Сервопривод или шаговый двигатель: какова разница и что выбрать?
В качестве электропривода порталов и исполнительных узлов фрезерно-гравировальных станков с чпу и оборудования для плазменной резки с ЧПУ применяются шаговые двигатели и сервоприводы. Что лучше: шаговый двигатель или сервопривод, и в каких случаях применение того или иного электропривода экономически и технически оправданно, рассмотрим в данной статье.
Устройство шагового привода
Шаговый привод состоит из синхронной электрической машины и управляющего контроллера. Последний обеспечивает подачу управляющих сигналов на обмотки двигателя и их попеременное включение в соответствии с заданной программой.
Шаговый двигатель — электрическая машина, преобразующая управляющие сигналы в перемещение вала на определенный угол и фиксацию его в заданном положении. Количество шагов таких электродвигателей составляет от 100 до 400, угол шага — от 0,9-3,6°.
Принцип работы шагового двигателя
Состоит это электромеханическое устройство из статора, где размещены катушки возбуждения, и вращающейся части с постоянными магнитами или обмотками. Такая конструкция ротора обеспечивает его фиксацию после отработки управляющей команды.
На статоре расположено несколько обмоток. При подаче напряжения на катушку, под воздействием магнитного поля ротор поворачивается на определенный угол в соответствии с пространственным положением обмотки. При ее обесточивании и подаче управляющего сигнала на другую катушку вращающаяся часть электродвигателя занимает другую позицию. Каждый поворот вала соответствует углу шага. При обратной последовательности подачи напряжения на катушки ротор вращается в противоположном направлении.
Для поворота ротора на меньший угол одновременно включаются 2 обмотки. Количество шагов ограничено и зависит от числа полюсов статора электромотора. Для обеспечения плавного вращения ротора на катушки статора подают разные токи, разность которых определяет положение ротора. Такой способ управления позволяет снизить дискретность и увеличить количество шагов до 400.
К числу недостатков шаговых двигателей можно отнести довольно низкую скорость, пропуск шагов при высокой (выше расчетной) нагрузке на валу, снижение момента при высокой частоте вращения и большое время разгона.
Устройство сервопривода
Сервопривод состоит из синхронного двигателя, датчика скорости и положения, а также управляющего контроллера. Основная разница между шаговым двигателем и сервоприводом состоит в наличии обратной связи по положению, скорости, моменту на валу ротора.
Электропривод такого типа построен на базе следящей схемы автоматического регулирования. При несоответствии скорости или другой величины контроллер будет подавать сигналы на отработку, пока требуемый параметр или положение вала не будет соответствовать заданному. В качестве датчика обратной связи используют абсолютные и относительные энкодеры различных типов и конструкций.
Принцип действия сервопривода
Управляющее устройство в соответствии с заданной программой подает напряжение на сервопривод, который соединен с порталом станка. Двигатель перемещает рабочий орган. При этом энкодер вырабатывает импульсы, поступающие на контроллер. Подсчет их числа осуществляет управляющее устройство. Количество импульсов пропорционально перемещению портала. При достижении рабочим органом заданного положения на электромотор перестает поступать напряжение. Портал фиксируется. Пока число импульсов, зафиксированных контроллером с датчика, не достигнет запрограммированной величины, двигатель будет осуществлять перемещение рабочего органа.
Шаговый сервопривод можно также настроить на поддержание постоянной частоты вращения вне зависимости от нагрузки или постоянного момента при разной скорости.
К достоинствам сервоприводов относятся точность позиционирования, динамика разгона и отсутствие снижения момента при высоких скоростях. Ограничивает применение сервопривода, как правило, достаточно большая стоимость.
Чем отличается сервопривод от шагового двигателя?
Современные шаговые электродвигатели обеспечивают перемещение рабочей части с точностью до 0,01 мм.
Отличие шагового двигателя от сервопривода заключается в пропуске шагов при высокой (выше расчетной) нагрузке, что значительно снижает качество обработки
Сервопривод для поворотного стола фрезерного станка или портала другого оборудования обеспечивает точность до 0,002 мкм.
Позиционирование по следящей схеме обеспечивает высокое качество обработки независимо от нагрузки
Максимальная скорость перемещения рабочих органов при использовании шагового электропривода — 25 м.
