El concepte de robots ja és molt ampli. Aquest article se centra en els servomotors per a articulacions robòtiques utilitzats en el sector de l'automatització industrial i no cobreix els servomotors integrats per a robots de servei.
Els robots industrials es classifiquen àmpliament en robots lineals (també coneguts com a robots cartesians), robots multi-graus-de-llibertat (també coneguts com a robots multi-articulats), robots paral·lels (també coneguts com a robots Delta) i robots horitzontals multi{-joints (també coneguts com a robots SCARA). Una "cèl·lula d'automatització" consta de diversos tipus de braços robòtics articulats i equips de transport automatitzats. Les cèl·lules d'automatització amb diferents funcions s'uneixen per formar una línia de producció automatitzada i es combinen múltiples línies de producció automatitzades per crear un taller automatitzat.
Entre aquests robots industrials i unitats automatitzades, els servomotors tenen un paper fonamental en el posicionament de les estructures mecàniques de manera precisa, ràpida i fiable segons les ordres de control; per tant, es consideren components bàsics.
Conceptes bàsics dels servomotors d'imants permanents
"Servo" es refereix a la capacitat d'executar ordres des d'un sistema informàtic de control sense desviació. Aquest concepte no es limita als motors elèctrics o hidràulics; també inclou sistemes pneumàtics, i qualsevol component capaç de realitzar aquesta tasca es considera un component servo.
Un motor elèctric és un component electromecànic que converteix l'energia elèctrica en energia mecànica. Un servomotor és un motor elèctric dissenyat per utilitzar-se en sistemes de control de moviment, on els seus paràmetres de sortida-com ara la posició, la velocitat, l'acceleració o el parell-es poden controlar.
Els servomotors es poden classificar en diferents tipus segons les seves especificacions de control. Per tipus d'alimentació, es divideixen en servomotors AC i servomotors DC; pel mode de funcionament, es classifiquen en servomotors lineals i servomotors rotatius. Els motors lineals generen directament força newtoniana, mentre que els motors rotatius produeixen parell de rotació. Per conduir càrregues lineals, els motors rotatius requereixen mecanismes mecànics com ara cargols de plom per convertir el moviment rotacional en moviment lineal.
Els servomotors rotatius de CA es classifiquen en servomotors asíncrons de CA i servomotors síncrons de CA basats en l'estructura del rotor. El rotor d'un servomotor asíncron de CA consta d'una gàbia d'alumini o coure, i la velocitat de rotació de la gàbia sempre manté una certa diferència de velocitat en relació amb el camp magnètic giratori síncron. Amb la tecnologia de control vectorial, aquest tipus de motor pot aconseguir característiques de control de parell tan precises com les dels motors de corrent continu. No obstant això, el rotor presenta una gran inèrcia, bones característiques de potència constant-i un ampli rang de velocitats, el que el fa adequat per a una àmplia gamma de càrregues d'inèrcia- variables, com ara aplicacions de bobinat/desbobinat de màquines d'impressió i tall de màquines-eina. Els desavantatges són el baix parell d'arrencada i la seva velocitat de resposta electromagnètica és inferior a la dels servomotors d'imants permanents. La constant de temps electromagnètica és aproximadament 10 vegades la dels motors d'imants permanents fets amb materials d'imants permanents. A més, a causa de la baixa densitat de potència i les grans dimensions del rotor, no són adequats per a aplicacions de servo-alta dinàmica.
