Технология прямого привода: меньше деталей, больше точности

Общие сведения

Термин «сервопривод» происходит от латинского слова servus, которое переводится как «слуга» или «помощник». Так называют любой тип механического привода с устройством обратной связи по положению, скорости или усилию, а также сам привод, который выполняет функцию автоматического регулирования заданного параметра. Сервоприводы находят широкое применение в станко­строении, производстве упаковочных, фасовочных и разливных машин, робототехнике — в общем, когда требуется высокая точность передвижения исполнительного органа.

В данной статье мы не будем рассматривать гидравлические сервоприводы и под сервоприводом будем понимать электропривод с отрицательной обратной связью.

Есть два типа таких сервоприводов: вращательного и линейного движения. Для вращательного движения используют асинхронные и синхронные электродвигатели, а для линейного в основном применяют механическую передачу в виде шариковинтовой пары с кареткой, перемещающейся по рельсам, линейные актуаторы и линейные серво­двигатели.

Как мы уже отмечали выше, сервоприводы обеспечивают точное передвижение исполнительного органа. Но о какой степени точности может идти речь? Если точность вращательного движения измеряется в градусах, то целесообразнее применять сервоприводы на базе асинхронных электродвигателей, где роль устройства обратной связи играет встроенный или помещенный на вал энкодер, а роль привода исполняет всем нам знакомый преобразователь частоты. Но если речь заходит о точности вращательного движения, исчисляемой в угловых минутах, и при этом переключение с прямого на обратное вращение происходит с высокой интенсивностью, то в таком случае оптимальным вариантом станут синхронные электродвигатели на постоянных магнитах. На рис. 1 показаны конструктивные особенности синхронных электродвигателей на примере продуктов компании Kollmorgen.

Рис. 1. Конструктивные особенности синхронных серводвигателей Kollmorgen

Управляются серводвигатели электронными устройствами, которые чаще всего называются сервоусилителями. По своим свойствам серво­усилители похожи на преобразователи частоты, только с той разницей, что в них заложены сложные алгоритмы контура регулирования скорости, позиции и момента. Сервоусилители содержат цифровые входы для устройств обратной связи и чаще всего работают лишь с определенными серводвигателями конкретного производителя.

Однако возможности современных сервоусилителей могут быть более широкими. Например, к устройствам Kollmorgen можно легко, по принципу plug and play, подключить серводвигатели (в том числе асинхронные и индуктивные, с устройствами обратной связи и без них) не только того же производителя, но и других компаний — при использовании моделей SERVOSTAR S700 (рис. 2).

Рис. 2. Электродвигатели, сопрягаемые с сервоусилителями Kollmorgen S700

Рис. 3. Технологии передачи движения

Преимущества прямых приводов

Развитие промышленного машино­строения и роботехники не стоит на месте, поэтому с каждым днем требования к точности и производительности устройств возрастают. Мы все чаще сталкиваемся с задачами, где точность измеряется уже в угловых секундах. С этим современные сервоприводы справляются. Но также необходимо помнить об особенностях передаточных механизмов, таких как редуктор, ремень/шкив или кулачковый механизм. Любой, даже самый прецизионный редуктор имеет люфт, у ременчатой передачи и кулачковых механизмов тоже есть погрешности, не говоря о том, что они увеличивают размеры привода, что в некоторых применениях особенно критично. В связи с этим стоит задуматься о более высокоточной технологии передачи движения — технологии прямого (безредукторного) привода (рис. 3), которую мы рассмотрим на примере продукции Kollmorgen.

Само понятие «прямой привод» означает, что исполнительный орган непосредственно подключен к приводящему его в движение электродвигателю, т. е. не имеет передаточных элементов. Это относится как к вращательному, так и к линейному передвижению. Точность прямого привода можно оценить на следующем примере. Серводвигатель с прецизионным редуктором имеет люфт в одну угловую минуту: это означает, что при полностью неподвижном приводе может произойти смещение исполнительного органа на такую величину. В то же время повторяемость серводвигателя со сквозным валом Kollmorgen DDR составляет более одной угловой секунды. Таким образом, получается, что у серводвигателей с прямым приводом точность позиционирования в 60 раз выше, чем у мотора-редуктора.

