Os sistemas servo são parte integrante dos produtos eletromecânicos, fornecendo o mais alto nível de resposta dinâmica e densidade de torque. Portanto, a tendência no desenvolvimento de sistemas de acionamento é substituir os tradicionais acionamentos de velocidade variável hidráulicos, CC, de passo e CA por servoacionamentos CA. Essa transição tem como objetivo elevar o desempenho do sistema a um novo patamar, incluindo [...]
Os sistemas servo são parte integrante dos produtos eletromecânicos, fornecendo o mais alto nível de resposta dinâmica e densidade de torque.
Portanto, a tendência no desenvolvimento de sistemas de acionamento é substituir os tradicionais acionamentos de velocidade variável hidráulicos, CC, de passo e CA por servoacionamentos CA.
Essa transição visa elevar o desempenho do sistema a um novo patamar, incluindo ciclos mais curtos, maior produtividade, maior confiabilidade e vida útil mais longa.
Para maximizar o desempenho dos servomotores, é essencial compreender algumas de suas características exclusivas de uso.
Os clientes geralmente encontram ruído excessivo e operação instável ao usar servomotores em determinadas máquinas. Quando esses problemas surgem, a primeira reação de muitos usuários é questionar a qualidade do servomotor.
Isso ocorre porque, quando eles mudam para motores de passo ou motores de frequência variável para acionar a carga, o ruído e a instabilidade geralmente diminuem significativamente.
À primeira vista, de fato parece ser um problema com o servomotor.
Entretanto, uma análise cuidadosa do princípio de funcionamento do servomotor revela que essa conclusão é totalmente equivocada.
O sistema servo AC consiste em um servo drive, um servo motor e um sensor de feedback (geralmente, o servo motor vem com um codificador óptico).
Todos esses componentes operam em um sistema de controle de circuito fechado: o acionamento recebe informações de parâmetros do exterior e, em seguida, fornece uma corrente específica ao motor, que a converte em torque para acionar a carga.
A carga executa ações ou acelera/desacelera com base em suas características.
O sensor mede a posição da carga, permitindo que o dispositivo de acionamento compare o valor da informação definida com o valor real da posição. Em seguida, ele ajusta a corrente do motor para manter o valor da posição real consistente com o valor da informação definida.
Quando uma mudança repentina de carga causa uma variação de velocidade, o codificador transmite imediatamente essa mudança de velocidade para o servoacionamento.
Em seguida, o inversor altera a corrente fornecida ao servomotor para acomodar a mudança de carga e retornar à velocidade predefinida.
O servo sistema CA é um sistema de loop fechado altamente responsivo, em que o intervalo de tempo de resposta entre a flutuação da carga e a correção da velocidade é muito rápido. Nesse ponto, a principal limitação da resposta do sistema é o tempo de transmissão do dispositivo de conexão mecânica.
Para dar um exemplo simples: considere uma máquina que usa um servomotor para acionar uma carga de alta inércia e velocidade constante por meio de uma correia em V. O sistema inteiro precisa manter uma velocidade constante e características de resposta rápida. Vamos analisar seu processo de operação.
Quando o acionamento fornece corrente ao motor, o motor gera torque imediatamente. Inicialmente, devido à elasticidade da correia em V, a carga não acelera tão rapidamente quanto o motor.
O servomotor atinge a velocidade definida mais cedo do que a carga, momento em que o codificador montado no motor enfraquece a corrente, reduzindo posteriormente o torque. Como a tensão na correia em V aumenta continuamente, a velocidade do motor diminui.
Em seguida, o driver aumenta a corrente novamente, e esse ciclo se repete. Conta oficial: SolidWorks Non-standard Mechanical Design.
Nesse caso, o sistema oscila, o torque do motor flutua e a velocidade da carga flutua de acordo.
O ruído, o desgaste e a instabilidade resultantes são inevitáveis. Entretanto, eles não são causados pelo servomotor. Esses ruídos e instabilidade são originários do dispositivo de transmissão mecânica e se devem a uma incompatibilidade entre a alta velocidade da resposta do sistema servo e a transmissão mecânica mais longa ou o tempo de resposta.
Ou seja, a resposta do servomotor é mais rápida do que o tempo necessário para o sistema se ajustar ao novo torque.
Depois de identificar a raiz do problema, sua solução se torna muito mais fácil. Com relação ao exemplo anterior, você poderia:
(1) Aumentar a rigidez mecânica e reduzir a inércia do sistema, diminuindo assim o tempo de resposta das peças de transmissão mecânica. Por exemplo, substitua as correias em V por acionamentos diretos por parafuso ou use caixas de engrenagens em vez de correias em V.
(2) Diminua a velocidade de resposta do sistema servo e reduza a largura de banda de controle do sistema servo, como a diminuição do valor de ganho do sistema servo.
Obviamente, esses são apenas alguns dos motivos de ruído e instabilidade. Existem diferentes soluções para diferentes causas. Por exemplo, o ruído causado pela ressonância mecânica pode ser resolvido com a implementação de supressão de ressonância ou filtragem passa-baixa no sistema servo. Concluindo, as causas de ruído e instabilidade geralmente não se devem ao servomotor em si.