Els servomotors síncrons de CA rotatius utilitzen materials d'imants permanents per als seus rotors, que generen directament el camp magnètic d'excitació. No hi ha necessitat d'un corrent d'excitació per establir el camp magnètic del motor, donant lloc a una resposta electromagnètica ràpida. A més, l'alta densitat d'energia dels materials d'imants permanents de -terra rara actual permet una alta densitat de potència en aquests motors, obrint possibilitats per dissenyar servomotors amb diverses característiques de rendiment. Es pot aconseguir una alta resposta dinàmica mitjançant un disseny esvelt amb baixa inèrcia del rotor o un disseny compacte i robust amb una alta inèrcia del rotor. L'ús de materials d'imants permanents de -terra rara ha establert que els motors d'imants permanents siguin l'opció preferida per a aplicacions servo. Tanmateix, els materials d'imants permanents de terra-rara segueixen sent el component més car entre tots els materials utilitzats en servomotors. Les diferències en els materials utilitzats per diversos fabricants donen lloc a diferents nivells de qualitat del producte. És possible que els materials d'imant permanent d'alta-qualitat no es desmagnetitzin fins i tot a temperatures de funcionament superiors als 150 graus, mentre que els materials inferiors es poden desmagnetitzar quan la temperatura de funcionament del motor és inferior a 120 graus. La qualitat dels materials d'imant permanent determina directament les diferents característiques del servomotor.
Els servomotors lineals produeixen directament Newton-metres de força sense necessitat de conversió mecànica, cosa que permet una acceleració molt elevada. En els darrers anys, els ràpids avenços tecnològics han donat lloc al seu ús generalitzat en els eixos d'alimentació de màquines eina d'alt rendiment-. En els robots industrials, però, la seva aplicació es limita a determinats braços robòtics lineals i no és el focus d'aquest article. Aquest article se centra en els servomotors d'imants permanents rotatius i les seves aplicacions en robots industrials.
Estructura d'un motor d'imant permanent giratori
La figura 1 mostra un diagrama estructural típic d'un servomotor d'imant permanent. Per oferir una visió general completa, aquest diagrama únic pretén il·lustrar clarament tota l'estructura d'un servomotor d'imants permanents. De fet, els servomotors d'imants permanents de baixa potència-de 15 kW o menys poden dependre de la convecció natural per a la refrigeració, eliminant la necessitat d'un ventilador de refrigeració. Aquests motors són compactes i no requereixen peus de muntatge; Els anells d'instal·lació també són innecessaris. La substitució de la caixa de terminals per un connector d'aviació per als cables de plom dóna com a resultat un disseny més net. En conseqüència, l'aspecte del motor esdevé el que es mostra a la figura 2 (a). Si el motor és molt petit-menys d'1 kW-, fins i tot els connectors d'aviació per als cables conductors no són necessaris; en canvi, un cable es pot estendre directament des del motor, donant lloc a la configuració que es mostra a la figura 2 (b).
Figura 1: Diagrama esquemàtic d'un servomotor d'imant permanent
Figura 2: Diagrama esquemàtic d'un servomotor d'imant permanent de baixa potència-
Aquesta secció suposa que el lector entén els principis dels motors elèctrics i se centra únicament a explicar les diferències estructurals entre els servomotors d'imants permanents i altres tipus de motors en funció de les característiques dels motors robot.
Coixinets: la vida útil d'un servomotor està estretament lligada als seus coixinets. Donats els requisits d'alta fiabilitat i durabilitat dels robots, els coixinets han de garantir una vida útil d'almenys 30.000 hores. Basat en una jornada laboral de 8 hores, això es tradueix en una vida útil del robot d'almenys 10 anys. Els coixinets han de poder funcionar de manera intermitent a 6.000 rpm.
Laminacions i bobinatges de l'estator: com que els motors dels robots requereixen una gran densitat de potència i per minimitzar la mida i reduir la generació de calor per pèrdues de ferro, el material de laminació ha de ser d'acer al silici laminat en fred- amb un gruix de 0,35 mm o menys. Els bobinatges han de suportar l'exposició a llarg termini-a polsos portadors de freqüència variable-de 16 kHz. Per evitar avaria i suportar sobretensions intenses de dv/dt, la tensió nominal de resistència no ha de ser inferior a 2.500 V.
