Guia de selecció de servomotors: explicació de parell, velocitat i precisió

Escollir el servomotor adequat per a una màquina industrial pot ser més complicat que simplement comprovar la potència nominal del motor.

Un servomotor pot tenir prou potència, però encara no pot proporcionar el parell suficient durant l'acceleració. Pot assolir la velocitat màxima requerida, però funciona malament a velocitat baixa. També pot tenir un codificador d'alta-resolució, però la màquina completa encara no pot aconseguir la precisió de posicionament requerida per l'aplicació.

El motiu és senzill: el parell, la velocitat i la precisió estan connectats.

Quan seleccioneu un servomotor, heu de mirar el motor, el codificador, el servoaccionament, la transmissió mecànica i la càrrega real com un sistema de control de moviment complet.

Aquesta guia explica els tres més importantsservomotorfactors de selecció-parell, velocitat i precisió-i mostra com utilitzar-los junts a l'hora de triar un motor per a aplicacions industrials.

Per què són importants el parell, la velocitat i la precisió en la selecció de servomotors

Diferents màquines fan demandes diferents als seus servomotors.

Una màquina d'envasament pot necessitar una acceleració ràpida i una parada precisa.

Un transportador pot necessitar un control constant de parell i velocitat.

Una articulació robòtica pot necessitar un parell elevat en un paquet compacte.

Una màquina CNC pot prioritzar la precisió de posicionament i un funcionament suau a baixa -velocitat.

Per tant, no hi ha un únic servomotor que sigui el "millor" per a cada aplicació.

El motor adequat ha de proporcionar la combinació requerida de:

• Parell continu
• Parell màxim
• Velocitat de funcionament
• Velocitat màxima
• Acceleració
• Precisió de posicionament
• Resolució del codificador
• Inèrcia de càrrega
• Cicle de treball

Entre aquests paràmetres, el parell, la velocitat i la precisió són els tres punts de partida més importants.

1. Parell: pot el servomotor moure la vostra càrrega?

El parell determina quanta força de rotació pot produir el servomotor.

Per als equips industrials, el parell sol ser més important que simplement mirar la potència.

Un servomotor necessita un parell suficient per superar la resistència mecànica de la màquina i accelerar la càrrega.

El requisit de parell total pot incloure:

Parell de càrrega

Parell de fricció

Parell d'acceleració

Parell-relacionat a la gravetat

Pèrdues de transmissió

Això significa que el motor no s'ha de seleccionar només segons el pes de la càrrega.

L'estructura mecànica de la màquina importa igual.

Parell continu vs parell màxim

Aquesta és una de les distincions més importants a l'hora de seleccionar un servomotor.

Parell continu

El parell continu és la quantitat de parell que el motor pot oferir durant el funcionament normal sense superar els seus límits tèrmics.

És important quan el motor ha de funcionar sota càrrega durant llargs períodes.

Per exemple:

Un transportador pot requerir 5 N·m de parell contínuament.

En aquest cas, el motor seleccionat hauria de tenir un parell continu suficient per suportar la càrrega de 5 N·m sense funcionar contínuament al seu límit tèrmic.

Parell màxim

El parell màxim és el parell més alt disponible durant períodes curts.

Esdevé important durant:

• Posada en marxa
• Acceleració
• Desacceleració ràpida
• Canvis de direcció
• Canvis sobtats de càrrega

Per exemple, una màquina pot requerir:

Parell continu de 5 N·m

però

Parell màxim de 10 N·m

durant l'acceleració.

Un motor amb un parell continu adequat però amb un parell màxim insuficient pot funcionar normalment a velocitat constant, però lluitar sempre que la màquina necessiti accelerar ràpidament.

Per això s'han de comprovar ambdós números.

Quant de marge de parell hauríeu de deixar?

Un error comú és triar un motor el parell nominal del qual és exactament igual a la càrrega calculada.

Les màquines reals rarament funcionen en condicions perfectament constants.

Les càrregues poden canviar a causa de:

• Pes del producte
• Fregament mecànic
• Temperatura
• Desgast
• Acceleració
• Eficiència de la transmissió
• Condicions de producció
• Per tant, un marge d'enginyeria raonable és útil.