Используя прямой привод, можно улучшить качество изготавливаемой продукции за счет следующих особенностей:

• более точная печать;
• раскрой и длина протяжки становятся точнее;
• более точная координация с другими осями машины;
• высокая точность при позиционировании;
• исключаются проблемы при настройке компенсации люфта.

Прямым приводам Kollmorgen свойственны и другие преимущества. Например, компоненты механической передачи накладывают ограничения на то, как быстро мы можем произвести запуск и останов исполнительного механизма. Из-за этих факторов понижается возможная пропускная способность машины, что напрямую влияет на ее производительность.

Прямой привод устраняет эти ограничения, позволяет значительно ускорить цикл «запуск/останов» и уменьшить время простоев. При этом пропускная способность оборудования может повыситься в два раза.

Следующим преимуществом является повышение надежности машины из-за исключения дополнительных элементов и механических передач. При использовании прямого привода не нужно периодически обслуживать ремни и шкивы, заниматься их протягиванием, менять смазочные материалы в редукторе. Необходимы только серводвигатель со сквозным валом и крепежные болты. Таким образом, исключаются многие детали, такие как: кронштейны, ограждения, ремни, шкивы, натяжители, муфты и др. В результате это позволяет:

• уменьшить количество деталей в спецификации;
• упростить сборку и сэкономить время на монтаж;
• снизить затраты (за счет того, что не требуется докупать лишние детали и их устанавливать).

Наконец, еще одним преимуществом прямых приводов можно считать уменьшение шума. К примеру, прямые приводы Kollmorgen имеют уровень шума всего лишь 20 дБ, что превосходит показатели сервосистем с механическими передачами.

Серии прямых приводов Kollmorgen

Рассмотрим особенности нескольких типов прямых приводов Kollmorgen.

Серия KBM (рис. 4) предназначена для непосредственного встраивания в машину, станок или робот.

Рис. 4. Конструктивные особенности сервомоторов со сквозным валом в бескорпусном исполнении серии KBM

Основные характеристики:

• полностью инкапсулированные обмотки статора;
• рабочая температура внутренней обмотки +155 °C;
• защита от перегрузки — PTC-термистор (лавинного типа);
• отказобезопасные ленты над роторными магнитами;
• соответствует RoHS;
• дополнительные блокирующие цифровые датчики Холла с предварительным выравниванием.

Сервомоторы Kollmorgen Cartridge DDR (рис. 5) сочетают в себе преимущества бескаркасного двигателя с простой установкой. Они оснащены устройством обратной связи с высоким разрешением. Уникальная конструкция без подшипников соединяется непосредственно с нагрузкой, используя собственные подшипники машины для поддержки ротора. Большинство моделей можно установить менее чем за пять минут.

Рис. 5. Конструктивные особенности сервомоторов со сквозным валом в корпусе и с датчиком обратной связи серии Cartridge DDR

Основные характеристики данных сервомоторов:

• 5 типоразмеров;
• доступны обмотки с напряжением 230/400/480 В переменного тока;
• 4,5–510 Нм непрерывного крутящего момента;
• скорость до 2500 об/мин;
• номинальные мощности 775–11 700 Вт;
• встроенный датчик обратной связи синусоидального сигнала обеспечивает разрешение более 134 млн меток на оборот;

встроенный термистор обеспечивает защиту от перегрева.

Последний пример — линейные прямые приводы Kollmorgen серии ICH (рис. 6). Они увеличивают пропускную способность на 40% по сравнению с другими системами привода и обеспечивают уменьшение веса и габаритов машины, станка или робота, в которых применяются.

Рис. 6. Конструктивные особенности линейных сервомоторов серии ICH

Основные характеристики:

• сила подачи 405–12726 Н (пик) и 175–5341 Н (непрерывная работа);
• рабочее напряжение — до 480 В переменного тока;
• встроенные цифровые датчики;
• совместим со всеми сервоусилителями и модулями безопасности и энергосбережения Kollmorgen.

Заключение

Сегодня на российском рынке представлено множество брендов, которые предлагают свои решения в области сервоприводов. Одной из таких компаний является Kollmorgen. Используя прямые приводы ее производства, можно повысить точность технологии передачи движения и пропускную способность оборудования, а также снизить затраты на детали и исправления погрешностей передаточных элементов.