Время разгона — 120 об/мин за секунду
Сервопривод может перемещать портал со скоростью более 60 м/мин.
Время разгона составляет до 1000 об/мин за 0,2 секунды
Критерии выбора
Тип приводного двигателя для станков выбирают по следующим характеристикам:
По этому параметру сервоприводы значительно превосходят шаговые электромоторы. На станок с ЧПУ для обработки крупных деталей или заготовок из твердых материалов лучше уставить сервомотор, например, ESTUN 1000 Вт. Такой электропривод обеспечит более высокую скорость обработки твердых материалов. Для малогабаритного промышленного оборудования (например, настольного фрезерного станка) среднего класса точности, предназначенного для обработки мягких материалов, лучше выбрать шаговый двигатель.
Программирование и настройка сервопривода на станке с ЧПУ требуют высокой квалификации исполнителя. Такой привод намного дороже в обслуживании, соответственно расходы на его эксплуатацию будут выше.
Сервоприводы для станков с ЧПУ необходимы для высокоточной автоматизированной обработки. Такой привод позволяет позиционировать положение рабочего органа с точностью до 0,02 мкм, в то время как максимальная точность шаговой электрической машины — 0, 01 мм.
Стоимость шагового двигателя значительно ниже цены сервопривода. При невысоком бюджете лучше предпочесть первый вариант.
По этому показателю сервомоторы предпочтительней. Работа шаговых электродвигателей сопровождается звуком, соответствующим частоте шагов на различных оборотах.
Таким образом, выбор сервопривода или шагового двигателя в качестве привода на фрезерно-гравировальный станок и оборудование для плазменной резки следует совершать, руководствуясь исключительно экономической и технической целесообразностью.
Предприятие MULTICUT образовано в 2009 году с целью организации выпуска отечественных координатных установок с ЧПУ для решения различных производственных задач.
подробнее о производстве
Выбор сервопривода для ЧПУ
Зарегистрируйте новую учётную запись в нашем сообществе. Это очень просто!
Войти
Уже есть аккаунт? Войти в систему.
Последние посетители 0 пользователей онлайн
Ни одного зарегистрированного пользователя не просматривает данную страницу
- Уже зарегистрированы? Войти
- Регистрация
Главная
Активность
- Создать.
Важная информация
Мы разместили cookie-файлы на ваше устройство, чтобы помочь сделать этот сайт лучше. Вы можете изменить свои настройки cookie-файлов, или продолжить без изменения настроек.
Как выбрать подходящий сервопривод?
Зубчатая передача в сервоприводах может быть изготовлена из пластмассовых или из металлических шестерен. У обоих типов есть свои плюсы и минусы, в зависимости от области применения. Основным отличием является то, что металлическая зубчатая передача намного прочнее и более устойчива к разрушению, чем пластмассовая зубчатая передача. Металлические шестерни, однако, иногда могут вызывать помехи с некоторыми приемниками или ESC, и они могут со временем изнашиваться.
Стандартные моторы и моторы без сердечника
Без углубления в технические подробности, сервоприводы без сердечника (coreless) и стандартные сервоприводы так названы благодаря внутренней конструкции своих моторов. Стандартный мотор с сердечником обладает плотным железным ротором с проволочной обмоткой и магнитами вокруг него. Когда мотор вращается, ротор (который имеет несколько секций) вызывает небольшие колебания мотора при прохождении секций мимо магнитов, а в результате получается сервопривод, который вибрирует и является менее точным, чем сервопривод с coreless-мотором (мотор с полым ротором). Мотор с полым ротором, с другой стороны, обладает единым магнитным сердечником с обмоткой в форме цилиндра или колокола вокруг магнита, как в сервоприводах Hitec и Airtronics. Конструкция с полым ротором легче по весу и не имеет секций, что приводит к более быстрому отклику и ровной работе без вибраций. Конечно, моторы с полым ротором более дороги в изготовлении, но они обеспечивают более высокий уровень контроля, вращающего момента и скорости по сравнения со стандартными сервоприводами.