Tanmateix, simplement triar un motor que sigui diverses vegades més gran que la càrrega calculada no és necessàriament millor.

Un motor sobredimensionat pot augmentar:

• Cost del motor
• Cost del servomotor
• Inèrcia del sistema
• Espai d'instal·lació
• Consum d'energia

L'objectiu és proporcionar prou capacitat de parell sense sobredimensionar innecessàriament el sistema.

2. Velocitat: a quina velocitat ha de funcionar el motor?

La velocitat és la segona consideració important.

Quan seleccioneu un servomotor, no mireu només les RPM màximes.

Heu de determinar tres punts de funcionament:

Velocitat mínima de funcionament

Velocitat de funcionament normal

Velocitat màxima de funcionament

La pregunta important no és:

"A quina velocitat pot girar aquest motor?"

És:

"Pot aquest motor proporcionar el parell requerit a la velocitat que realment necessita la meva màquina?"

Aquesta distinció és molt important.

Un servomotor pot tenir una velocitat màxima de 5.000 RPM, però això no vol dir que pugui proporcionar el seu parell màxim a 5.000 RPM.

Els servomotors tenen característiques de parell-velocitat que cal tenir en compte durant la selecció.

Per què l'alta velocitat i el parell elevat poden ser difícils de combinar

La velocitat i el parell del motor estan estretament relacionats amb les característiques elèctriques i mecàniques del motor.

Quan augmenta la velocitat, el motor pot entrar en una regió on el parell disponible disminueix.

Això crea una pregunta de selecció important:

Necessites un parell elevat, una alta velocitat o tots dos alhora?

Per exemple:

Aplicació A

Velocitat de funcionament: 1.000 RPM

Parell requerit: 10 N·m

Aplicació B

Velocitat de funcionament: 4.000 RPM

Parell requerit: 10 N·m

Tot i que ambdues aplicacions requereixen el mateix parell, l'aplicació B és molt més exigent perquè el motor ha de mantenir aquest parell a una velocitat molt superior.

Per tant, mirar només la qualificació de parell no és suficient.

Comproveu sempre la corba de parell{0}}velocitat del motor.

La velocitat també es refereix a l'acceleració

Per a aplicacions servo, la velocitat màxima és només una part de l'equació.

L'acceleració pot ser encara més important.

Penseu en una màquina que s'ha de moure de:

0 → 3.000 RPM en 0,2 segons

Això és molt diferent d'una màquina que pren:

10 segons per arribar a les 3.000 RPM.

La primera aplicació requereix un rendiment dinàmic molt més gran.

El motor ha de proporcionar un parell suficient per accelerar el rotor i la càrrega connectada en el temps requerit.

És per això que els requisits d'acceleració s'han de proporcionar al proveïdor del motor durant la selecció.

3. Precisió: amb quina precisió pot posicionar la càrrega el servomotor?

La precisió s'entén sovint malament en la selecció del servomotor.

Molts compradors assumeixen que una alta resolució del codificador significa automàticament que la màquina tindrà una precisió de posicionament extremadament alta.

Això no és necessàriament cert.

La precisió real del sistema depèn de diversos components:

• Resolució del codificador
• Algoritme de control de servo
• Reacció mecànica
• Rigidesa de l'eix
• Precisió de la caixa de canvis
• Flexibilitat d'acoblament
• Vibració de la màquina
• Inèrcia de càrrega
• Tolerància mecànica de fabricació

El codificador és només una part del sistema complet.

Resolució del codificador vs precisió de posicionament real

Aquests dos termes no s'han de tractar com el mateix.

Resolució del codificador

La resolució del codificador descriu amb quina fiabilitat el codificador pot detectar els canvis en la posició de l'eix.

Una resolució més alta proporciona més informació de retroalimentació al controlador.

Això pot millorar:

• Feedback de posició
• Suavitat a -velocitat baixa
• Control de moviment
• Repetibilitat

Però una resolució més alta no elimina automàticament els errors mecànics.

Precisió de posicionament real

La precisió de posicionament descriu fins a quin punt està la posició mecànica real de la posició comandada.

Per exemple, si una màquina es mou a 100,00 mm, però la posició final és de 100,08 mm, l'error de posicionament és de 0,08 mm.

