Auslegung – Teil 1: Erste Schritte bei der Auslegung von Servomotoren

April 14, 2017, by Bob White

Sie haben noch nie einen Servomotor ausgelegt? Wir möchten Ihnen einige der bewährten Verfahren vorstellen, die wir über die Jahre erarbeitet haben. In den kommenden Monaten setzen wir diese Reihe mit nützlichen Informationen und Tipps zur Auslegung von Servomotoren fort. In diesem Beitrag beginnen wir mit den Grundlagen einer guten Vorbereitung.

Es fängt damit an, die verschiedenen Komponenten zu verstehen, aus denen sich ein Servomotor und ein Antriebssystem zusammensetzen. Servomotoren sind Regelkreissysteme, da sie eine gewünschte Funktion durch die Verarbeitung von Feedback regeln – ähnlich wie der Tempomat in ihrem Auto. Sie stellen die gewünschte Geschwindigkeit ein und der Tempomat ermittelt, wie viel Gas erforderlich ist, um das Fahrzeug auf der gewünschten Geschwindigkeit zu halten. In den Servosystemen, die wir verwenden, liefert ein Rückführsystem permanent Feedback zwischen Motor und Antrieb, um die Drehzahl und/oder das Drehmoment des angetriebenen Motors präzise zu regeln. Meist sind dies hochdynamische Systeme mit schnellen Lastbeschleunigungen und -verzögerungen. Sie arbeiten in allen vier Quadranten, das heißt sie regeln sowohl positive als auch negative Drehmomente und Drehzahlen.

Vierquadrantenbetrieb

Die Auslegung eines Servos erfordert eine Systemlösung. Das System umfasst eine Definition der mechanischen Last, des Bewegungsprofils einschließlich von Positionierungsanforderungen, der Kenndaten des Servomotors und der Umgebung, in welcher der Motor und die anderen Komponenten eingesetzt werden.

Sehen wir uns zunächst die Auswirkungen der mechanischen Last und der Bewegungsanforderungen an. Die Grundlagen der newtonschen Physik lehren uns, dass Kraft (oder Drehmoment bei rotierenden Anwendungen) proportional zur Masse (Rotationsträgheit) mal der Beschleunigungsrate (positiv oder negativ) ist. Daher ist es wichtig, die Mechanik und insbesondere die bewegten Massen sowie das erforderliche Bewegungsprofil präzise zu definieren. Neben dem Bewegungsprofil ist es wichtig, die tatsächlichen Positionierungsanforderungen der Last im Hinblick auf die Auflösung, Genauigkeit und Wiederholbarkeit zu verstehen (womit wir uns in einem zukünftigen Blog-Beitrag befassen werden). Diese hängen direkt von der Auswahl des Rückführsystems ab, jedoch auch von Antriebsverlusten wie Spiel oder Form im mechanischen System.

Sofern kein System mit einem Direktantrieb vorgesehen ist, enthält der Mechanismus ein oder mehrere mechanische Getriebe. Ein Getriebe zur Umwandlung von Dreh- in Linearbewegung kann mit Riemen und Umlenkrollen oder über Gewindetriebe realisiert werden, um nur einige Beispiele zu nennen.

Servomechanismen

Mechanismen zur Umwandlung von Dreh- in Linearbewegung verwenden oft Getriebe oder riemengetriebene Untersetzungen, die eine Reduzierung der Drehzahl über Riemenscheiben unterschiedlicher Größe erzielen. Bei einigen Anwendungen trägt das zu bewegende Teil erheblich zur bewegten Gesamtmasse bei. Sie müssen auch die Auswirkungen von wechselnden Lasten wie bei robotergestützten Systemen verstehen, da der Umfang des Gesamtlastwechsels ein Faktor bei der Abstimmung des Servoantriebs sein kann.

Die Trägheit der beweglichen Komponenten muss summiert und auf die Motorwelle angewendet werden. Zusätzlich zur Trägheit sind externe Kräfte, Reibung und Ineffizienzen zu berücksichtigen. Alle diese Faktoren bestimmen die Drehzahl-/Drehmomentkennlinien, die benötigt werden, um die Leistungsanforderungen Ihrer Anwendung zu erfüllen.

Das waren jetzt eine Menge Informationen für unseren Einstieg in die Auslegung. Halten Sie durch; wenn wir sie später verknüpfen, ergibt alles einen Sinn. Bevor wir diesen Beitrag abschließen, wiederholen wir kurz einige der Hauptaspekte, die Sie berücksichtigen müssen:

  1. Verstehen Sie Ihre mechanischen Last und wie sie mit dem Servomotor verbunden wird
  2. Bewegungsprofil und Positionierungsanforderungen
  3. Kenndaten der vorgesehenen Servomotortechnologie
  4. Die Umgebung, in der die Komponenten arbeiten
 
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