Material d'imant permanent del rotor: el material d'imant permanent és el component més car d'un servomotor d'imant permanent. Els materials amb baix contingut d'elements de terres rares tenen un punt de Curie baix i una mala estabilitat del material. Si s'utilitzen imants de neodimi-ferro-bor (NdFeB), preferiblement haurien de ser de grau UH42 o superior. A més, s'ha de parar atenció al contingut d'elements de terres rares com el disprosi. Per garantir una resistència a la desmagnetització d'alta-temperatura, els imants de samari-cobalt (SmCo) també s'utilitzen àmpliament en servomotors de mida petita i mitjana-. En resum, és essencial assegurar-se que el servomotor segueix sent realment resistent a la desmagnetització-en condicions de funcionament normals. En cas contrari, no es pot garantir l'estabilitat-a llarg termini del robot.
Segell de l'eix: per evitar que l'oli i les deixalles entrin al motor alhora que garanteix un bon funcionament, la instal·lació d'un segell d'eix a l'extrem de l'eix del motor és una pràctica de disseny estàndard. En els robots, sovint es fresa un petit engranatge a l'eix del servomotor per connectar el motor directament al reductor. Com que les altes temperatures i l'oli poden entrar al motor, calen segells d'eix d'alta temperatura-de llavis múltiples. Per exemple, un segell d'eix de cautxú de fluorocarboni de doble-llavi és més fiable que un segell d'eix de cautxú de nitril de llavi simple-, tot i que la diferència de cost és significativa.
Fre: un fre és una característica estàndard per als motors dels robots. Gairebé el 95% dels servomotors requereixen un fre. Per garantir que el fre s'enganxi en tot moment,-especialment durant les parades d'emergència-ha de funcionar de manera fiable. El fre ha de tenir un factor de seguretat suficient, amb un parell estàtic d'aproximadament 1,5 vegades el parell nominal del motor. Per als motors de robots-peus, el factor de seguretat del fre hauria d'arribar a 2,0 o fins i tot 2,5 vegades el parell nominal. És important tenir en compte que el fre d'un motor de robot és un fre de seguretat, no un fre de servei. El sistema de control ha d'assegurar que, durant una parada d'emergència, el circuit de frenada del servoaccionament s'activa mitjançant una resistència de frenada i el fre s'activa quan la velocitat del motor s'acosta a zero. Per millorar la velocitat de resposta, els frens d'imant permanent són superiors als frens de molla electromagnètics.
Codificador: el codificador està muntat a l'extrem posterior del motor i funciona com a sensor per a la velocitat del motor i la posició del rotor. Mesura la posició del rotor per proporcionar a l'ordinador de control dades sobre la posició i la velocitat reals del rotor per al control del servo, el posicionament del camp magnètic i el càlcul de la trajectòria de moviment. Tot i que els codificadors de motors de robots generalment no ofereixen una alta precisió, han de ser compatibles amb la mesura de la posició absoluta multi-per garantir que el motor pugui reprendre el funcionament des de la posició en què es trobava abans d'una fallada de corrent. Actualment, hi ha tres enfocaments comuns per abordar els requisits del codificador del motor del robot. El primer mètode utilitza un codificador òptic o magnètic de codi gris per a la mesura d'una-volta i engranatges mecànics per a la mesura de múltiples-vures. L'avantatge d'aquest enfocament és l'alta precisió de mesura; després d'un tall de corrent, la posició de funcionament del motor es manté a través de la posició mecànica del codificador i es pot llegir directament a l'encesa-. Tanmateix, el desavantatge és que el codificador és massa gruixut, cosa que el fa massa llarg per a espais d'instal·lació limitats. El segon mètode utilitza un codificador de codi gris òptic o magnètic per emmagatzemar dades d'un sol-turn, mentre que les dades de diversos-turs s'emmagatzemen mitjançant una memòria electrònica-alimentada per bateria. Això permet que el codificador sigui molt curt, el que el fa ideal per a servomotors petits amb un diàmetre exterior inferior a 60 mm. L'inconvenient és que la durada de la bateria és relativament curta-normalment de 2 a 3 anys com a màxim i, en alguns casos, la bateria s'ha de substituir només després d'un any. El tercer mètode utilitza un transformador rotatiu per mesurar la posició d'un sol-gir per a aplicacions amb requisits de precisió baixos, mentre que la informació de diversos-girs la gestiona una placa de circuit alimentada per bateria-dins de la caixa de control.