Aquest error pot provenir de:

• Reacció de la caixa de canvis
• Elasticitat del cinturó
• Error de plom del cargol
• Deformació mecànica
• Muntatge del codificador
• Moviment de càrrega

Per tant, quan un client diu "Necessito un servomotor-de gran precisió", la pregunta correcta és:

Quina precisió necessita realment la màquina completa?

Repetibilitat vs Precisió

Aquests també són conceptes diferents.

Una màquina pot aturar-se repetidament gairebé exactament a la mateixa posició, però encara estar lleugerament allunyada de la posició comandada.

Per exemple:

• Posició objectiu: 100,00 mm
• Resultats reals:
• 100,08 mm
• 100,08 mm
• 100,07 mm
• 100,08 mm

El sistema té una bona repetibilitat però poca precisió absoluta.

Aquesta distinció és important en aplicacions com ara:

• Equips CNC
• Robòtica
• Maquinària d'inspecció
• Equips semiconductors
• Muntatge de precisió
• Sistemes de posicionament automatitzats

Inèrcia de càrrega: el factor ocult darrere del rendiment dels servos

El parell, la velocitat i la precisió no es poden avaluar per separat de la inèrcia de càrrega.

Un servomotor pot tenir prou parell nominal, però encara funciona malament si la càrrega connectada té una inèrcia molt alta.

Una inèrcia elevada pot provocar:

• Acceleració lenta
• Desbordament
• Vibració
• Temps llarg d'assentament
• Errors de posicionament
• Inestabilitat del servo

Les càrregues d'alta{0}}inèrcia habituals inclouen:

• Rodets grans
• Taules rotatives
• Volants
• Grans engranatges
• Braços robòtics pesats
• Conjunts rotatius de gran-massa

Per aquest motiu, el proveïdor del motor ha de conèixer la inèrcia de càrrega aproximada sempre que sigui possible.

Per què és important el servomotor

El servomotor és només una part del sistema.

El servoaccionament determina com es lliura l'energia elèctrica al motor i com es processa el senyal de retroalimentació.

Abans de seleccionar un motor, verifiqueu la compatibilitat entre:

• Tensió del motor
• Corrent del motor
• Codificador
• Servoaccionament
• Controlador
• Interfície de comunicació

Un motor amb unes especificacions excel·lents encara pot oferir mals resultats si la unitat no s'adapta correctament.

Per tant, el motor i l'accionament s'han de seleccionar com a sistema.

Escollir el servomotor adequat per aplicació

Les diferents aplicacions prioritzen diferents especificacions.

És per això que simplement demanar "un servomotor de 2 kW" no proporciona prou informació per a una selecció adequada.

Servomotors 24V vs 48V vs 220V

La tensió és un altre factor de selecció important.

Servomotor de 24 V

Els servomotors de 24 V es consideren habitualment per a:

AGV

AMR

Robots mòbils

Màquines-alimentades amb bateria

Equips d'automatització compactes

Són especialment convenients quan la màquina ja utilitza una arquitectura elèctrica de 24 V CC.

Servomotor de 48 V

Els sistemes de 48 V poden proporcionar més potència amb un corrent menor en comparació amb els sistemes de 24 V.

Això pot ser útil per a:

Robots mòbils

Equips elèctrics

Automatització de-potència mitjana

Sistemes industrials-alimentats per bateries

Un corrent més baix també pot ajudar a reduir la mida del cable i les pèrdues elèctriques.

Servomotor de 220 V

Els servomotors de 220 V s'utilitzen àmpliament en l'automatització industrial on es requereix una potència més gran.

Les aplicacions típiques inclouen:

Maquinària CNC

Robots industrials

Maquinària d'embalatge

Equips de producció automatitzats

La tensió adequada depèn de l'arquitectura elèctrica completa de la màquina en lloc de la preferència del motor.

Quan necessiteu una caixa de canvis?

Es pot requerir una caixa de canvis quan l'aplicació necessiti:

Alt parell de sortida

Baixa velocitat de sortida

Alta precisió de posicionament

Millor concordança de la inèrcia

Per exemple, un servomotor pot funcionar de manera eficient a diversos milers de RPM, mentre que la màquina només necessita uns quants centenars de RPM.

