Упрощенный подход к проектированию машины для оптимального управления сервоприводами

Опубликовано в номере:
PDF версия
Благодаря развитию технологий специалисты могут использовать в своих проектах различные инженерные вариации и уникальные рабочие процессы. Однако если есть пробелы в знаниях или недопонимание каких-либо деталей предстоящей работы, вероятность неудачи увеличивается в геометрической прогрессии и создает дополнительные сложности, а следовательно, и риски. Цель этой статьи — предложить упрощенный подход к проектированию сервосистем, чтобы преодолеть многие из начальных проблем. Подход основан на разных, но типичных конфигурациях механических осей и требованиях, которых необходимо придерживаться, чтобы управлять рисками и достичь оптимальной производительности и сокращения времени разработки.

Очевидно, что на этапе проектирования конструкции машины необходимо учитывать множество факторов и анализировать все возможные ситуации, чтобы снизить риск промаха, а также проработать различные комбинации сценариев с учетом всех «и», «если» и «но». По этой причине важно получить базовые знания о функциях машины и каждой из ее осей в отношении выбранного рабочего процесса и проекта, который необходимо выполнить. Стоит начать с тщательного осмысления выбранного процесса для реализации функции машины, составления полной картины, охватывающей все входы и выходы, а также определения любых переменных и компромиссов, и осознать, что, вероятно, в процессе работы будут некоторые неизвестные.

Такой глубокий предварительный анализ, несомненно, уменьшит потенциальные проблемы в дальнейшем и значительно повысит возможность успешного выполнения проекта. Кроме того, в центре разработки находится управление рисками конкретных доступных технологий и их взаимодействием, связанное с компромиссами и приоритетами решений, которые должны быть отданы функционалу машины для желаемого процесса.

 

Технологии и различные степени производительности

То, что считается высокими технологическими характеристиками для одного производственного процесса, необязательно является высокой производительностью для другого. Для машиностроителей естественно использовать уже имеющиеся у них технологии. Однако новые вызовы часто влекут за собой внедрение новых технологий. Когда модернизация или новая конструкция машины предполагает применение технологий управления движением с обратной связью (серво), часто возникают неправильные представления. Например, о том, как можно было оптимизировать машину с помощью предыдущих технологий, и о том, что теперь необходимо для улучшенной производительности машины. Правильное развертывание технологий управления движением с обратной связью предусматривает уравновешивание их возможностей, компромиссов и других факторов, которые повысят производительность новой машины.

Предыдущие технологии могут включать гидравлические приводы, двигатели с регулируемой скоростью, пневматику или любое количество типичных разомкнутых циклов, управление «старт-стоп», а в некоторых случаях и полу- или псевдозамкнутые технологии. Даже новые концепции управления с обратной связью должны быть рассмотрены или сбалансированы со старыми концепциями, чтобы снизить потенциальный риск. К примеру, значительным улучшением может стать запуск станка и управление всеми его осями с помощью виртуальной главной оси для устранения эффекта отставания от ведомой из-за задержек в передаче данных. Такую возможность предлагает сервоусилитель Kollmorgen AKD-T (BASIC, рис. 1), который обладает функцией программирования на языке BASIC (условные операторы, кулачок, S-образная кривая, профили безграничного движения и другие методы для более продвинутого программирования), управление одной реальной и одной виртуальной осью.

Сервоусилитель Kollmorgen AKD-T

Рис. 1. Сервоусилитель Kollmorgen AKD-T

Однако если одна ось, по существу, приводится в движение двумя или более двигателями (жестко соединенными или псевдосвязанными механическими соединениями/нагрузкой), дополнительная задержка связи привода одного двигателя с другим через управление виртуального мастера, а не напрямую друг с другом, увеличивает риск в зависимости от скорости, с которой машина должна работать. К примеру, чтобы избежать этого, на портальных системах можно использовать сервоусилители Kollmorgen серии AKD2G (рис. 2) для управления двумя серводвигателями одновременно.

