Клиенты требуют снижения затрат на техническое обслуживание и уменьшения габаритов оборудования, а также ускорения обработки и настройки машин. Для удовлетворения этих требований производители оборудования отдают предпочтение сервоуправляемому движению вместо механических компонентов.

Управление движением определяет возможности и ограничения машины. Поэтому для максимизации ее производительности и гибкости, а также для сокращения затрат на техническое обслуживание часто необходимо модернизировать систему управления движением внутри этой машины. В большинстве случаев переход от традиционных систем управления и устройств к сервоуправлению обусловлен получением одного или нескольких из следующих преимуществ:

• Повышение производительности. Сервомоторы обеспечивают высокую скорость и ускорение.
• Повышение точности. Сервоприводы обеспечивают высокую точность, необходимую для обработки быстро движущихся деталей.
• Повышение гибкости. Сервоприводы предлагают электронные версии традиционных механических компонентов. Например, электронные профили кулачков можно изменять практически мгновенно. Программируемые профили движения могут адаптироваться к различным размерам и конфигурации изделия. Электронные передаточные числа могут изменяться для обеспечения различных скоростей вращения станка. Кроме того, благодаря электронным редукторам двигатели можно размещать в любом удобном для применения месте, поскольку они исключают необходимость в длинных валах, шестернях и ремнях.

Кроме того, один электрический «линейный вал» может соединяться практически с неограниченным количеством осей. Для машин с несколькими конфигурациями это означает, что для дополнительных осей перемещения не требуются дополнительные механические соединения.

Сервоприводы также повышают гибкость благодаря расширенному объему доступной информации. Например, многие контроллеры сервоприводов хранят историю неисправностей и ошибок, что облегчает поиск и устранение неисправностей. Большинство сервосистем также могут отображать диаграммы в виде осциллографа для анализа производительности. • Сокращение затрат на техническое обслуживание. Сервоприводы помогают уменьшить количество механических деталей в машине. Электронные шестерни заменяют ремни. Электронные кулачки не подвержены износу. Электронные концевые выключатели не требуют периодической регулировки или замены.

Для работы с сервоприводами требуется определенное изучение и опыт. Если вы новичок в управлении сервоприводами, приготовьтесь потратить некоторое время на выбор и установку вашей первой системы. (Небольшое замечание по терминологии, касающейся сервоприводов: слово «контроллер» имеет несколько значений. Система илидвижениеКонтроллер обычно запускает программу, управляющую движением;моторконтроллер управляет одниммоторВо избежание путаницы мы будем называть контроллеры двигателей приводами.

Расчет размеров и выбор приложения

Выбор и подбор компонентов сервопривода может показаться сложным из-за большого количества элементов: двигателей, приводов, контроллеров, а также возможности использования промышленного ПК или ПЛК. Если у вас есть опыт работы в области механики, это может показаться пугающим. К счастью, компании — поставщики компонентов и интеграторы систем управления — предлагают эти компоненты в комплекте, а также помощь в их применении. Независимо от того, делаете ли вы это самостоятельно или покупаете готовый комплект, основной процесс выглядит следующим образом:

Сначала выберите двигатель.Начните выбор двигателя с определения его формы. Наиболее распространены двигатели с большим соотношением сторон (длинные, с малым диаметром). Они могут быть квадратными или круглыми и обеспечивают отличное соотношение цены и качества, а также производительность. Дисковые двигатели (короткие, с большим диаметром) подходят для установки в ограниченном пространстве и обеспечивают высокое ускорение благодаря роторам с низкой инерцией. Оба типа двигателей доступны в герметичном и негерметичном исполнении.

В бескаркасных или цельнолитых двигателях ротор и статор разделены для интеграции в машину. Такие двигатели обеспечивают компактную конструкцию и улучшают работу с прямым приводом за счет повышения точности и снижения вибрации.

Линейные двигатели, заменяющие стандартный роторный двигатель и соответствующие приводные механизмы, создают линейное движение напрямую. Они позволяют одновременно в несколько раз повысить производительность и точность.