Una caixa de canvis pot reduir la velocitat alhora que augmenta el parell de sortida.

Tanmateix, les caixes de canvis també introdueixen:

Reacció

Pèrdues mecàniques

Cost addicional

Manteniment addicional

Per a aplicacions de precisió, el joc de la caixa de canvis s'ha d'incloure a l'anàlisi de precisió.

Quan hauríeu de triar un servomotor d'alt parell?

Val la pena tenir en compte un servomotor d'alt parell quan l'aplicació implica:

Càrregues pesades

Ràpida acceleració

Arrancada i parada freqüent

Alta inèrcia

Elevació vertical

Grans equips rotatius

Robòtica-pesant

Tanmateix, no s'ha de confondre un parell elevat amb "millor".

Si la vostra màquina només necessita una petita quantitat de parell, l'ús d'un motor de parell elevat significativament sobredimensionat pot augmentar el cost del sistema sense millorar el rendiment.

El motor s'ha de dimensionar al voltant del perfil de moviment real.

Un procés pràctic de selecció de servomotors

Un bon procés de selecció es pot reduir als passos següents.

Pas 1 - Definiu la càrrega

Determinar:

Pes de càrrega

Tipus de càrrega

Fricció

Efectes de la gravetat

Transmissió mecànica

Pas 2 - Calcula el parell

Determinar:

Parell continu

Parell màxim

Parell d'arrencada

Parell d'acceleració

Pas 3 - Definiu la velocitat

Identificar:

Velocitat mínima

Velocitat normal

Velocitat màxima

Temps d'acceleració

Pas 4 - Calcula la inèrcia

Avalueu la inèrcia de:

Motor

Acoblament

Caixa de canvis

Politja

Corró

Carrega

Pas 5 - Definiu la precisió

Determineu si l'aplicació requereix:

Precisió de posició

Repetibilitat

Suavitat a -velocitat baixa

Comentaris d'alta-resolució

Pas 6 - Seleccioneu el codificador

Trieu un codificador en funció del rendiment de control requerit.

Pas 7 - Coincideix amb el servounitat

Comproveu els requisits de tensió, corrent, codificador, comunicació i control.

Pas 8 - Avalueu l'entorn

Comproveu la temperatura, la humitat, la pols, les vibracions i altres condicions de funcionament.

Pas 9 - Reviseu el perfil de moviment complet

Assegureu-vos que el motor seleccionat pot gestionar el cicle real-no només un punt de funcionament.

Llista de verificació de selecció de servomotors per als compradors

Abans de sol·licitar un pressupost, prepareu la informació següent:

Mecànica

Pes de càrrega

Inèrcia de càrrega

Tipus de transmissió

Relació de transmissió

Requisits de l'eix

Dimensions de muntatge

Rendiment

Parell continu

Parell màxim

Velocitat nominal

Velocitat màxima

Temps d'acceleració

Temps de desacceleració

Cicle de treball

Precisió

Precisió de posicionament requerida

Repetibilitat requerida

Preferència del codificador

Requisits de reacció

Elèctric

Tensió disponible

Corrent continu

Corrent màxima

Tipus de controlador

Protocol de comunicació

Medi ambient

Temperatura ambient

Pols

Humitat

Vibració

Condicions d'instal·lació

Com més completa sigui aquesta informació, més fàcil serà per al proveïdor recomanar el motor correcte.

Errors comuns de selecció de servomotors

Escollint només per potència

La potència és important, però no us diu prou sobre el parell a una velocitat específica.

Ignorant el parell màxim

Un motor pot satisfer la càrrega contínua però fallar durant l'acceleració.

Suposant que la resolució del codificador és igual a la precisió

El joc mecànic i la deformació encara poden limitar la precisió de posicionament final.

Ignorant la inèrcia

Una inèrcia de càrrega elevada pot dificultar el control d'un motor alimentat correctament.

Sobredimensionament del motor

Un motor més gran no és automàticament més fiable ni més eficient.

Selecció del motor abans de la unitat

El motor i la unitat han de ser compatibles des del principi.

