מושג הרובוטים כבר רחב מאוד. מאמר זה מתמקד במנועי סרוו למפרקים רובוטיים המשמשים במגזר האוטומציה התעשייתית ואינו מכסה מנועי סרוו משולבים לרובוטי שירות.
רובוטים תעשייתיים מסווגים באופן נרחב לרובוטים ליניאריים (הידועים גם בשם רובוטים קרטזיים), רובוטים מרובי-דרגות--חופש (הידועים גם בשם רובוטים מרובי-מפרקים), רובוטים מקבילים (הידועים גם כרובוטים דלתא), ורובוטים מרובי-מפרקים אופקיים (הידועים גם בשם רובוטים SCARA). "תא אוטומציה" מורכב מסוגים שונים של זרועות רובוטיות מפרקיות וציוד שינוע אוטומטי. תאי אוטומציה עם פונקציות שונות מקושרים ליצירת קו ייצור אוטומטי, וקווי ייצור אוטומטיים מרובים משולבים ליצירת בית מלאכה אוטומטי.
בין רובוטים תעשייתיים ויחידות אוטומטיות אלה, מנועי סרוו ממלאים תפקיד קריטי במיקום מדויק, מיידי ומהימן של מבנים מכניים לפי פקודות בקרה; לכן, הם נחשבים לרכיבי ליבה.
מושגים בסיסיים של מנועי סרוו מגנט קבוע
"סרוו" מתייחס ליכולת לבצע פקודות ממערכת מחשב בקרה ללא סטייה. מושג זה אינו מוגבל למנועים חשמליים או הידראוליקה; הוא מקיף גם מערכות פניאומטיות, וכל רכיב המסוגל לבצע משימה זו נחשב לרכיב סרוו.
מנוע חשמלי הוא רכיב אלקטרומכני הממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית. מנוע סרוו הוא מנוע חשמלי המיועד לשימוש במערכות בקרת תנועה, כאשר פרמטרי הפלט שלו-כגון מיקום, מהירות, תאוצה או מומנט-ניתנים לשליטה.
ניתן לסווג מנועי סרוו לסוגים שונים על סמך מפרטי הבקרה שלהם. לפי סוג אספקת החשמל, הם מחולקים למנועי סרוו AC ומנועי סרוו DC; לפי מצב הפעלה, הם מסווגים למנועי סרוו ליניאריים ולמנועי סרוו סיבוביים. מנועים לינאריים יוצרים ישירות כוח ניוטוני, בעוד מנועים סיבוביים מפיקים מומנט סיבובי. כדי להניע עומסים ליניאריים, מנועים סיבוביים דורשים מנגנונים מכניים כגון ברגים עופרת כדי להמיר תנועה סיבובית לתנועה ליניארית.
מנועי סרוו AC סיבוביים מסווגים למנועי סרוו אסינכרוני AC ולמנועי סרוו סינכרוני AC המבוססים על מבנה הרוטור. הרוטור של מנוע סרוו אסינכרוני AC מורכב מכלוב אלומיניום או נחושת, ומהירות הסיבוב של הכלוב שומרת תמיד על הפרש מהירות מסוים ביחס לשדה המגנטי המסתובב הסינכרוני. תחת טכנולוגיית בקרת וקטור, סוג זה של מנוע יכול להשיג מאפייני בקרת מומנט מדויקים כמו אלו של מנועי DC. עם זאת, הרוטור כולל אינרציה גבוהה, מאפייני הספק-קבועים טובים וטווח מהירות רחב, מה שהופך אותו למתאים למגוון רחב של עומסי אינרציה- משתנים כגון יישומי חיתוך/פריקת מכונות הדפסה. החסרונות הם מומנט התנעה נמוך, ומהירות התגובה האלקטרומגנטית שלהם נחותה מזו של מנועי סרוו מגנט קבוע. קבוע הזמן האלקטרומגנטי הוא בערך פי 10 מזה של מנועי מגנט קבוע העשויים מחומרי מגנט קבוע. יתר על כן, בשל צפיפות הספק נמוכה וממדי רוטור גדולים, הם אינם מתאימים ליישומי סרוו דינמיים- גבוהים.
