Een motor- en aandrijfsysteem dimensioneren

De juiste maatvoering is een cruciaal aspect van motorselectie . Als een motor te klein is, kan deze de belasting niet regelen, wat leidt tot doorschieten en rinkelen.

Een systeem te groot maken is net zo erg als te klein - het kan de belasting beheersen, maar het zal ook groter en zwaarder zijn, en duurder in termen van prijs en operationele kosten. Het kan fysiek niet passen en het zal zeker meer kosten. Het zal meer waardevolle ruimte in beslag nemen in een schakelkast of op de werkvloer.

Waar moet je op letten bij het kopen van een motor?

Maar al te vaak krijgen verkopers gewoon een telefoontje met de vraag naar een motor met een bepaald aantal pk's. De monteur koopt mogelijk een motor van dezelfde grootte als die van een vorig platform. Ze hebben mogelijk een flinke veiligheidsmarge toegevoegd om wijzigingen te compenseren. Ze hebben mogelijk een verhouding van belasting en traagheid tot motortraagheid van 10:1 of 5:1 gebruikt - of een mengsel van het bovenstaande.

Het doel moet zijn om een ​​motor te specificeren die de snelheid, acceleratie en koppel levert die nodig zijn om de last op de aangewezen locatie en op de gewenste tijd te positioneren. Het kan een veiligheidsmarge bevatten die is ontworpen om te compenseren voor motor-twee-motorvariaties of verwachte veranderingen in de bedrijfstoestand van de machine. De veiligheidsmarge moet echter worden toegevoegd aan een geïnformeerde berekening.

Een veelgemaakte fout is om een ​​motor te kiezen met een continu koppel dat gelijk is aan het maximale koppelvereiste van de toepassing (meestal gezien tijdens extreme versnellingen/vertragingen ). Motion control-applicaties bestaan ​​vaak uit korte, snelle bewegingen. Om een ​​motor te kiezen die dit koppel continu genereert, betekent in wezen betalen voor meer motor dan nodig is.

Maatvoering motoraandrijving

Om de motor effectief te dimensioneren, is het noodzakelijk om de belastingstraagheid (JL) te berekenen. De verhouding van belastingtraagheid tot motortraagheid (in wezen rotortraagheid ) geeft een maat voor hoe effectief de motor de belasting kan regelen. Een hoge traagheidsverhouding geeft het systeem aan dat moeite zal hebben om de belasting te beheersen. Een lage traagheidsverhouding (bijv. 4:1 of 1:1) geeft aan dat de motor de belasting zeer effectief zal regelen, maar het laat ook zien dat de motor mogelijk te groot is voor het systeem

Vaak nemen ontwerpers de daadwerkelijke belasting, de versnellingsbak en de motor mee, maar laten ze riemen, poelies en andere mechanische dingen buiten beschouwing. Ze gaan gewoon naar de volgende grote maat of gebruiken dezelfde framemaat, maar een die meer koppel produceert. Dit is waar de hele aanpak van 10% overmaat vandaan komt.

Het selectieproces omvat het verzamelen van gegevens, gevolgd door een gedetailleerde analyse. Het vereist kennis van het mechanische systeem, de bedrijfsparameters en de omstandigheden waaronder de apparatuur zal worden gebruikt. Het moet ook details van de besturingsomgeving bevatten, want als deze niet in een vroeg stadium worden overwogen, is het geselecteerde systeem mogelijk niet geschikt.

Traagheid – de neiging van een object om veranderingen in versnelling te weerstaan ​​– is een van de belangrijkste uitdagingen bij bewegingscontrole . De motor moet voldoende kracht (in een lineair systeem) of koppel (in een rotatiesysteem) kunnen uitoefenen om de versnelling van de belasting te veranderen en dit op een gecontroleerde manier.

De belangrijkste beperkingen waarmee rekening moet worden gehouden tijdens de dimensioneringsprocedure kunnen als volgt worden samengevat:

• Piekkoppel
• RMS-koppel
• Maximale snelheid
• Kenmerken motortoerental-koppel

Bovendien moeten twee toepassingsregimes in overweging worden genomen:

• Toepassing voor continue dienst
• Intermitterende dienstaanvraag

Het verschil tussen deze twee toepassingsregimes kan worden geïllustreerd met een draaibank. De spindelaandrijving van een draaibank is een toepassing voor continu gebruik, omdat deze met een constante snelheid onder constante belasting draait; de asaandrijvingen zijn een intermitterende toepassing vanwege de versnelling en vertraging die nodig is om het vereiste gereedschapspad te volgen.

Snelheid en motoren

De aandrijvingen van robots en werktuigmachines veranderen continu van snelheid om het gewenste bewegingsprofiel te genereren. De keuze van de overbrengingsverhouding en de relatie met het gegenereerde koppel van de motor moet volledig worden overwogen. Als de belasting met een constant toerental of koppel moet werken, kan de optimale overbrengingsverhouding worden bepaald. In de praktijk zijn onder meer versnellingen met en zonder een extern toegepast belastingskoppel en de effecten van variabele belastinginertie te overwegen.

Met kennis van het vereiste snelheidsbereik van de belasting en een eerste schatting van de vereiste overbrengingsverhoudingen kan het piekmotortoerental worden geschat. Om te voorkomen dat de motor door fluctuaties in de voedingsspanning het gewenste toerental niet bereikt, dient het maximaal benodigde toerental met een factor 1,2 te worden verhoogd. Deze factor is bevredigend voor de meeste industriële toepassingen , maar kan worden verfijnd voor een speciale toepassing, bijvoorbeeld wanneer het systeem moet werken met een beperkte voorraad, zoals aangetroffen in uiteenlopende toepassingen zoals vliegtuigen en offshore-olieplatforms.

