Präzision maximieren: Getriebe mit Servomotoren optimal kombinieren

Getriebe mit Servomotoren kombinieren

Maschinenkonstrukteure setzen zunehmend auf Getriebe, um die neuesten Fortschritte in der Servomotortechnologie zu nutzen. Im Wesentlichen wandelt ein Getriebe hochdrehende, niedrigdrehmomentige Energie in niedrigdrehende, hochdrehmomentige Ausgabe um. Ein Servomotor bietet hochpräzise Positionierung seiner Abtriebswelle. Bei der Kombination von Getrieben mit Servomotoren verstärken sie gegenseitig ihre Stärken und liefern eine kontrollierte Bewegung, die präzise, robust und zuverlässig ist.
Da sich die Servotechnologie weiterentwickelt hat, mit Herstellern, die kleinere, aber leistungsstärkere Motoren produzieren, werden Getriebe zu immer wichtigeren Partnern in der Bewegungssteuerung. Die optimale Paarung erfordert die Berücksichtigung vieler ingenieurtechnischer Aspekte. Bevor wir darauf eingehen, hier eine kurze Übersicht der Getriebegrundlagen.

Getriebegrundlagen

Wie stellt ein Getriebe die für die heutigen anspruchsvolleren Anwendungen erforderliche Leistung bereit? Nun, das geht zurück auf die Grundlagen von Zahnrädern und ihrer Fähigkeit, die Größe oder Richtung einer angewendeten Kraft zu ändern.

Getriebe können dies auf verschiedene Weise erreichen:

Drehmomentvervielfachung. Die Zahnräder und die Anzahl der Zähne auf jedem Rad erzeugen ein Übersetzungsverhältnis. Wenn ein Motor 20 in-lbs Drehmoment erzeugen kann und ein 10:1 Getriebe an seinen Ausgang angebracht wird, beträgt das resultierende Drehmoment fast 200 in-lbs. Angesichts des anhaltenden Fokus auf kleinere Baugrößen für Motoren und die von ihnen angetriebenen Geräte ist die Fähigkeit, einen kleineren Motor mit einem Getriebe zu koppeln, um das gewünschte Drehmoment zu erreichen, unschätzbar wertvoll.

Ein Motor kann mit 2.000 U/min ausgelegt sein, aber Ihre Anwendung erfordert das möglicherweise nicht. Den Motor mit 50 U/min zu betreiben, ist möglicherweise nicht optimal aus folgenden Gründen;

Bei sehr niedriger Geschwindigkeit, wie 50 U/min, kann eine unzureichende Rückführungsauflösung des Motors dazu führen, dass die Aktualisierungsrate des elektronischen Antriebs eine Geschwindigkeitswelligkeit verursacht, die bei jeder 0,357 Grad Wellenrotation einen messbaren Zählwert aufweist. Wenn der elektronische Antrieb, der den Motor steuert, eine Geschwindigkeitsregelschleife von 0,125 Millisekunden hat, sucht er bei 50 U/min (300 Grad/Sek) alle 0,0375 Grad Wellenrotation nach diesem messbaren Zählwert. Wenn er ihn nicht sieht, beschleunigt er den Motor, um ihn zu finden. Bei der Geschwindigkeit, bei der er den nächsten messbaren Zählwert findet, ist die Drehzahl für die Anwendung zu hoch, und der Antrieb bremst den Motor wieder auf 50 U/min ab, worupon der gesamte Prozess von neuem beginnt. Diese ständige Erhöhung und Verringerung der Drehzahlen verursacht Geschwindigkeitswelligkeit in der Anwendung.

• Ein Servomotor, der mit niedriger Drehzahl läuft, arbeitet ineffizient. Wirbelströme sind Schleifen elektrischer Ströme, die während des Betriebs im Motor induziert werden. Die Wirbelströme erzeugen eine Bremskraft im Motor und haben bei niedrigeren Drehzahlen einen stärkeren negativen Einfluss auf die Motorleistung.