Расчет размеров двигателяРазмер двигателя определяется в первую очередь крутящим моментом: пиковым и постоянным. Расчет размеров двигателей может быть сложной задачей, и ошибки могут быть обнаружены только на поздних этапах разработки. Поскольку на этом этапе увеличить размер двигателя может быть сложно, целесообразно закладывать запас прочности в расчеты. Если вы новичок в этом процессе, вам, вероятно, следует обратиться за помощью к инженерам-технологам в компаниях-производителях двигателей.

Выберите вариант ответаНаиболее распространенными устройствами обратной связи являются энкодеры и резольверы. Энкодеры — это оптические устройства, генерирующие 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 надежностью. Выберите тот, который лучше всего подходит для вашего применения.

После выбора типа датчика обратной связи необходимо выбрать его разрешение. Как правило, энкодер на 1000 линий или, эквивалентно, 12-битный резольвер обеспечат достаточное разрешение. Оба датчика обеспечивают около 4000 различных положений за оборот, что эквивалентно разрешению примерно в 0,1 градуса. Однако, если для вашего приложения требуется более высокое разрешение, следует выбрать соответствующий датчик. Важно помнить о различиях между разрешением и точностью. Многие сервоприводы предлагают выбираемое разрешение для обратной связи резольвера; однако точность (обычно от 10 до 40 угловых минут) может остаться неизменной.

Выберите дискПодумайте, нужен ли вам модульный (отдельный) блок питания или интегрированный в привод. При наличии трех и более приводов одного семейства в непосредственной близости модульные блоки питания подходят лучше. При работе с одной осью интегрированные блоки питания обычно лучше подходят. При работе с двумя осями оба решения примерно одинаковы.

Если вы планируете установить накопитель в корпус, имейте в виду, что размеры накопителей значительно различаются и могут повлиять на общие габариты оборудования. В зависимости от размера корпуса вам также может потребоваться рассмотреть различные варианты охлаждения.

Коммутация синусов против шестишаговой коммутации

Для бесщеточных серводвигателей форма сигнала от привода к двигателю обычно бывает двух типов: шестиступенчатая и синусоидальная. При синусоидальной форме сигнала, создаваемого приводом, ток приближается к синусоидальной волне. Это обеспечивает более плавный крутящий момент и меньший нагрев. Шестиступенчатый метод создает шестисегментный прямоугольный сигнал с использованием простой электроники. Хотя шестиступенчатый метод дешевле, он имеет неровную работу на низких скоростях.

Гибкость настройкиНастройка, процесс выбора коэффициентов усиления в контурах обратной связи, необходима для высокой производительности и поддержания стабильной работы. В прошлом настройка была скорее искусством, чем наукой. Теперь современные сервоприводы предоставляют множество инструментов для помощи конструкторам машин. Автоматическая настройка (или самонастройка), процесс, при котором привод возбуждает механическую систему и генерирует набор коэффициентов усиления контура, стала практически стандартом. Большинство приводов настраиваются с помощью цифровых коэффициентов усиления, поэтому вам не понадобится паяльник или подстроечный резистор (маленькая отвертка). Более сложные методы могут потребоваться лишь изредка, но их наличие расширяет возможности.

Аналоговые приводы могут быть дешевле, но вам может потребоваться настройка контуров путем регулировки потенциометров или замены пассивных компонентов. Какой бы вариант вы ни выбрали, настройка — это часть процесса обучения, требующая некоторого изучения и экспериментирования.

Управление связьюМногие приводы используют аналоговый сигнал для передачи команд скорости и крутящего момента. Однако цифровая связь набирает популярность, поскольку она уменьшает количество проводов и повышает гибкость системы. Многие приводы совместимы с такими сетями, как DeviceNet, Profibus и новой сетью, специально разработанной для управления движением, под названием Sercos.