Durante a seleção e o ajuste de sistemas servo, a questão da inércia surge com frequência. Especificamente, ela se manifesta da seguinte forma:
1. Ao escolher um sistema servo, além de considerar fatores como o torque e a velocidade nominal do motor, precisamos primeiro calcular a inércia do sistema mecânico convertido para o eixo do motor.
Em seguida, escolhemos um motor com um tamanho de inércia adequado, com base nos requisitos reais de ação do maquinário e nos requisitos de qualidade da peça de trabalho.
2. Durante o ajuste (no modo manual), a configuração correta do parâmetro da taxa de inércia é um pré-requisito para maximizar o desempenho do maquinário e do sistema servo.
Esse ponto é particularmente proeminente em sistemas que exigem alta velocidade e alta precisão (o parâmetro da relação de inércia do servo Delta é 1-37, JL/JM). Assim, surge o problema da correspondência de inércia! Então, o que é exatamente a "correspondência de inércia"?
1. De acordo com a segunda lei de Newton, o torque necessário para o sistema de alimentação, T, é igual ao momento de inércia do sistema, J, multiplicado pela aceleração angular, θ. A aceleração angular θ afeta as características dinâmicas do sistema. Quanto menor for θ, maior será o tempo entre o comando do controlador e a execução do sistema, resultando em uma resposta mais lenta do sistema. Se θ flutuar, a resposta do sistema variará em velocidade, afetando a precisão da usinagem. Como a saída máxima T permanece constante depois que o motor é selecionado, se quisermos alterações mínimas em θ, J deve ser o menor possível.
2. A inércia total do eixo de alimentação, J, é igual à inércia rotacional do servomotor, JM, mais a inércia da carga convertida do eixo do motor, JL. A inércia de carga JL consiste na inércia de componentes lineares e rotativos, como a mesa de trabalho (no caso de máquinas-ferramenta), os acessórios e as peças de trabalho sobre ela, o parafuso, o acoplamento etc., todos convertidos em inércia no eixo do motor. JM representa a inércia do rotor do servomotor, que é uma constante quando o servomotor é selecionado, enquanto JL flutua com as alterações na carga, como a peça de trabalho. Se você quiser que a taxa de alteração em J seja menor, é melhor minimizar a proporção que JL ocupa. Isso é comumente chamado de "correspondência de inércia".
Agora que entendemos o que é a correspondência de inércia, que impactos específicos ela tem e como é determinada?
Impacto:
A inércia do acionamento afeta a precisão, a estabilidade e a resposta dinâmica do sistema servo. Uma inércia maior resulta em uma constante mecânica do sistema maior, em uma resposta mais lenta e em um sistema reduzido frequência naturale pode levar à ressonância.
Isso limita a largura de banda do servo e afeta a precisão e a velocidade de resposta do servo.
Um aumento adequado na inércia só é vantajoso quando se melhora o rastreamento em baixa velocidade. Portanto, no projeto mecânico, deve-se fazer esforços para minimizar a inércia sem comprometer a rigidez do sistema.
Determinação:
Ao avaliar as características dinâmicas de um sistema mecânico, quanto menor for a inércia, melhor será a resposta dinâmica do sistema. Por outro lado, uma inércia maior leva a uma carga maior do motor, tornando o controle mais desafiador.
No entanto, a inércia do sistema mecânico deve corresponder à inércia do motor. Mecanismos diferentes têm seleções variadas para princípios de correspondência de inércia, cada um com exibições funcionais exclusivas.
Por exemplo, durante o corte em alta velocidade com a CNC centro de usinagem por meio de um servomotor, quando a inércia da carga aumenta, ocorre o seguinte:
(1) Quando os comandos de controle mudam, o motor leva um tempo considerável para atingir os requisitos de velocidade da nova instrução;
(2) Podem ocorrer erros significativos quando a máquina opera ao longo de dois eixos para executar um corte arqueado rápido:
i. Em circunstâncias normais com servomotores típicos, se JL for menor ou igual a JM, os problemas acima não ocorrerão.
ii. Se JL for igual a 3 vezes JM, a capacidade de controle do motor diminuirá ligeiramente, mas isso não afetará a rotina corte de metais. (Para cortes curvos de alta velocidade, geralmente recomenda-se que JL seja menor ou igual a JM).
iii. Quando JL for 3 vezes JM ou mais, a capacidade de controle do motor diminuirá significativamente, o que é particularmente perceptível durante o corte de curvas em alta velocidade.
Diferentes ações mecânicas e requisitos de qualidade de usinagem exigem diferentes relações entre JL e JM.
A determinação da correspondência de inércia precisa ser baseada nas características tecnológicas da máquina e nos requisitos de qualidade do processo de usinagem.
Depois de finalizar o esquema de transmissão mecânica, é necessário selecionar e confirmar o modelo e o tamanho do servomotor.
(1) Critérios de seleção
Em geral, a seleção de um servomotor deve atender às seguintes situações:
(2) Cálculos de seleção
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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