Com Auric t'ajuda a seleccionar el servomotor adequat

Per als OEM industrials, triar un servomotor d'un catàleg pot ser difícil perquè el catàleg rarament descriu tots els detalls de la màquina real.

Àuricaborda la selecció del servomotor des del costat de l'aplicació.

En lloc de demanar només la potència del motor, el procés de selecció pot considerar:

Parell requerit

Parell màxim

Velocitat de funcionament

Acceleració

Inèrcia de càrrega

Requisits del codificador

Tensió

Dimensions de muntatge

Configuració de l'eix

Requisits de fre

Compatibilitat amb servomotors

Això és especialment útil per als fabricants d'equips que necessiten un servomotor que s'adapti a una estructura mecànica existent o a un nou disseny de màquina.

Auric també pot avaluar els requisits personalitzats per a aplicacions OEM on les especificacions estàndard del catàleg no són suficients.

L'objectiu no és simplement proporcionar un motor amb una especificació superior.

Es tracta de proporcionar un motor que s'ajusti correctament als requisits reals de moviment de la màquina.

Preguntes freqüents

Quina és l'especificació més important a l'hora de seleccionar un servomotor?

No hi ha una especificació més important. El parell, la velocitat, l'acceleració, la inèrcia de càrrega, la precisió i el cicle de treball s'han de considerar conjuntament.

Per a la majoria d'aplicacions, el parell continu i el parell màxim són les primeres especificacions a calcular.

Com puc calcular el parell del servomotor necessari?

Comenceu avaluant el parell de càrrega, la fricció, els requisits d'acceleració, la gravetat i les pèrdues de transmissió mecànica. En el càlcul s'ha d'incloure la pitjor condició de funcionament-cas.

Un servomotor de major RPM ofereix un millor rendiment?

No necessàriament. Una velocitat màxima alta només és útil si la màquina realment ho requereix. També heu de comprovar quant parell pot proporcionar el motor a aquesta velocitat.

Un codificador d'alta-resolució fa que la màquina sigui més precisa?

No automàticament. La resolució del codificador millora la resolució de retroalimentació, però la precisió final de la màquina també depèn del joc mecànic, la precisió de la transmissió, la rigidesa, la vibració i el rendiment del control.

Necessito una caixa de canvis amb el meu servomotor?

No sempre. Una caixa de canvis és útil quan necessiteu un parell de sortida més elevat a una velocitat més baixa o una millor adaptació de càrrega. Els servomotors d'accionament directe-poden ser adequats quan l'aplicació no requereix reducció de velocitat.

Com puc triar entre servomotors de 24V, 48V i 220V?

Comenceu amb l'arquitectura elèctrica disponible i la potència necessària. 24V i 48 V són habituals en sistemes de baixa-tensió i bateria-, mentre que els 220 V són més habituals en maquinària industrial-de gran potència.

Pensaments finals

Seleccionar un servomotor no es tracta de trobar el motor amb el parell més alt, el RPM més alt o la resolució de codificador més alta.

Es tracta de trobar l'equilibri adequat entre parell, velocitat i precisió.

El motor necessita un parell continu suficient per manejar la càrrega normal, un parell màxim suficient per gestionar l'acceleració, una velocitat suficient per al cicle requerit i una retroalimentació adequada per aconseguir el rendiment de posicionament requerit.

Al mateix temps, també s'han de tenir en compte la inèrcia de càrrega, la transmissió mecànica, el cicle de treball, la compatibilitat amb el servomotor i l'entorn operatiu.

Per tant, el millor servomotor no és necessàriament el model més gran o més potent.

És el motor que pot oferir el parell requerit a la velocitat requerida amb la precisió requerida, alhora que es manté fiable i econòmic durant la vida útil de la màquina.

Per als OEM industrials i els fabricants d'equips d'automatització, definir aquests requisits abans de comprar pot evitar costosos reemplaçaments de motors i problemes de posada en marxa posteriors.

Si podeu proporcionar la càrrega real, la velocitat, l'acceleració, la precisió, el cicle de treball i els requisits d'instal·lació, un proveïdor professional de servomotors com Auric us pot ajudar a passar d'una especificació general del motor a una solució de control de moviment adequada.