Цифровые и аналоговые
Цифровые сервоприводы включают в себя высокочастотный контроллер мотора, который позволяет им точно устанавливать положение, удерживать положение под нагрузкой, и обеспечивать ровный и быстрый отклик. К сожалению, на управлении газом/ тормозом, некоторые цифровые сервоприводы не служат так же долго, как аналоговые, так как цифровой контроллер продолжает подавать ток в сервомотор даже в положениях полного газа или на холостом ходу. Это своеобразное короткое замыкание может вызвать более быстрый выход из строя. Аналоговые сервоприводы, с другой стороны, используют обычные контроллеры сервомоторов, которые менее точные и обеспечивают меньшую ровность хода, но они более доступные и более долговечные, когда используются для управления газом.
Что внутри
Управляющий провод сервопривода получает импульсы некоторой ширины, которая определяет положение, в которое должен переместиться выходной вал. Потенциометр распознает текущее положение выходного вала, и подает напряжение на сервомотор до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое положение. Более высокое напряжение означает более высокую скорость и более высокий вращающий момент.
Шарикоподшипники и втулки
Все сервоприводы имеют выходной вал, который должен пройти через корпус сервопривода, через пластиковую втулку или металлический шарикоподшипник. Сервопривод работает более точно и более ровно, когда он снабжен шарикоподшипником на выходном валу. Сервоприводы с шарикоподшипниками также меньше изнашиваются и остаются более точными, чем сервоприводы со втулками, так как пластиковые втулки со временем изнашиваются и появляется люфт между выходным валом и корпусом. Хотя сервоприводы с шарикоподшипниками стоят дороже, но лучше приобретать сервоприводы с шарикоподшипниками, когда это только возможно, вне зависимости от области применения.
Высокая скорость и высокий вращающий момент
Для большинства случаев, чем сервопривод мощнее и быстрее, тем лучше. Однако, высокоскоростные сервоприводы лучше использовать тогда, когда требуется чрезвычайно быстрый отклик на действия пилота. Большинство пилотов не понимают, что сервопривод может быть слишком быстрым для их собственных рефлексов, а это делает модель неустойчивой и более трудной в управлении. Поскольку скорость важна при работе рулевого управления, это и есть то место, где скорость сервопривода наиболее важна. Крутящий момент здесь тоже важен, особенно для тяжелых моделей. Возможность быстро изменять направление и удерживать его является ключевым моментом в выполнении маневров.
Как классифицируются сервоприводы
Наиболее очевидной и доступной информацией о конкретном сервоприводе является его скорость и крутящий момент. Для почти всех сервоприводов доступна следующая информация: производитель, название и номер, скорость перекладки и крутящий момент при напряжениях питания 4,8 и 6,0 вольт. Вы также можете прочитать о металлических и пластиковых шестернях, цифровой и аналоговой обработке, о моторе без сердечника (coreless).
Скорость и крутящий момент
Скорость сервопривода измеряется интервалом времени (в секундах), который требуется рычагу сервопривода, чтобы повернуться по дуге в 60º при напряжении питания 4,8 или 6,0 вольт. Поэтому сервоприводу оцененному в 0,22 с/60? потребуется 0,22 секунды для поворота на 60º. Это кажется быстрым, но не тогда, когда вы рассматривает некоторые самые быстрые сервоприводы, которые могут повернуться на такой угол за интервал от 0,06 до 0.09 секунды!
Герметизация сервоприводов
Перед выходом на поле, будет неплохой идеей загерметизировать сервопривод для защиты от повреждения влагой. Многие высококачественные сервоприводы поставляются загерметизированными с помощью прокладочных резиновых колец, но дополнительная обработка никак не повредит, а только добавит надежности.
1. Очистите сервопривод, если он не новый. Вытрите любой песок и грязь, затем обрызгайте сервопривод очистителем или денатурированным спиртом для удаления масел и загрязнений на корпусе.
2. Используйте небольшое количество силиконового герметика вокруг входа шлейфа в корпус сервопривода. Промажьте силиконом все щели и отверстия для винтов в корпусе сервопривода. Дайте силикону полностью высохнуть перед использованием сервопривода.
3. Нанесите небольшое количество густой смазки вокруг выходного вала и установите качалку. Смазка защитит подшипники или втулки от проникновения влаги.
Идеальный сервопривод?
