Servomotore rotativo a trasmissione diretta vs. servomotore rotativo con riduttore: quantificazione del vantaggio progettuale: Parte 1

Obiettivi di apprendimento

• I sistemi servo rotativi utilizzati nel mondo reale non raggiungono le prestazioni ideali a causa di limitazioni tecniche.
• Diversi tipi di servomotori rotativi possono offrire vantaggi agli utenti, ma ognuno di essi presenta sfide o limitazioni specifiche.
• I servomotori rotativi a trasmissione diretta offrono le migliori prestazioni, ma sono più costosi dei motoriduttori.

Per decenni, i servomotori con riduttore sono stati uno degli strumenti più comuni nell'automazione industriale. I servomotori con riduttore offrono applicazioni di posizionamento, adattamento della velocità, camma elettronica, avvolgimento, tensionamento e serraggio, e adattano in modo efficiente la potenza del servomotore al carico. Questo solleva la domanda: un servomotore con riduttore è la soluzione migliore per la tecnologia del movimento rotatorio o esiste una soluzione migliore?

In un mondo perfetto, un servosistema rotativo dovrebbe avere valori nominali di coppia e velocità adatti all'applicazione, in modo che il motore non sia né sovradimensionato né sottodimensionato. La combinazione di motore, elementi di trasmissione e carico dovrebbe avere una rigidità torsionale infinita e gioco nullo. Sfortunatamente, i servosistemi rotativi reali non raggiungono questo obiettivo ideale in misura variabile.

In un tipico servosistema, il gioco è definito come la perdita di movimento tra il motore e il carico causata dalle tolleranze meccaniche degli elementi di trasmissione; questo include qualsiasi perdita di movimento attraverso riduttori, cinghie, catene e giunti. Quando una macchina viene inizialmente accesa, il carico si troverà in una posizione intermedia rispetto alle tolleranze meccaniche (Figura 1A).

Prima che il carico possa essere mosso dal motore, quest'ultimo deve ruotare per recuperare tutto il gioco presente negli elementi di trasmissione (Figura 1B). Quando il motore inizia a decelerare al termine di un movimento, la posizione del carico potrebbe addirittura superare quella del motore, poiché la quantità di moto spinge il carico oltre la posizione del motore.

Il motore deve nuovamente recuperare il gioco nella direzione opposta prima di applicare coppia al carico per decelerarlo (Figura 1C). Questa perdita di movimento è chiamata gioco e si misura tipicamente in minuti d'arco, pari a 1/60 di grado. I riduttori progettati per l'uso con servocomandi in applicazioni industriali hanno spesso specifiche di gioco che vanno da 3 a 9 minuti d'arco.

La rigidezza torsionale è la resistenza alla torsione dell'albero motore, degli elementi di trasmissione e del carico in risposta all'applicazione di coppia. Un sistema infinitamente rigido trasmetterebbe la coppia al carico senza alcuna flessione angolare attorno all'asse di rotazione; tuttavia, anche un albero in acciaio pieno subirà una leggera torsione sotto carico elevato. L'entità della flessione varia in base alla coppia applicata, al materiale degli elementi di trasmissione e alla loro forma; intuitivamente, le parti lunghe e sottili subiranno una torsione maggiore rispetto a quelle corte e spesse. Questa resistenza alla torsione è ciò che fa funzionare le molle elicoidali, poiché la compressione della molla provoca una leggera torsione di ogni giro del filo; un filo più spesso produce una molla più rigida. Qualsiasi rigidità torsionale inferiore a infinita fa sì che il sistema agisca come una molla, il che significa che l'energia potenziale verrà immagazzinata nel sistema mentre il carico resiste alla rotazione.

Se combinati insieme, la rigidezza torsionale finita e il gioco possono degradare significativamente le prestazioni di un servosistema. Il gioco può introdurre incertezza, poiché l'encoder del motore indica la posizione dell'albero motore, non il punto in cui il gioco ha consentito al carico di assestarsi. Il gioco introduce anche problemi di messa a punto poiché il carico si accoppia e si sgancia brevemente dal motore quando il carico e il motore invertono la direzione relativa. Oltre al gioco, la rigidezza torsionale finita immagazzina energia convertendo parte dell'energia cinetica del motore e del carico in energia potenziale, rilasciandola successivamente. Questo rilascio ritardato di energia causa oscillazioni del carico, induce risonanza, riduce i guadagni di messa a punto massimi utilizzabili e influisce negativamente sulla reattività e sul tempo di assestamento del servosistema. In ogni caso, la riduzione del gioco e l'aumento della rigidità di un sistema aumenteranno le prestazioni del servo e semplificheranno la messa a punto.

Configurazioni del servomotore dell'asse rotante

La configurazione più comune di un asse rotante è un servomotore rotativo con un encoder integrato per il feedback di posizione e un riduttore per adattare la coppia e la velocità disponibili del motore alla coppia e alla velocità richieste dal carico. Il riduttore è un dispositivo a potenza costante che è l'analogo meccanico di un trasformatore per l'adattamento del carico.

Una configurazione hardware migliorata utilizza un servomotore rotativo a trasmissione diretta, che elimina gli elementi di trasmissione accoppiando direttamente il carico al motore. Mentre la configurazione con motoriduttore utilizza un accoppiamento a un albero di diametro relativamente piccolo, il sistema a trasmissione diretta fissa il carico direttamente a una flangia del rotore molto più grande. Questa configurazione elimina il gioco e aumenta notevolmente la rigidità torsionale. Il maggior numero di poli e gli avvolgimenti ad alta coppia dei motori a trasmissione diretta si adattano alle caratteristiche di coppia e velocità di un motoriduttore con un rapporto di trasmissione di 10:1 o superiore.