מנועי סרוו סינכרוניים סיבוביים AC משתמשים בחומרי מגנט קבוע עבור הרוטורים שלהם, אשר יוצרים ישירות את השדה המגנטי של העירור. אין צורך בזרם עירור כדי לבסס את השדה המגנטי של המנוע, וכתוצאה מכך תגובה אלקטרומגנטית מהירה. יתר על כן, צפיפות האנרגיה הגבוהה של חומרי מגנט קבועים נדירים- של כדור הארץ מאפשרת צפיפות הספק גבוהה במנועים אלה, ופותחת אפשרויות לתכנון מנועי סרוו עם מאפייני ביצועים שונים. ניתן להשיג תגובה דינמית גבוהה באמצעות עיצוב דק עם אינרציה רוטור נמוכה או עיצוב קומפקטי וחזק עם אינרציה רוטור גבוהה. השימוש בחומרי מגנט קבוע- נדירים של כדור הארץ קבע את מנועי המגנט הקבוע כבחירה המועדפת ליישומי סרוו. עם זאת, חומרי מגנט קבוע- נדירים של כדור הארץ נותרו הרכיב היקר ביותר מבין כל החומרים המשמשים במנועי סרוו. הבדלים בחומרים בהם משתמשים יצרנים שונים מביאים לרמות משתנות של איכות המוצר. חומרים מגנטים קבועים באיכות-גבוהה עשויים שלא להתבטל אפילו בטמפרטורות עבודה מעל 150 מעלות, בעוד שחומרים נחותים עשויים להתבטל כאשר טמפרטורת הפעולה של המנוע נמוכה מ-120 מעלות. איכות חומרי המגנט הקבוע קובעת ישירות את המאפיינים השונים של מנוע הסרוו.
מנועי סרוו לינאריים מוציאים ישירות-מטרי כוח של ניוטון ללא צורך בהמרה מכנית, מה שמאפשר תאוצה גבוהה מאוד. בשנים האחרונות, התקדמות טכנולוגית מהירה הובילה לשימוש נרחב שלהם בצירי ההזנה של מכונות-בעלות ביצועים גבוהים. ברובוטים תעשייתיים, לעומת זאת, היישום שלהם מוגבל לזרועות רובוטיות ליניאריות מסוימות ואינו במוקד המאמר הזה. מאמר זה מתמקד במנועי סרוו מגנט קבוע סיבוביים ויישומים שלהם ברובוטים תעשייתיים.
מבנה של מנוע מגנט קבוע מסתובב
איור 1 מציג תרשים מבני טיפוסי של מנוע סרוו מגנט קבוע. כדי לספק סקירה מקיפה, דיאגרמה יחידה זו נועדה להמחיש בבירור את כל המבנה של מנוע סרוו מגנט קבוע. למעשה, מנועי סרוו מגנט קבוע עם הספק נמוך- בדירוג של 15 קילוואט או פחות יכולים להסתמך על הסעה טבעית לקירור, מה שמבטל את הצורך במאוורר קירור. מנועים אלה הם קומפקטיים ואינם דורשים רגלי הרכבה; גם טבעות התקנה מיותרות. החלפת תיבת המסוף במחבר תעופה עבור חוטי ההובלה מביאה לעיצוב נקי יותר. כתוצאה מכך, מראה המנוע הופך להיות כפי שמוצג באיור 2(א). אם המנוע קטן מאוד-מתחת ל-1 קילוואט-אפילו מחברי התעופה עבור חוטי ההובלה אינם נחוצים; במקום זאת, ניתן להרחיב כבל ישירות מהמנוע, וכתוצאה מכך לתצורה המוצגת באיור 2(ב).