Extensió de l'eix del rotor: a causa del funcionament freqüent cap endavant i cap enrere, el motor està sotmès a forces de cisalla; per tant, el material de l'eix hauria de ser preferentment acer temperat 42CrMo. Si el motor s'instal·la amb una clau, la clau s'ha d'assentar completament per reduir eficaçment l'equilibri dinàmic del motor i el desgast. A altes velocitats, la diferència de desnivell entre un servomotor amb clau i un eix nu en funcionament sense-càrrega pot ser fins a nou vegades més gran-un factor que no s'ha de subestimar.
Paràmetres clau de transmissió dels servomotors d'imants permanents
Zona de funcionament: la regió on el motor pot funcionar contínuament sense superar l'augment de temperatura admissible s'anomena zona de funcionament continu; la regió fora de la zona de funcionament continu on es permet l'operació a curt termini-s'anomena zona d'operació intermitent. La zona de funcionament està representada per un pla de coordenades bi-dimensionals de parell i velocitat.
Potència nominal PN: la potència màxima que pot produir el motor dins de la zona de funcionament continu.
Parell nominal MN: el parell al qual el motor ofereix la seva potència nominal dins de la zona de funcionament continu. Les definicions de parell nominal varien significativament entre els fabricants. Generalment s'especifiquen les condicions de dissipació de calor corresponents. A nivell internacional, és una pràctica habitual especificar que aquesta classificació es mesura amb el motor muntat en una brida d'alumini d'una àrea i un gruix definits, amb la temperatura de la brida mantinguda a 20 graus o per sota d'una temperatura especificada. Per tant, en funcionament real, els motors sovint es munten sobre components de ferro colat i les temperatures d'estiu poden superar l'estàndard de prova. Si no es permet cap marge durant el funcionament, això pot provocar un sobreescalfament i desmagnetització. La condició estàndard de temperatura ambient de 40 graus especificada per l'estàndard nacional xinès és relativament raonable per a l'entorn xinès. Els fabricants de renom inclouran un cert marge de disseny per sota dels valors nominals determinats segons l'estàndard en publicar el parell nominal, que és més segur.
Corrent nominal IN: El corrent corresponent al parell nominal.
Velocitat nominal nN: velocitat màxima a la qual es permet que el motor funcioni amb el parell nominal dins del cicle de treball continu.
Parell MO del rotor bloquejat-continu: el parell màxim que pot oferir el motor quan està bloquejat en el cicle de treball continu. En general, es considera que les velocitats inferiors a 100 rpm es troben dins del rang de funcionament del-rotor bloquejat.
Corrent continu del rotor bloquejat-I0: el corrent corresponent al parell-contínu del rotor bloquejat.
Parell màxim Mmàx: el parell màxim que es permet el motor. Les condicions nominals varien significativament entre els diferents fabricants. Alguns especifiquen el parell corresponent al corrent de desmagnetització; aquestes especificacions no s'han d'utilitzar com a parell màxim. Els dissenyadors mecànics han de permetre un marge suficient per evitar que el motor es desmagnetï i falli a causa d'un parell de funcionament excessiu. Si el parell màxim s'especifica segons el cicle de treball, té un valor de referència d'enginyeria. El parell màxim especificat segons S3-10% té el valor de referència d'enginyeria més gran; es pot entendre com el parell de funcionament màxim permès durant un temps de funcionament continu de 3 segons, que és suficient per als robots. La sobrecàrrega repetitiva dels robots multiarticulació és generalment al voltant de 2,0 vegades.
Intensitat màxima Imax: corrent de funcionament corresponent al parell màxim.
Constant de temps elèctrica Te: constant característica que representa la velocitat a la qual el corrent respon a una tensió aplicada. Es defineix com el temps necessari perquè el corrent arribi a 1 - e^(-1) (aproximadament el 63,2%) del corrent final després d'aplicar una tensió fixa als terminals del motor. La constant de temps elèctrica d'un servomotor s'especifica generalment com la relació entre la inductància del bobinat de l'estator i la seva resistència (Te=L/R). Està relacionat amb el temps de resposta del pas actual del servosistema, però no és necessàriament equivalent a aquest.