Существует ли идеальный сервопривод? Это зависит от того, кого вы спрашиваете, и для какого применения вы его приобретаете. В идеале, "идеальный" сервопривод будет перемещаться так быстро, как это вам необходимо, будет обеспечивать достаточный вращающий момент, будет хорошо удерживать заданное положение и обеспечит высокую точность, при минимально цене. Как вы знаете, однако, такой сервопривод еще не изобретен, а каждая компания прикладывает все усилия, чтобы убедить вас, что ее сервоприводы лучше всех остальных.
В заключение, правильный выбор сервопривода приходит с опытом и зависит от ваших собственных нужд, так как не имеет значения какие именно характеристики или цены нарисованы на коробке, это не имеет смысла, если сервопривод не выполняет необходимой задачи.
Как выбрать лучший серводвигатель?
Серводвигатели — это электродвигатели, которые позволяют инженерам точно контролировать положение, скорость и ускорение. Как и все электродвигатели, они приводятся в движение с помощью магнитной системы. Количество магнитных полюсов помогает определить характеристики двигателя: чем меньше полюсов, тем быстрее двигатель может вращаться (среднеквадратичное значение), но максимальный крутящий момент будет ниже. Обратное также верно; чем больше полюсов, тем ниже число оборотов в минуту, но тем выше максимальный крутящий момент.
Серводвигатели могут работать как на переменном, так и на постоянном токе. При переменном токе частота напряжения определяет скорость; в двигателях постоянного тока скорость прямо пропорциональна напряжению. В щеточных двигателях используются токопроводящие щетки (обычно графитовые) в коллекторном узле, которые «передают» ток при скольжении в ротор. Бесколлекторные (бесщеточные) двигатели используют электронные компоненты для распределения тока. Серводвигатели также могут быть со сплошным или полым валом.
Существует широкий спектр серводвигателей, и они имеют решающее значение для промышленных и бытовых машин и приложений. Это дает инженерам-проектировщикам большой выбор при подборе сервоприводов для их приложений. Чтобы сделать правильный выбор, они должны понимать факторы, которые делают сервоприводы подходящими или не подходящими для их конкретного применения.
Три главных фактора при выборе серводвигателя
Понимание потребностей и выбор наилучшего серводвигателя для применения часто называют выбором размера двигателя. Это потому, что взаимосвязь между скоростью и крутящим моментом и потребностями приложения определяет размер двигателя и его относительную плотность силы. Чтобы рассчитать их, инженеры должны знать вес полезного груза, расстояние и время движений, а также нагрев / охлаждение электрической машины. Данный процесс известен как рабочий цикл. Вместо использования пройденного пути с временем можно использовать пройденный путь со скоростью и ускорением. Цель состоит в том, чтобы определить, как долго полезная нагрузка ускоряется, чтобы можно было рассчитать крутящий момент.
Как только приложение определено, вычисление пикового крутящего момента, необходимого постоянного крутящего момента и скорости сужает поиск подходящего электродвигателя. Крутящий момент и скорость идут рука об руку при выборе серводвигателя. Чтобы лучше понять взаимосвязи между ними в конкретном приложении, инженеры полагаются на кривые крутящего момента. Они графически показывают относительный крутящий момент и необходимую скорость.
Номинальный крутящий момент и номинальная скорость являются полезными терминами в отношении вращающего момента электрической машины и кривой крутящего момента рабочего органа. Номинальный крутящий момент — это максимальный крутящий момент, который электродвигатель может производить непрерывно без перегрузки или недогрузки, а номинальная скорость — это максимальная скорость, при которой доступен номинальный крутящий момент.
Непрерывный крутящий момент, также известный как среднеквадратичный крутящий момент (RMS), является средневзвешенным по времени крутящим моментом в течение полного цикла. Он должен попадать в непрерывную область кривой вращающего момента, чтобы поддерживать требуемую скорость.
Максимальный (пиковый) крутящий момент — это максимальный крутящий момент, необходимый в любой точке цикла. В идеале, максимальный крутящий момент находится в прерывистой области кривой крутящего момента, потому что он не может поддерживаться постоянно (только разгон/торможение). Если пиковый крутящий момент приложения попадает в линейную область характеристики электрической машины, то, вероятно, мощность электродвигателя завышена.
Скорость, обычно измеряемая в об / мин, так же важна, как и вес полезной нагрузки при выборе серводвигателя. Вообще говоря, чем выше скорость двигателя, тем ниже возможный крутящий момент. Низкое число полюсов обеспечивает более высокие скорости и меньшие крутящие моменты из-за нескольких факторов, включая обратную ЭДС.