איור 1: תרשים סכמטי של מנוע סרוו מגנט קבוע
איור 2: תרשים סכמטי של מנוע סרוו מגנט קבוע-נמוך
סעיף זה מניח שהקורא מבין את העקרונות של מנועים חשמליים ומתמקד אך ורק בהסבר ההבדלים המבניים בין מנועי סרוו מגנט קבוע לבין סוגים אחרים של מנועים המבוססים על המאפיינים של מנועי רובוט.
מיסבים: חיי השירות של מנוע סרוו קשורים קשר הדוק למיסבים שלו. בהתחשב בדרישות האמינות והעמידות הגבוהות של רובוטים, המסבים חייבים להבטיח חיי שירות של לפחות 30,000 שעות. בהתבסס על יום עבודה של 8 שעות, זה מתורגם לחיי שירות של רובוט של לפחות 10 שנים. המסבים חייבים להיות מסוגלים לפעול לסירוגין ב-6,000 סל"ד.
הלמינציות והפיתולים של סטטור: מכיוון שמנועי רובוט דורשים צפיפות הספק גבוהה, וכדי למזער את הגודל ולהפחית יצירת חום אובדן ברזל, חומר הלמינציה חייב להיות פלדת סיליקון מגולגלת קרה בעובי של 0.35 מ"מ או פחות. הפיתולים חייבים לעמוד בחשיפה ארוכת טווח- ל-16 קילו-הרץ משתנה-לפולסי נושא התדר. כדי למנוע התמוטטות ולעמוד בנחשולי dv/dt עזים, דירוג העמידות במתח חייב להיות לא פחות מ-2,500 וולט.
חומר מגנט קבוע של רוטור: חומר המגנט הקבוע הוא הרכיב היקר ביותר במנוע סרוו מגנט קבוע. לחומרים עם תכולת יסודות אדמה נדירה נמוכה יש נקודת קירי נמוכה ויציבות חומר ירודה. אם משתמשים במגנטים של ניאודימיום-ברזל-בורון (NdFeB), רצוי שהם יהיו בדרגה UH42 ומעלה. בנוסף, יש לשים לב לתוכן של יסודות אדמה נדירים כגון דיספרוזיום. כדי להבטיח התנגדות לדה-מגנטיזציה-בטמפרטורה גבוהה, מגנטים של קובלט (SmCo) של samarium- נמצאים בשימוש נרחב גם במנועי סרוו קטנים ובינוניים-. לסיכום, חיוני להבטיח שמנוע הסרוו יישאר באמת עמיד בפני דה-מגנטיזציה-בתנאי הפעלה רגילים. אחרת, לא ניתן להבטיח את היציבות-לטווח הארוך של הרובוט.
אטמי פיר: כדי למנוע כניסת שמן ופסולת למנוע תוך הבטחת פעולה חלקה, התקנת אטם פיר בקצה פיר המנוע היא שיטת תכנון סטנדרטית. ברובוטים, גלגל שיניים קטן כרוך לעתים קרובות על ציר מנוע הסרוו כדי לחבר את המנוע ישירות למפחית. מכיוון שטמפרטורות גבוהות ושמן עלולים להיכנס למנוע, נדרשים אטמי פיר מרובי-שפתיים בטמפרטורה גבוהה-. לדוגמה, אטם פיר גומי פלואורוקרבון כפול-שפתי הוא אמין יותר מאשר אטם פיר גומי ניטריל אחד-שפתיים, אם כי ההבדל בעלויות משמעותי.
