Los servosistemas son parte integrante de los productos electromecánicos y proporcionan el máximo nivel de respuesta dinámica y densidad de par.
De ahí que la tendencia en el desarrollo de sistemas de accionamiento sea sustituir los tradicionales variadores de velocidad hidráulicos, de CC, paso a paso y de CA por servoaccionamientos de CA.
Esta transición pretende elevar el rendimiento del sistema a un nuevo nivel, incluyendo ciclos más cortos, mayor productividad, fiabilidad mejorada y mayor vida útil.
Para maximizar el rendimiento de los servomotores, es esencial comprender algunas de sus características únicas de uso.
A menudo, los clientes se encuentran con un ruido excesivo y un funcionamiento inestable al utilizar servomotores en determinadas máquinas. Cuando surgen estos problemas, la primera reacción de muchos usuarios es cuestionar la calidad del servomotor.
Esto se debe a que cuando cambian a motores paso a paso o motores de frecuencia variable para accionar la carga, el ruido y la inestabilidad suelen disminuir significativamente.
A primera vista, parece ser un problema con el servomotor.
Sin embargo, un análisis minucioso del principio de funcionamiento del servomotor revela que esta conclusión es totalmente errónea.
El servosistema de CA consta de un servoaccionamiento, un servomotor y un sensor de realimentación (generalmente, el servomotor viene con un codificador óptico).
Todos estos componentes funcionan dentro de un sistema de control de bucle cerrado: el accionamiento recibe información de los parámetros desde el exterior y, a continuación, suministra una corriente específica al motor, que la convierte en par para impulsar la carga.
La carga realiza acciones o acelera/desacelera en función de sus características.
El sensor mide la posición de la carga, lo que permite al dispositivo de accionamiento comparar el valor de información establecido con el valor de posición real. A continuación, ajusta la corriente del motor para mantener el valor de posición real coherente con el valor de información establecido.
Cuando un cambio repentino de la carga provoca una variación de la velocidad, el codificador transmitirá inmediatamente este cambio de velocidad al servoaccionamiento.
A continuación, el accionamiento modifica la corriente suministrada al servomotor para adaptarse al cambio de carga y volver a la velocidad preestablecida.
El servosistema de CA es un sistema de bucle cerrado con gran capacidad de respuesta, en el que el desfase entre la fluctuación de la carga y la corrección de la velocidad es muy rápido. En este punto, la principal limitación de la respuesta del sistema es el tiempo de transmisión del dispositivo de conexión mecánica.
Por poner un ejemplo sencillo: considere una máquina que utiliza un servomotor para accionar una carga de alta inercia y velocidad constante a través de una correa trapezoidal. Todo el sistema debe mantener una velocidad constante y unas características de respuesta rápidas. Analicemos su proceso de funcionamiento.
Cuando el variador suministra corriente al motor, éste genera inmediatamente par. Inicialmente, debido a la elasticidad de la correa trapezoidal, la carga no acelera tan rápido como el motor.
El servomotor alcanza la velocidad fijada antes que la carga, momento en el que el codificador montado en el motor debilita la corriente, reduciendo posteriormente el par. Al aumentar continuamente la tensión de la correa trapezoidal, la velocidad del motor disminuye.
Entonces, el conductor vuelve a aumentar la corriente, y este ciclo se repite. Cuenta oficial: SolidWorks Diseño Mecánico No Estándar.
En este caso, el sistema oscila, el par del motor fluctúa y la velocidad de carga fluctúa en consecuencia.
El ruido, el desgaste y la inestabilidad resultantes son inevitables. Sin embargo, éstos no son causados por el servomotor. Tales ruidos e inestabilidad tienen su origen en el dispositivo de transmisión mecánica y se deben a un desajuste entre la alta velocidad de respuesta del servosistema y el mayor tiempo de transmisión mecánica o de respuesta.
Es decir, la respuesta del servomotor es más rápida que el tiempo necesario para que el sistema se ajuste al nuevo par.
Una vez identificada la raíz del problema, resolverlo resulta mucho más fácil. Remitiéndonos al ejemplo anterior, podrías:
(1) Aumentar la rigidez mecánica y reducir la inercia del sistema, disminuyendo así el tiempo de respuesta de los elementos mecánicos de transmisión. Por ejemplo, sustituya las correas trapezoidales por transmisiones directas de tornillo, o utilice cajas de engranajes en lugar de correas trapezoidales.
(2) Ralentizar la velocidad de respuesta del servosistema y reducir el ancho de banda de control del servosistema, por ejemplo, disminuyendo el valor de ganancia del servosistema.
Por supuesto, éstas son sólo algunas de las causas del ruido y la inestabilidad. Existen diferentes soluciones para las distintas causas. Por ejemplo, el ruido causado por la resonancia mecánica puede solucionarse implementando la supresión de resonancia o el filtrado de paso bajo en el servosistema. En conclusión, las causas del ruido y la inestabilidad no suelen deberse al propio servomotor.