Сервоусилитель Kollmorgen AKD2G

Рис. 2. Сервоусилитель Kollmorgen AKD2G

В общем, любой процесс, который должен быть ускорен или выполняться с большей скоростью, требует наличия машины с системой управления более быстрого реагирования, чем ее предыдущая конструкция. Другими словами, машина должна иметь возможность перемещаться и воздействовать на «продукт» с большей скоростью, реагировать на все команды и помехи в пределах отклонения.

 

Проблемы, с которыми может столкнуться проектировщик

Инерция

В прошлом инерция не вызывала беспокойства и даже не рассматривалась для некоторых конкретных осей конструкции машины (без сервоприводов). Для других осей оптимальная машина требовала высокой инерции системы (нагрузки и исполнительного механизма), чтобы гасить любые возмущения, которые «продукт» не ощущает. Мы хотим использовать высокопроизводительный сервопривод для увеличения скорости и производительности. Для этого понадобятся оси с более высокой пропускной способностью, чтобы распознавать команды, изменения продукта и нарушения, чтобы можно было быстро реагировать на ошибки (дельта (D) между командным и фактическим) и вносить соответствующие коррективы. Для выполнения этих задач обычно желательна и чаще всего требуется более низкая инерция системы. Это особенно верно для процессов, где необходимы двухточечные перемещения или корректировки «на лету» для непрерывных или псевдонепрерывных процессов.

Люфт механической оси

Другая проблема, которая возникает, особенно с ранее разработанными станками, — люфт в механизме оси. Часто этот тип перемещения оси не рассматривался как потенциальная проблема технологического процесса. Причина в том, что приводимый в одном направлении улучшенный механизм, движущийся против нагрузки, в значительной степени остается на одной стороне люфта механизма. Однако при коррекции постоянной скорости серводвигателя полное смещение ± будет наблюдаться постоянно.

Механическая податливость ремня

Для многих ранее разработанных машин (особенно с однонаправленным приводом) степень податливости, обеспечиваемая ремнем, обычно не является серьезной проблемой в отношении процесса, если размер ремня достаточно велик, чтобы он не ломался. Однако с постоянной коррекцией скорости серводвигателя полное +/– смещение податливости ремня можно наблюдать постоянно. Типичное увеличение ширины ремня вдвое (рассчитанное для однонаправленного механизма) для уменьшения податливости может сделать ремень слишком широким. В этом случае разработчику может потребоваться использовать такую ширину, которую позволяет доступное пространство, и, если возможно, еще больше уменьшить податливость ремня (увеличить жесткость), выбрав более прочный или толстый ремень.

Примечание. Более толстый ремень снижает податливость (желательно), но снижает собственную резонансную частоту (нежелательно), в зависимости от того, где частота находится в пределах спектра системы управления. Тогда возникает еще одна проблема: более крупный ремень будет иметь большую боковую нагрузку, которую необходимо учитывать при проектировании (это может повлиять на подшипники, натяжители, шкивы и/или двигатели).

Для многих проектировщиков эти новые проблемы могут представлять сложную задачу, которую сначала нужно решить. Потому что то, что работало для множества различных технологий разомкнутого, двухпозиционного управления и псевдозамкнутого контура управления, теперь частично или в целом становится потенциальным препятствием для новой конструкции машины, отрицательно влияя на увеличение производительности и качество продукта. Таким образом, новая конструкция может потребовать дополнительных усилий со стороны разработчиков мехатроники, специализирующихся в области механики, электричества, электроники, управления, процессов и программирования, чтобы упростить и достичь поставленных целей управления рисками, оптимальной производительности и сокращения времени разработки.

Как правило, при использовании технологии сервопривода для достижения этой общей цели проектировщику необходимо увеличить возможность отклика полосы пропускания BW для каждой оси новой машины. Чтобы выполнить задачу, мы должны учитывать ряд переменных. Они включают в себя фрикционные нагрузки и любую внешнюю нагрузку (гравитационную или иную), инерцию между нагрузкой, отраженной обратно в двигатель, а также люфт и податливость каждой оси. Для типичного сервомеханизма желательно иметь муфту жесткого типа (сжатие и т. д.), чтобы свести к минимуму податливость.