בלם: בלם הוא תכונה סטנדרטית למנועי רובוט. כמעט 95% ממנועי הסרוו דורשים בלם. כדי להבטיח שהבלם יתחבר בכל עת-במיוחד בזמן עצירות חירום-עליו לפעול באופן אמין. על הבלם להיות בעל מקדם בטיחות מספק, עם מומנט סטטי של פי 1.5 בערך מהמומנט הנקוב של המנוע. עבור מנועי רובוט-כבדים, מקדם הבטיחות של הבלם אמור להגיע לפי 2.0 או אפילו פי 2.5 מהמומנט הנקוב. חשוב לציין שהבלם במנוע רובוט הוא בלם בטיחות, לא בלם שירות. מערכת הבקרה חייבת לוודא שבמהלך עצירת חירום, מעגל הבלימה של כונן הסרוו מופעל באמצעות נגד בלימה, והבלם נדלק כאשר מהירות המנוע מתקרבת לאפס. כדי לשפר את מהירות התגובה, בלמי מגנט קבוע עדיפים על בלמי קפיצים אלקטרומגנטיים.
מקודד: המקודד מותקן בקצה האחורי של המנוע ומתפקד כחיישן למהירות המנוע ומיקום הרוטור. הוא מודד את מיקום הרוטור כדי לספק למחשב הבקרה נתונים על המיקום והמהירות בפועל של הרוטור עבור בקרת סרוו, מיקום שדה מגנטי וחישוב מסלול תנועה. בעוד שמקודדי מנוע רובוטים בדרך כלל אינם מציעים דיוק גבוה, הם חייבים לתמוך במדידת מיקום אבסולוט מרובה-סיבובים כדי להבטיח שהמנוע יוכל לחזור לפעולה מהמיקום בו היה לפני הפסקת חשמל. נכון לעכשיו, קיימות שלוש גישות נפוצות לטיפול בדרישות מקודד מנוע רובוט. השיטה הראשונה משתמשת במקודד אופטי או מגנטי של קוד אפור למדידת-סיבוב בודד ובגלגלי שיניים מכניים למדידת-סיבובים. היתרון של גישה זו הוא דיוק מדידה גבוה; לאחר הפסקת חשמל, מצב ההפעלה של המנוע נשמר באמצעות המיקום המכני של המקודד וניתן לקרוא אותו ישירות עם -ההפעלה. עם זאת, החיסרון הוא שהמקודד עבה מדי, מה שהופך אותו ארוך מדי עבור חללי התקנה מוגבלים. השיטה השנייה משתמשת במקודד קוד אפור אופטי או מגנטי כדי לאחסן נתוני{11}}סיבוב בודד, בעוד שנתוני ריבוי-פניות מאוחסנים באמצעות זיכרון אלקטרוני-מופעל באמצעות סוללה. זה מאפשר להפוך את המקודד לקצר מאוד, מה שהופך אותו לאידיאלי עבור מנועי סרוו קטנים עם קוטר חיצוני של פחות מ-60 מ"מ. החיסרון הוא שחיי הסוללה קצרים יחסית-בדרך כלל 2-3 שנים לכל היותר, ובמקרים מסוימים, יש צורך להחליף את הסוללה לאחר שנה אחת בלבד. השיטה השלישית משתמשת בשנאי סיבובי כדי למדוד מיקום סיבוב- יחיד עבור יישומים עם דרישות דיוק נמוכות, בעוד שמידע רב- מטופל על ידי לוח מעגלים המופעל על ידי סוללה- בתוך תיבת הבקרה.
הארכת גל הרוטור: עקב פעולה תכופה קדימה ואחורה, המנוע נתון לכוחות גזירה; לכן, רצוי שחומר הפיר יהיה פלדה מחוסמת 42CrMo. אם המנוע מותקן עם מפתח, יש למקם את המפתח במלואו כדי לצמצם ביעילות את האיזון הדינמי והתרוקנות של המנוע. במהירויות גבוהות, ההבדל בין מנוע סרוו עם מפתח לבין פיר חשוף בפעולת ללא-עומס יכול להיות גדול פי תשעה-, גורם שאין לזלזל בו.