• Die Parameter eines Standardmotors sind möglicherweise nicht für den Betrieb bei niedriger Drehzahl geeignet. Wenn eine Anwendung den oben genannten Motor mit 50 U/min betreibt, nutzt sie nicht alle verfügbaren U/min. Da die Spannungskonstante (V/Krpm) des Motors für eine höhere Drehzahl ausgelegt ist, ist die Drehmomentkonstante (Nm/Ampere) – die direkt damit zusammenhängt – niedriger als nötig. Folglich benötigt die Anwendung mehr Strom, um sie anzutreiben, als wenn die Anwendung einen speziell für 50 U/min ausgelegten Motor hätte. Das Übersetzungsverhältnis eines Getriebes reduziert die Motordrehzahl, weshalb Getriebe manchmal als Getriebewandler bezeichnet werden. Mit einem Getriebe mit 40:1 Verhältnis beträgt die Motordrehzahl am Getriebeeingang 2.000 U/min und am Getriebeausgang 50 U/min. Den Motor mit der höheren Drehzahl zu betreiben, vermeidet die in Punkten 1 und 2 genannten Bedenken. Punkt 3 ermöglicht es dem Design, basierend auf dem mechanischen Vorteil des Getriebes weniger Drehmoment und Strom vom Motor zu benötigen.

Als Beispiel betrachten Sie eine Person, die ein Fahrrad fährt, wobei die Person als Motor fungiert. Wenn diese Person versucht, den Berg in einem Gang für niedrige Drehzahlen hinaufzufahren, wird sie kämpfen, während sie versucht, ihr Gleichgewicht zu halten und eine Drehzahl zu erreichen, die es ihr erlaubt, den Berg zu erklimmen. Wenn sie jedoch die Gänge des Fahrrads in einen Gang schaltet, der eine höhere Drehzahl erzeugt, wird der Fahrer eine viel leichtere Zeit haben. Eine konstante Kraft kann mit ruhiger Rotation aufgebracht werden. Dieselbe Logik gilt für industrielle Anwendungen, die niedrigere Geschwindigkeiten bei Beibehaltung des notwendigen Drehmoments erfordern.

• Trägheitsanpassung. Aktuelle Servomotoren erzeugen mehr Drehmoment relativ zur Baugröße aufgrund dichter Kupferwicklungen, leichter Materialien und hochenergetischer Magnete.

Dies führt zu Trägheitsunterschieden zwischen Servomotoren und den Lasten, die sie zu bewegen versuchen. Die Verwendung eines Getriebes, um die Motorträgheit besser an die Lastträgheit anzupassen, ermöglicht den Einsatz eines kleineren Motors, was zu einem reaktionsschnelleren System führt, das einfacher abzustimmen ist. Dies wird wieder durch das Übersetzungsverhältnis des Getriebes erreicht, wobei die auf den Motor reflektierte Lastträgheit um 1/Verhältnis² verringert wird.

Erinnern Sie sich: Trägheit ist das Maß für den Widerstand eines Objekts gegen Änderungen seiner Bewegung und eine Funktion von Masse und Form des Objekts. Je größer die Trägheit eines Objekts, desto mehr Drehmoment wird benötigt, um es zu beschleunigen oder abzubremsen. Das bedeutet, wenn die Lastträgheit viel größer ist als die Motorträgheit, kann dies zu übermäßigem Überschwingen oder erhöhten Einstellzeiten führen. Beide Bedingungen können den Durchsatz der Produktionslinie verringern.

Andererseits, wenn die Motorträgheit größer ist als die Lastträgheit, benötigt der Motor mehr Leistung als für die jeweilige Anwendung notwendig. Dies erhöht die Kosten, da man für einen größeren als notwendigen Motor mehr bezahlt und der erhöhte Stromverbrauch höhere Betriebskosten verursacht. Die Lösung ist die Verwendung eines Getriebes, um die Motorträgheit an die Lastträgheit anzupassen.

Systemkosteneinsparungen

Getriebe ermöglichen den Einsatz kleinerer Motoren und Antriebe, was die Systemkosten senken kann. Da kleinere Servosysteme weniger Ampere ziehen, reduzieren sie die Betriebskosten. Die Stromersparnis ist am größten, wenn Anwendungen hohes Drehmoment und niedrige Geschwindigkeit erfordern, da direktangetriebene Servomotoren deutlich größer sein müssen als Servomotoren, die mit Getrieben gekoppelt sind.

Getriebe treiben oft lange Mechanismen an, wie Materialzuführsysteme, die Längen von Draht, Holz oder Metall bewegen, wo hohe Geschwindigkeit nicht essenziell, aber hohes Drehmoment und hochwiederholbare Genauigkeit kritisch sind. Die Kombination von Getrieben mit Servomotoren in solchen Anwendungen kann unübertroffene Flexibilität im Vergleich zu einem herkömmlichen Direktantriebsmotor bieten. Die Servo-Getriebe-Kombination kostet weniger im Betrieb, nimmt weniger Platz ein und bietet eine Trägheitsanpassung für bessere Bewegungssteuerung.