Для осей с прямым приводом (серво­двигатель с полым валом) податливость стали между двигателем и нагрузкой может быть ограничивающим фактором. Податливость стали способна повлиять на конечную ширину полосы контуров серво­управления. Даже соответствие размера машины может стать важным фактором, воздействующим на возможности оси BW, стабильность движения и управляемость, тогда как с предыдущими технологиями это могло не иметь никакого значения. Например, для достижения максимально возможной ширины полосы пропускания оси, управляемости и минимального риска возникновения каких-либо проблем для моментных двигателей с прямым приводом очень важно спроектировать ведомый вал (если применимо) с максимально большим внешним размером, с наиболее короткой общей длиной вала.

Технология Cartridge DDR (рис. 3) моментных двигателей от Kollmorgen с прямым приводом использует подшипники машины для поддержки ротора полнокадрового двигателя, простоты установки и часто может устранить необходимость в механической передаче с улучшенными характеристиками (редукторы, шкивы, ремни и т. д.)

Cartridge DDR моментные двигатели Kollmorgen

Рис. 3. Cartridge DDR моментные двигатели Kollmorgen

Подведем итог и облегчим себе задачу, задав следующие вопросы:

  1. Требуется ли для рассматриваемой оси двухточечное перемещение (типичная работа в режиме позиционирования)? Если да, то нужно:
    • Максимально снизить инерцию нагрузки и инерцию механизма. Например, если возможно, использовать алюминий вместо стали и/или удалить ненужный металл из компонентов, особенно на больших диаметрах, где в противном случае этого не требуется. Стоит помнить, что момент инерции вращающегося компонента вокруг своей центральной оси увеличивается на его диаметр в 4-й степени.
    • Максимально уменьшить трение: подшипники вместо втулок, шариковый винт вместо винта с трапецеидальной головкой и т. д.
    • Максимально уменьшить податливость механизма (использовать изгиб кривой затрат и возможностей, когда это применимо).
    • Максимально уменьшить, минимизировать или исключить люфт механизма: ремень по сравнению с редуктором, по сравнению с прямым приводом и т. д.
    • Свести к минимуму количество движущихся тел между нагрузкой и двигателем и сделать привод механизма максимально жестким. Например, зубчатая рейка и шестерня должны быть заблокированы вместе, чтобы рейка/шестерня не поднималась на зубьях во время ускорения или замедления на высокой скорости.
    • Использовать жесткую (компрессионную и т. д.) или эквивалентную муфту, если это применимо для механизма, что снижает вероятность механического скручивания и в противном случае относительно большую инерцию муфты.
    • Для индексирования приложений (особенно высокоскоростных) увеличить разрешение обратной связи до максимума.
    • Убедиться, что предлагаемые методы контроля соответствуют протоколам безопасности и другим особым требованиям.
    • Предварительно рассмотреть основные требования к процедурам технического обслуживания в соответствии с протоколами процесса и безопасности.
  2. Требуется ли для рассматриваемой оси постоянная рабочая скорость (типичная работа в режиме скорости)? Если да, то нужно:
    • Необходимо учитывать допуски на скорость в долгосрочной и краткосрочной перспективе:
      • Если очень краткосрочный допуск является более критическим/доминирующим (меньший краткосрочный допуск D требуется для некоторой единицы времени), то инерция нагрузки, превышающая обычно желаемую, все же может быть более подходящей. Процесс должен быть понят, и в конкретном случае он может идти любым путем: минимальная инерция нагрузки (с максимальным разрешением обратной связи) или специально спроектированная большая инерция нагрузки (для уменьшения краткосрочного отклика) — очень трудно сделать вывод без конкретной информации о процессе.
      • Если преобладает долговременный допуск (жесткий долговременный допуск D требуется для некоторой единицы времени), то обычно предпочтительно максимизировать разрешение обратной связи, уменьшить нагрузку и инерцию механизма, позволяя сервоприводу поддерживать лучший контроль с максимальной шириной полосы пропускания.
      • Если для процесса требуется лучшее из обоих вариантов, то нужно уменьшить инерцию нагрузки и инерцию механизма и увеличить разрешение обратной связи до максимума.
