Клиенты требуют меньшего обслуживания и размера оборудования, а также более быстрой производительности и настройки машины. Чтобы соответствовать этим требованиям, производители оборудования выбирают сервоуправляемое движение вместо механических компонентов.

Управление движением определяет возможности и ограничения машины. Поэтому, чтобы максимизировать ее пропускную способность и гибкость, а также сократить техническое обслуживание, вам часто приходится модернизировать способ управления движением в этой машине. Большинство причин перехода от традиционных конструкций управления и устройств к сервоуправлению заключаются в получении одного или нескольких из следующих преимуществ:

• Увеличение пропускной способности. Серводвигатели обеспечивают высокие показатели ускорения и скорости.
• Повышение точности. Сервоприводы могут обеспечить высокую точность, необходимую для обработки быстро движущейся детали.
• Повышение гибкости. Сервоприводы предлагают электронные версии традиционных механических компонентов. Например, электронные профили кулачков можно менять практически мгновенно. Программируемые профили движения можно подстраивать под различные размеры и конфигурации продукта. Электронные «передаточные» передаточные числа можно изменять для адаптации к различным скоростям машины. Кроме того, благодаря электронным редукторам двигатели можно размещать в любом удобном для применения месте, поскольку они устраняют необходимость в длинных валах, шестернях и ремнях.

Кроме того, один электрический «линейный вал» может быть связан с практически неограниченным количеством осей. Для машин с несколькими конфигурациями это означает, что дополнительные оси движения не требуют дополнительных механических связей.

Сервоприводы также добавляют гибкости из-за большего объема доступной информации. Например, многие сервоконтроллеры хранят историю неисправностей и состояний ошибок, что помогает в устранении неполадок. Большинство сервосистем также могут отображать диаграммы в стиле осциллографа для анализа производительности. • Сокращение обслуживания. Сервоприводы помогают сократить количество механических деталей в машине. Электронные шестерни заменяют ремни. Электронные кулачки не подвержены износу. Электронные концевые выключатели не требуют периодической перенастройки или замены.

Сервоприводы требуют определенного количества обучения и опыта. Если вы новичок в управлении сервоприводами, будьте готовы потратить некоторое время на выбор и применение вашей первой системы. (Примечание о терминологии сервоприводов: слово контроллер находит несколько применений. Система илидвижениеконтроллер обычно запускает программу, которая управляет движением;моторконтроллер управляет одниммотор. Чтобы избежать путаницы, мы будем называть контроллеры двигателей приводами).

Выбор и масштабирование приложения

Выбор и определение размера сервокомпонентов может показаться сложным из-за количества компонентов: двигателей, приводов, контроллера и возможности промышленного ПК или ПЛК. Если у вас есть опыт работы с механикой, это может пугать. К счастью, компании — поставщики компонентов и интеграторы систем управления — упаковывают эти компоненты вместе, а также предлагают помощь в применении. Независимо от того, делаете ли вы это самостоятельно или покупаете пакет, основной процесс таков:

Сначала выберите двигатель. Начните выбор двигателя с выбора формы двигателя. Двигатели с большими соотношениями сторон (длинные с малым диаметром) являются наиболее распространенными. Они могут быть квадратными или круглыми, и они обеспечивают отличную ценность и производительность. Дисковые двигатели (короткие с большим диаметром) подходят для узких мест и обеспечивают высокое ускорение благодаря своим малоинерционным роторам. Оба этих двигателя доступны в герметичном и негерметичном исполнении.

Бескорпусные или интегральные двигатели, разделяют ротор и статор для интеграции в машину. Эти двигатели обеспечивают компактную конструкцию и улучшают работу прямого привода за счет повышения точности и снижения вибрации.

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

Выбор двигателя. Размер двигателя в первую очередь основан на крутящем моменте: пиковом и непрерывном. Определение размера двигателей может быть сложной задачей, и ошибки могут быть обнаружены только на поздних этапах цикла разработки. Поскольку размер двигателя может быть трудно увеличить на этом этапе, разумно включить запас в свои расчеты. Если вы новичок в этом процессе, вам, вероятно, следует положиться на инженеров по применению в компаниях-производителях двигателей.

Выберите отзыв. Наиболее распространенными устройствами обратной связи являются энкодеры и резольверы. Энкодеры — это оптические устройства, которые производят 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 прочностью. Выберите тот, который лучше всего подходит для вашего приложения.

После выбора типа датчика обратной связи вам необходимо выбрать его разрешение. Обычно энкодер на 1000 линий или, что эквивалентно, 12-битный резольвер обеспечивают достаточное разрешение. Оба выдают около 4000 различных положений за оборот, что эквивалентно разрешению около 0,1 градуса. Однако, если вашему приложению требуется более высокое разрешение, вам следует выбрать датчик соответствующим образом. Одно предостережение: различайте разрешение и точность. Многие сервоприводы предлагают выбираемое разрешение для обратной связи резольвера; однако точность (обычно от 10 до 40 угловых минут) может не быть затронута.

Выберите диск. Подумайте, хотите ли вы модульный (отдельный) блок питания или интегрированный в привод. При наличии трех или более приводов одного семейства поблизости модульные блоки питания работают хорошо. При наличии одной оси обычно лучше подходят интегрированные блоки питания. При наличии двух осей оба решения примерно одинаковы.

