рассмотренные ранее функции: зубчатую передачу, кулачковое управление, высокоскоростную регистрацию и программируемые концевые выключатели. Большинство контроллеров предлагают эти функции в той или иной форме, но их особенности необходимо сопоставлять с потребностями вашего приложения. Нужно ли вам изменять передаточное отношение редуктора во время работы? Нужно ли вам изменять профили кулачков «на лету»? Какая точность регистрации вам требуется? Требуется ли вам изменение скорости или целевого положения во время работы? Поддерживает ли контроллер достаточное количество осей для данного приложения? Подойдет ли он для будущих версий вашего станка?

Работа со стоимостью

Стоимость сервокомпонентов часто выше стоимости заменяемых ими механических компонентов. Однако некоторые важные факторы смягчают эту более высокую стоимость. Например, отказ от сложных механических устройств может снизить общую стоимость и габариты машины, что может повысить ценность системы. Сервоконтроллер часто заменяет ПЛК; в этом случае можно компенсировать все затраты на переход на сервоприводы. Дополнительная гибкость может сократить количество моделей машин или технологических процессов, необходимых для производства серии машин, тем самым снижая производственные затраты.

Общие соображения

Помимо функций движения, есть и другие вопросы, на которые стоит ответить. Способен ли язык поддерживать ваши процессы? Настолько ли он сложен, что вам придётся тратить слишком много времени на его изучение? Поддерживает ли продукт многозадачность? Многозадачность — это метод, позволяющий писать разные программы для разных процессов, который упрощает программирование сложных машин.

На все эти вопросы может быть сложно ответить, особенно если вы новичок в сфере электронного управления движением. Большинство компаний, предлагающих контроллеры, предоставляют качественную поддержку. В процессе выбора задавайте как можно больше вопросов. Это поможет вам не только оценить продукт, но и оценить поддержку. Наконец, подумайте о перспективах разработки в вашей компании. Выбирайте поставщиков, которые могут предоставлять продукты и поддержку как сейчас, так и в будущем.