    • Если допустимо, то следует:
      • Уменьшить инерцию нагрузки и инерцию механизма, насколько это возможно, чтобы увеличить пропускную способность
      • Максимально уменьшить трение.
      • Максимально уменьшить прилипание, особенно для низкоскоростных технологических процессов.
    • Увеличить разрешение обратной связи до максимума.
    • Органы управления: если возможно, рекомендуется запустить привод в режиме позиционирования в течение соответствующего времени и диапазона перемещений (обычно на серво­двигателе можно добиться лучшего допуска постоянной скорости при работе внутри контура положения).
    • Стоит убедиться, что предлагаемые методы контроля соответствуют протоколам безопасности и любым другим особым требованиям.
    • Рекомендуем предварительно рассмотреть основные требования к процедурам технического обслуживания в соответствии с протоколами процесса и безопасности.
  3. Требуется ли для рассматриваемой оси постоянное усилие, прилагаемое к некоторой нагрузке (обычно в режиме крутящего момента)? Если да, то нужно:
    • Максимально уменьшить трение, потому что трение может легко стать проблемой.
    • Если внешняя сила применяется в течение некоторого времени в состоянии заблокированного ротора, двигатель должен быть соответствующим образом рассчитан.
    • Стоит убедиться, что предлагаемые методы контроля соответствуют протоколам безопасности и любым другим особым требованиям.
    • Нужно предварительно рассмотреть основные требования к процедурам технического обслуживания в соответствии с протоколами процесса и безопасности.
  4. Требуется ли для рассматриваемой оси чрезвычайно низкая скорость (≤1 об/мин)? Если да, то нужно:
    • Максимально уменьшить трение; зацикленность легко может стать проблемой.
    • Устранить люфт механизма.
    • Максимально уменьшить податливость механизма, использовать жесткую (компрессионную и т. д.) или эквивалентную муфту, если это применимо для механизма, и минимизировать количество движущихся тел между нагрузкой и двигателем.
    • Увеличить разрешение обратной связи до максимума или минимума, использовать изгиб кривой стоимости для более высокого разрешения.
    • Управление: если это приложение скорости, а не позиционирование, то, если возможно, запустить привод в режиме позиционирования в течение соответствующего времени и диапазона перемещений (обычно лучший допуск постоянной скорости может быть достигнут на серво­двигателе при работе внутри контура положения).
    • Убедиться, что предлагаемые методы контроля соответствуют протоколам безопасности и любым другим особым требованиям.
    • Предварительно рассмотреть основные требования к процедурам технического обслуживания в соответствии с протоколами процесса и безопасности.
  5. Является ли рассматриваемая конкретная ось вертикальной? Если да:
    • Рекомендуется использовать отказо­устойчивый тормоз (внутренний по отношению к двигателю или внешний тормоз оси) и/или уравновешивающую нагрузку.
    • Если используется отказо­устойчивый тормоз, убедиться, что его физическое включение и выключение синхронизировано с командами привода с надлежащими задержками для включения и выключения тормоза.
    • При уравновешивании нагрузки принять во внимание инерцию дополнительной нагрузки и ее влияние на требования к моменту ускорения и замедления.
    • При уравновешивании нагрузки обычно возникают компромиссы из-за фактического времени цикла процесса, в результате чего уравновешивается только процент нагрузки.
    • Для частично несбалансированных нагрузок следует использовать смещение тока, когда это применимо, чтобы компенсировать несбалансированную нагрузку и минимизировать требования к интеграции контура управления (обычно уменьшает фазовый сдвиг и снижает риск).
    • Нужно убедиться, что предлагаемые методы контроля соответствуют протоколам безопасности и любым другим особым требованиям.
    • Предварительно рассмотреть основные требования к процедурам технического обслуживания в соответствии с протоколами процесса и безопасности.
    • Обратиться к предложениям выше для типичного режима работы оси: положение, скорость и т. д.

ООО «Сервостар»
Авторизованный партнер Kollmorgen в России
Москва, Семеновская набережная, д. 2/1, стр. 1
Тел.: +7 (495) 144-53-46
E-mail: info@servostar.ru
www.servostar.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.