Если вы планируете поместить привод в корпус, имейте в виду, что размеры приводов значительно различаются и могут повлиять на общий размер оборудования. В зависимости от размера корпуса вам также может потребоваться изучить различные варианты охлаждения.

Синусоидальная коммутация против шестиступенчатой

Форма волны мощности от привода к двигателю, как правило, бывает двух видов для бесщеточных серводвигателей: шестиступенчатая и синусоидальная. В синусоидальной форме форма волны тока, создаваемая приводом, создает ток, который приближается к синусоидальной волне. Это обеспечивает более плавный крутящий момент и меньший нагрев. Шестиступенчатый метод создает шестисегментную прямоугольную волну с использованием простой электроники. Несмотря на меньшую стоимость, шестиступенчатый метод имеет грубую работу на низких скоростях.

Гибкость настройки. Настройка, процесс выбора коэффициентов усиления в контурах обратной связи, необходима для высокой производительности и поддержания стабильной работы. В прошлом настройка была больше искусством, чем наукой. Теперь современные сервоприводы предоставляют множество инструментов, помогающих проектировщикам машин. Автоматическая настройка (или самонастройка), процесс, при котором привод возбуждает механическую систему и генерирует набор коэффициентов усиления контура, является почти стандартом. Большинство приводов настроены на цифровые коэффициенты усиления, поэтому вам не понадобится паяльник или подстроечный резистор (маленькая отвертка). Более сложные методы могут понадобиться вам лишь изредка, но их наличие обеспечивает больше возможностей.

Аналоговые приводы могут быть менее дорогими, но вам может потребоваться настроить контуры, настроив потенциометры или изменив пассивные компоненты. Какой бы выбор вы ни сделали, настройка является частью кривой обучения и требует некоторого изучения и экспериментирования.

Управляйте коммуникацией. Многие приводы используют аналоговый сигнал для передачи команд скорости и крутящего момента. Однако цифровая связь набирает популярность, поскольку она сокращает количество коммуникационных проводов и повышает гибкость системы. Многие приводы совместимы с такими сетями, как DeviceNet, Profibus и новой сетью, специально предназначенной для управления движением, которая называется Sercos.

Напряжение. Имейте в виду, что на заводе может быть трудно найти питание 110 В переменного тока. В Европе популярно 460 В переменного тока; использование приводов 230 В переменного тока может потребовать трансформатора в машинах для использования за рубежом. К сожалению, приводы 460 В переменного тока могут быть дорогими. Компромиссом является универсальный источник питания, который использует силовые полупроводники для преобразования уровней напряжения. Для систем с модульными источниками питания один универсальный источник питания может использовать любое напряжение от 230 до 480 В переменного тока для питания нескольких осей 230 В переменного тока.

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

Выберите контроллер

При выборе контроллера выбирайте одноосный или многоосный. Одноосные контроллеры объединяют контроллер движения, привод и часто блок питания, интегрированные в один пакет. В одно- или двухосных системах эти контроллеры могут снизить стоимость, размер, проводку и сложность системы.

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

После выбора контроллера вам нужно будет выбрать конфигурацию «box» или «board». Конфигурация box — это закрытый контроллер, способный работать автономно. Контроллеры board подключаются к промышленным компьютерам. Если на вашем станке уже есть промышленный компьютер, совместимая плата может снизить стоимость и улучшить интеграцию управления и станка. Если вы не планируете использовать промышленный компьютер, контроллер box обычно проще добавить.

Оцените набор функций

Наконец, оцените функции контроллера. Рассмотрите функции, обсуждавшиеся до сих пор: зубчатая передача, кулачковый механизм, высокоскоростная регистрация и программируемые концевые выключатели. Большинство контроллеров предлагают эти функции в той или иной форме, но их особенности следует сопоставлять с потребностями вашего приложения. Нужно ли вам изменять передаточные числа 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 этого приложения? Подойдет ли он для будущих версий вашего станка?

Работа с расходами

Стоимость сервокомпонентов часто выше, чем стоимость механических компонентов, которые они заменяют. Однако некоторые важные факторы смягчают эту более высокую стоимость. Например, устранение сложных механических устройств может снизить общую стоимость и размер машины, что может увеличить ценность системы. Сервоконтроллер часто заменяет ПЛК; в этом случае вся стоимость перехода на сервоприводы может быть компенсирована. Дополнительная гибкость может сократить количество моделей машин или процессов, необходимых для производства линейки машин, тем самым снижая производственные затраты.

Общие соображения

Помимо функций движения, есть и другие вопросы, которые следует задать. Способен ли язык поддерживать ваши процессы? Настолько ли он сложен, что вам придется 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 электронном управлении движением. Большинство компаний, предлагающих контроллеры, хорошо их поддерживают. В процессе выбора задавайте много вопросов. Это не только помогает вам оценить продукт, но и помогает вам оценить поддержку. Наконец, рассмотрите будущее деятельности по разработке в вашей компании. Выбирайте поставщиков, которые могут предоставлять продукты и поддержку сейчас и в течение следующих лет.