Durante la selección y puesta a punto de servosistemas, a menudo surge el problema de la inercia. En concreto, se manifiesta de la siguiente manera:
1. A la hora de elegir un servosistema, además de tener en cuenta factores como el par y la velocidad nominal del motor, primero debemos calcular la inercia del sistema mecánico convertida en el eje del motor.
A continuación, elegimos un motor con un tamaño de inercia adecuado, en función de los requisitos reales de acción de la maquinaria y de los requisitos de calidad de la pieza.
2. Durante la sintonización (en modo manual), el ajuste correcto del parámetro de relación de inercia es un requisito previo para maximizar el rendimiento de la maquinaria y del servosistema.
Este punto es especialmente destacado en sistemas que requieren alta velocidad y alta precisión (el parámetro de la relación de inercia del servo Delta es 1-37, JL/JM). Así pues, surge el problema de la adaptación de la inercia. ¿Qué es exactamente la "adaptación de inercias"?
1. Según la segunda ley de Newton, el par necesario para el sistema de alimentación, T, es igual al momento de inercia del sistema, J, multiplicado por la aceleración angular, θ. La aceleración angular θ influye en las características dinámicas del sistema. Cuanto menor sea θ, mayor será el tiempo desde el comando del controlador hasta la ejecución del sistema, lo que se traduce en una respuesta más lenta del sistema. Si θ fluctúa, la respuesta del sistema variará en velocidad, afectando a la precisión del mecanizado. Dado que la salida máxima T permanece constante una vez seleccionado el motor, si queremos cambios mínimos en θ, J debe ser lo más pequeño posible.
2. La inercia total del eje de avance, J, es igual a la inercia de rotación del servomotor, JM, más la inercia de carga convertida del eje del motor, JL. La inercia de la carga JL está formada por la inercia de los componentes lineales y giratorios, como la mesa de trabajo (en el caso de las máquinas herramienta), los dispositivos y las piezas que se encuentran sobre ella, el tornillo, el acoplamiento, etc., todo ello convertido a la inercia del eje del motor. JM representa la inercia del rotor del servomotor, que es una constante una vez seleccionado el servomotor, mientras que JL fluctúa con los cambios en la carga, como la pieza de trabajo. Si desea que la tasa de cambio de J sea menor, lo mejor es minimizar la proporción que ocupa JL. Esto se conoce comúnmente como "adaptación de inercia".
Ahora que ya sabemos qué es la coincidencia de inercias, ¿qué efectos concretos tiene y cómo se determina?
Impacto:
La inercia del accionamiento afecta a la precisión, la estabilidad y la respuesta dinámica del servosistema. Una mayor inercia se traduce en una mayor constante mecánica del sistema, una respuesta más lenta y un sistema reducido. frecuencia naturallo que podría provocar resonancia.
Esto limita el ancho de banda del servo y afecta a su precisión y velocidad de respuesta.
Un aumento adecuado de la inercia sólo es ventajoso para mejorar el desplazamiento a baja velocidad. Por lo tanto, en el diseño mecánico hay que esforzarse por minimizar la inercia sin comprometer la rigidez del sistema.
Determinación:
Al evaluar las características dinámicas de un sistema mecánico, cuanto menor sea la inercia, mejor será la respuesta dinámica del sistema. Por el contrario, a mayor inercia, mayor carga del motor, lo que dificulta el control.
Sin embargo, la inercia del sistema mecánico debe coincidir con la inercia del motor. Los diferentes mecanismos tienen selecciones variadas para los principios de coincidencia de inercia, cada uno con despliegues funcionales únicos.
Por ejemplo, durante el corte a alta velocidad con a CNC centro de mecanizado a través de un servomotor, cuando la inercia de la carga aumenta, ocurre lo siguiente:
(1) Cuando cambian las órdenes de control, el motor tarda un tiempo considerable en alcanzar los requisitos de velocidad de la nueva instrucción;
(2) Pueden producirse errores significativos cuando la máquina funciona a lo largo de dos ejes para ejecutar un corte en arco rápido:
i. En circunstancias normales con servomotores típicos, si JL es menor o igual que JM, no se producirán los problemas anteriores.
ii. Si JL es igual a 3 veces JM, la controlabilidad del motor disminuirá ligeramente, pero esto no afectará a la rutina. corte de metales. (Para el corte de curvas a alta velocidad, generalmente se recomienda que JL sea inferior o igual a JM).
iii. Cuando JL es 3 veces JM o más, la controlabilidad del motor disminuirá significativamente, lo que es particularmente notable durante el corte de curvas a alta velocidad.
Las diferentes acciones mecánicas y exigencias de calidad del mecanizado requieren diferentes relaciones entre JL y JM.
La determinación de la coincidencia de inercias debe basarse en las características tecnológicas de la máquina y los requisitos de calidad del proceso de mecanizado.
Una vez finalizado el esquema de transmisión mecánica, es necesario seleccionar y confirmar el modelo y el tamaño del servomotor.
(1) Criterios de selección
En general, la selección de un servomotor debe satisfacer las siguientes situaciones:
(2) Cálculos de selección
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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