Constante de temps mecànica Tm: la constant de temps mecànica d'un servomotor es defineix com: tm=R*J/Ke*Kt, és a dir, està relacionada amb la resistència de l'enrotllament, el moment d'inèrcia del rotor, el coeficient de retrocés del motor-EMF i el coeficient de parell del motor. La constant de temps mecànica d'un motor d'accionament és aproximadament equivalent al temps necessari perquè el motor acceleri des de la velocitat zero fins al 63,2% de la seva velocitat en estat estacionari-en condicions sense-càrrega. En un servosistema, aquesta constant pot ser numèricament equivalent al temps de resposta del pas de bucle de velocitat-del sistema.
Back-Constante de FEM Ke: el valor de FEM sense-recàrrega-induït pel motor a una velocitat d'unitat. Normalment es refereix a l'EMF sense -recàrrega- corresponent a 1000 rpm, amb unitats de V/krpm.
Constante de parell Kt: Parell de sortida del motor corresponent a una unitat de corrent. La relació entre el coeficient Ke de la part posterior-EMF del motor i el coeficient de parell Kt ve donada generalment per Kt=9.55 * Ke * 1,732, on Kt està en Nm/A, Ke està en V/rpm i Ke=Kt. Aquí, Ke es refereix a la línia posterior-EMF.
Si les especificacions del motor no proporcionen els paràmetres Kt i Ke, Kt es pot derivar del parell nominal i del corrent nominal. Aleshores, utilitzant la relació Kt=9.55 * Ke * 1,732, el coeficient FEM Ke es pot derivar indirectament de la següent manera: Ke=0.1047 * Kt / 1,732, amb unitats de V/rpm; Alternativament: Ke=104.7 × Kt / 1,732, amb unitats de V/krpm o mV/rpm.
A causa de les limitacions de tensió de la font d'alimentació, l'EMF posterior del motor està dissenyat normalment per ser relativament baix per garantir una gran capacitat de resposta, garantint una caiguda de tensió suficient a altes velocitats per obtenir un corrent adequat. Tanmateix, un corrent elevat augmenta la càrrega tèrmica del motor. En conseqüència, els motors del robot requereixen una alta densitat de potència per aconseguir una mida compacta, un parell elevat i una baixa generació de calor.
Moment d'inèrcia del rotor J: El moment d'inèrcia del rotor del motor. El moment d'inèrcia del motor d'un robot és crític, ja que afecta directament l'estabilitat del funcionament del robot. Això es deu al fet que els robots sovint impliquen una coordinació de diversos eixos-. Per exemple, el segon eix d'un robot articulat requereix un motor amb una inèrcia important per acomodar els canvis substancials en la inèrcia de càrrega que es produeixen quan el braç s'estén i es retrau.
Parell-de la ranura de la dent: quan els bobinatges d'un motor d'imant permanent estan oberts-, es genera un parell periòdic durant una revolució del motor a causa de les ranures del nucli de l'induït, que tendeixen a alinear-se amb les posicions de resistència magnètica mínima.
Capacitat de sobrecàrrega: la capacitat d'un motor per oferir una potència o parell especificats durant un període definit en condicions especificades sense superar el corrent màxim especificat. Normalment, la relació entre el corrent màxim i el corrent nominal s'anomena factor de sobrecàrrega actual, mentre que la relació entre el parell màxim i el parell nominal s'anomena factor de sobrecàrrega de parell. En general, els motors del robot han d'assegurar una capacitat de sobrecàrrega de parell d'aproximadament 3 vegades.
Velocitat màxima nN: la velocitat més alta que pot assolir el motor durant el funcionament intermitent. Les definicions de velocitat màxima varien significativament entre els fabricants de motors; per als motors de robot, el valor proporcionat normalment representa la velocitat més alta a la qual és possible un funcionament repetible durant l'ús real. A la velocitat màxima, el parell màxim corresponent pot superar el doble del parell nominal, assegurant una resposta d'acceleració en tot el rang de velocitat.