Чем ближе цикл работы к пределам двигателя, тем сильнее он нагревается. Используемый электродвигатель должен быть достаточно мощным, чтобы обеспечивать режим работы без превышения допустимой температуры и избегать перегрева, но мощность не должна быть сильно завышена, так как это сделает его экономически невыгодным. Как только эти соотношения определены, могут быть установлены другие важные (но менее критические) факторы.
Другие ключевые факторы
Определение требований к скорости и крутящему моменту поможет инженерам выбрать подходящий серводвигатель. Тем не менее, существуют другие факторы и варианты, касающиеся среды и применения, которые следует учитывать.
Передаточное число
Не у всех серводвигателей есть передачи, но у многих есть. С появлением двигателей с прямым приводом мотор-редукторы считаются более примитивными, но они могут усиливать крутящий момент, создаваемый двигателями с меньшим числом полюсов. В редукторной системе серводвигатель вращает ведущую шестерню, которая вращает другую шестерню, более тесно связанную с полезной нагрузкой. (В серводвигателе может быть несколько пар зубчатых колес.) Соотношение числа зубьев между зубчатыми колесами определяет передаточное число. Как только это определено, стандартное уравнение крутящего момента рассчитывает требования к реальному крутящему моменту электрической машины
Инерция
При работе с вращением форма и масса полезного груза создают инерцию, когда двигатель и нагрузка ускоряются или меняют направление. У электрической машины присутствует инерция на роторе, которая часто ничтожна по сравнению с полезной нагрузкой. Нагрузка также имеет инерцию, и любое трение в движении, такое как тяги или столы, увеличивает ее. Инерция может использоваться, когда нет известного значения крутящего момента; это масса в уравнении F = ma при работе с вращением.
Точность позиционирования
Точность позиционирования электродвигателя прямого привода не ограничена механически. Для точного позиционирования используется обратная связь по скорости и положению (тахогенератор, энкодер), которая «докладывает» контроллеру текущую скорость и положение. Тем не менее, датчики обычно выбираются исходя из общей механической конструкции рабочего органа, а не чисто из характеристики двигателя.
Условия окружающей среды
Если рабочая среда отличается от стандартной комнатной температуры, производительность двигателя изменяется. Например, чем выше температура окружающей среды, тем ниже возможности электрической машины по постоянному крутящему моменту. Если сервопривод будет работать в горячем режиме и / или будет постоянно выдавать большой крутящий момент, жидкостное охлаждение является хорошим вариантом. Жидкость не должна соприкасаться с механическими компонентами двигателя или электрическими соединениями. Другие факторы окружающей среды включают загрязнение и вибрации, которые могут присутствовать на таких производствах, как бумажные фабрики, нефтяные вышки или сталелитейные заводы. Двигатели со специальными характеристиками, уплотнениями и корпусами сделаны специально под тяжелые условия работы.
Эффективность (КПД)
Эффективность серводвигателя заключается просто в том, сколько тока требуется для обеспечения его постоянного крутящего момента. Это называется постоянной крутящего момента (Kt) и может быть найдено в технических паспортах электродвигателей. Обмотки относятся к тому, как катушки связаны друг с другом (последовательно или параллельно). Обмотки с более высоким КПД имеют более низкие скоростные характеристики, тогда как обмотки с более высокой скоростью имеют более низкий КПД. Как только требуемая скорость известна, можно осуществить выбор двигателя с наиболее высоким КПД.
Правильный выбор серводвигателя начинается с понимания задачи исполнительного механизма, а затем определения его характеристик и вида движения (вращательное или поступательное). Отсюда могут быть установлены основные требования к скорости и крутящему моменту, что значительно сузит выбор двигателей. Другие факторы, такие как окружающая среда, эффективность, точность и тип передачи мощности от вала к исполнительному органу должны быть рассмотрены. Конечно, порядок и приоритет любого из них могут варьироваться в зависимости от приложения.
Эксперты ETEL рекомендуют бесколлекторные синхронные серводвигатели с большим числом пар полюсов. Вентильные двигатели являются более надежными, эффективными и более тихими, чем щеточные альтернативы. А синхронные двигатели обеспечивают более точное управление наряду с большим количеством полюсов.