НапряжениеСледует учитывать, что на заводе может быть сложно найти питание 110 В переменного тока. В Европе популярно напряжение 460 В переменного тока; для использования приводов на 230 В переменного тока в машинах, предназначенных для зарубежных рынков, может потребоваться трансформатор. К сожалению, приводы на 460 В переменного тока могут быть дорогими. Компромиссным решением является универсальный блок питания, использующий силовые полупроводники для преобразования уровней напряжения. В системах с модульными блоками питания один универсальный блок питания может использовать любое напряжение от 230 до 480 В переменного тока для питания нескольких осей, работающих от 230 В переменного тока.

И последнее, что следует учесть: использование лишь небольшого количества семейств приводов на станке упрощает список запасных частей.

Выберите контроллер

При выборе контроллера отдайте предпочтение одноосевому или многоосевому варианту. Одноосевые контроллеры объединяют в одном корпусе контроллер движения, привод и часто источник питания. В одно- или двухосевых системах такие контроллеры позволяют снизить стоимость, габариты, количество проводов и сложность системы.

Многоосевые контроллеры обычно лучше подходят для более сложных систем. Во-первых, они, как правило, снижают стоимость, особенно по мере увеличения количества осей. Во-вторых, они упрощают систему, поскольку одна программа может управлять всем движением. Эти контроллеры движения также обеспечивают большую гибкость в синхронизации, поскольку обычно позволяют любой оси связываться с любой другой осью и изменять эту связь во время выполнения программы.

После выбора контроллера вам потребуется выбрать конфигурацию: «корпусная» или «платная». Коробчатая конфигурация — это контроллер в корпусе, способный работать автономно. Платные контроллеры подключаются к промышленным компьютерам. Если на станке уже установлен промышленный компьютер, совместимая плата может снизить стоимость и улучшить интеграцию системы управления и станка. Если вы не планируете использовать промышленный компьютер, обычно проще добавить контроллер в корпусе.

Оцените набор функций.

Наконец, оцените возможности контроллера. Рассмотрите функции, обсуждавшиеся ранее: зубчатая передача, кулачковый механизм, высокоскоростная фиксация и программируемые концевые выключатели. Большинство контроллеров предлагают эти функции в той или иной форме, но конкретные характеристики необходимо сопоставить с потребностями вашего приложения. Нужно ли вам изменять передаточные числа во время работы? Нужно ли вам модифицировать профили кулачков на лету? Какая точность фиксации вам необходима? Требуется ли вам изменение скорости или целевого положения во время работы? Поддерживает ли контроллер достаточное количество осей для данного приложения? Будет ли он совместим с будущими версиями вашей машины?

Работа с затратами

Стоимость компонентов сервоприводов часто выше, чем стоимость заменяемых ими механических компонентов. Однако некоторые важные факторы компенсируют эту более высокую стоимость. Например, отказ от сложных механических устройств может снизить общую стоимость и габариты машины, что может повысить ценность системы. Контроллер сервоприводов часто заменяет ПЛК; в этом случае вся стоимость перехода на сервоприводы может быть компенсирована. Дополнительная гибкость может уменьшить количество моделей машин или процессов, необходимых для производства линии машин, тем самым снижая производственные затраты.

Общие соображения

Помимо функций управления движением, следует задать и другие вопросы. Способен ли язык программирования поддерживать ваши процессы? Не настолько ли он сложен, что вам потребуется потратить чрезмерное время на его изучение? Поддерживает ли продукт многозадачность? Многозадачность — это метод, позволяющий писать разные программы для разных процессов, что упрощает программирование сложных механизмов.

На все эти вопросы может быть сложно ответить, особенно если вы новичок в электронном управлении движением. Большинство компаний, предлагающих контроллеры, обеспечивают им хорошую поддержку. В процессе выбора задавайте много вопросов. Это поможет вам оценить не только сам продукт, но и качество поддержки. Наконец, подумайте о планах развития вашей компании. Выбирайте поставщиков, которые смогут предоставлять продукты и поддержку сейчас и в последующие годы.