Spanning

Omdat het piektoerental van een motor afhankelijk is van de voedingsspanning, moet rekening worden gehouden met perioden van lage spanning. Als richtlijn geldt dat een omvormer normaal zo is gedimensioneerd dat deze op pieksnelheid kan werken bij 80% van de nominale voedingsspanning. Als een systeem wordt gevoed vanuit een voeding die kwetsbaar is voor brown-outs of black-outs, moet er grote zorg worden besteed om ervoor te zorgen dat de drive, de controller en de belasting worden beschermd tegen beschadiging; dit is met name acuut bij microprocessorsystemen, die, als ze niet correct zijn geconfigureerd, zonder waarschuwing kunnen vastlopen of resetten, wat kan leiden tot een mogelijke catastrofale situatie.

Waar acceleratieprestaties van groot belang zijn, moet de motortraagheid worden opgeteld bij de gereflecteerde belastingstraagheid en moet het koppel worden bepaald dat nodig is om deze totale traagheid met de vereiste snelheid te versnellen. Een motor-aangedreven combinatie zal nodig zijn met een piekkoppelvermogen van ten minste 1,5 tot 2 keer deze waarde om voldoende koppelvermogen te garanderen.

Het piekkoppel van de motor-aandrijfcombinatie moet met een veilige marge van ten minste 15% de som van het geschatte wrijvingskoppel plus acceleratiekoppel plus eventuele continue koppelbelasting die tijdens acceleratie aanwezig is, overschrijden. Als dit niet haalbaar is, is een andere motor of overbrengingsverhouding vereist.

Op zeer krachtige machines kunnen de nieuwste autotuning-aandrijvingen zeer effectief machineresonanties en trillingen compenseren, waardoor nauwkeurige prestaties worden ondersteund, zelfs bij zeer hoge snelheden. Elektromagnetische compatibiliteit heeft een grote invloed op het ontwerp en de toepassing van een systeem.

Krachttransmissiecomponenten

De mechanische vereisten van de motor moeten in een vroeg stadium van de dimensionerings- en selectieprocedure worden geïdentificeerd. Items die vaak over het hoofd worden gezien, zijn dimensionale en oriëntatiebeperkingen als gevolg van het mechanische ontwerp.

Als deze in een vroeg stadium kunnen worden geïdentificeerd, kan dit onbevredigende prestaties voorkomen als de apparatuur eenmaal is geïnstalleerd. Met name als de motor in verticale positie is gemonteerd, kunnen speciale vulplaten of lagervoorspanningen nodig zijn.

Bij het bepalen van de aandrijfvereisten zijn wrijvingskoppels misschien wel het moeilijkste aspect van de motordimensioneringsprocedure .

Lagers

In het geval van een roterende as is een lager de meest gebruikte ondersteuningsmethode. Er zijn veel verschillende typen beschikbaar, waarvan de meest voorkomende het rol- en kogellager is.

Versnellingsbakken

Een conventionele tandwieltrein bestaat uit twee of meer tandwielen om de hoeksnelheid en het koppel tussen een ingaande en uitgaande as te veranderen. Versnellingsbakken zijn een belangrijk hulpmiddel bij het beheren van traagheid. Een versnellingsbak vermindert de traagheid met het kwadraat van de overbrengingsverhouding. De wisselwerking is dat versnellingsbakken ook de motorsnelheid verlagen . De meeste servomotoren werken met snelheden tussen 2000 en 6000 tpm, waardoor ze zelfs bij gebruik met een versnellingsbak met hoge reductieverhouding op een nuttige snelheid kunnen werken.

Rechte of spiraalvormige tandwielen worden normaal gesproken gebruikt in conventionele tandwieltreinen. Het rechte tandwiel heeft het voordeel dat het minimale axiale kracht produceert, waardoor het probleem van elke beweging van de tandwiellagers wordt verminderd.

Spiraalvormige tandwielen worden veel gebruikt in robotsystemen omdat ze een hogere contactverhouding geven in vergelijking met rechte tandwielen voor dezelfde snelheidsveranderingsverhouding, met als nadeel de belasting van de axiale tandwielen.

De beperkende factoren bij tandwieloverbrenging zijn de stijfheid van de tandwieltanden, die kan worden gemaximaliseerd door het kiezen van het tandwiel met de grootste diameter dat praktisch is voor de toepassing, samen met het minimaliseren van de speling of verloren beweging tussen afzonderlijke tandwielen.

Lood en kogelomloopspindels

Bij een spindel is er direct contact tussen de schroef en de moer, wat leidt tot een relatief hoge wrijving en dus een inefficiënte aandrijving. Voor precisietoepassingen worden kogelomloopspindels gebruikt vanwege hun lage wrijving en dus goede dynamische respons.

Een kogelomloopspindel is in principe identiek aan een spindel, maar de kracht wordt via lineaire kogellagers, in de schroefdraad van de moer, op de moer overgebracht.

Riemaandrijving

Het gebruik van een tandriem of kettingaandrijving is een effectieve methode van krachtoverbrenging tussen motor en last, terwijl de synchroniciteit behouden blijft

In de lineaire aandrijvingstoepassing kunnen dezelfde procedures die zijn toegepast op lood- en kogelomloopspindels, worden toegepast op een riemaandrijving.

Een zeer goede referentie over het dimensioneren van motoren is te vinden op internet op:
http://www.electricmotors.com/sizing.html