פרמטרי שידור מפתח של מנועי סרוו מגנט קבוע
אזור הפעלה: האזור שבו המנוע יכול לפעול ברציפות מבלי לחרוג מעליית הטמפרטורה המותרת נקרא אזור ההפעלה הרציף; האזור שמחוץ לאזור ההפעלה הרציף שבו מותרת הפעלה לטווח קצר-נקרא אזור ההפעלה לסירוגין. אזור הפעולה מיוצג על ידי מישור קואורדינטות דו-ממדי של מומנט ומהירות.
הספק מדורג PN: ההספק המרבי שהמנוע יכול להפיק בתוך אזור ההפעלה הרציף.
מומנט מדורג MN: המומנט שבו המנוע מספק את ההספק הנקוב שלו בתוך אזור ההפעלה הרציף. הגדרות של מומנט מדורג משתנות באופן משמעותי בין היצרנים. תנאי פיזור חום תואמים מפורטים בדרך כלל. בעולם, מקובל לציין שדירוג זה נמדד כאשר המנוע מותקן על אוגן אלומיניום בשטח ובעובי מוגדרים, כאשר טמפרטורת האוגן נשמרת על 20 מעלות או מתחת לטמפרטורה שצוינה. לכן, בפעולה בפועל, מנועים מותקנים לרוב על רכיבי ברזל יצוק, וטמפרטורות הקיץ עשויות לחרוג מתקן הבדיקה. אם אין מרווחים במהלך הפעולה, הדבר עלול להוביל להתחממות יתר ולדה-מגנטיזציה. המצב הסטנדרטי של טמפרטורת סביבה של 40 מעלות המצוין בתקן הלאומי הסיני סביר יחסית לסביבה הסינית. יצרנים בעלי מוניטין יכללו מרווח עיצובי מסוים מתחת לערכים הנקובים שנקבעו על פי התקן בעת פרסום המומנט המדורג, שהוא בטוח יותר.
Rated Current IN: הזרם המתאים למומנט הנקוב.
מהירות מדורגת nN: המהירות המרבית שבה מותר למנוע לפעול תחת מומנט נקוב בתוך מחזור העבודה הרציף.
נעילה מתמשכת-מומנט רוטור MO: המומנט המרבי שהמנוע יכול לספק כשהוא נעול במחזור העבודה המתמשך. בדרך כלל, מהירויות מתחת ל-100 סל"ד נחשבות לנופלות בטווח הפעולה של הרוטור הנעול.-
רציף נעול-רוטור I0: הזרם המתאים למומנט הרוטור הנעול הרציף-.
מומנט שיא Mmax: המומנט המרבי שהמנוע רשאי להפיק. התנאים הנומינליים משתנים באופן משמעותי בין יצרנים שונים. יש המציינים את המומנט המתאים לזרם הדה-מגנטיזציה; אין להשתמש במפרט כזה בתור שיא המומנט. מתכננים מכניים חייבים לאפשר מרווח מספיק כדי למנוע מהמנוע להתבטל ולהיכשל עקב מומנט פעולה מוגזם. אם המומנט המרבי מצוין בהתאם למחזור העבודה, יש לו ערך ייחוס הנדסי. שיא המומנט שצוין לפי S3-10% הוא בעל ערך הייחוס ההנדסי הגדול ביותר; ניתן להבין זאת כמומנט ההפעלה המקסימלי המותר לזמן פעולה רצוף של 3 שניות, שמספיק לרובוטים. עומס יתר החוזר על רובוטים מרובי מפרקים הוא בדרך כלל בערך פי 2.0.
זרם שיא Imax: זרם הפעולה המתאים לשיא המומנט.
קבוע זמן חשמלי Te: קבוע מאפיין המייצג את המהירות שבה זרם מגיב למתח מופעל. הוא מוגדר כזמן הדרוש לזרם להגיע ל-1 - e^(-1) (כ-63.2%) מהזרם הסופי לאחר הפעלת מתח קבוע על מסופי המנוע. קבוע הזמן החשמלי של מנוע סרוו מוגדר בדרך כלל כיחס בין השראות של פיתול הסטטור להתנגדות שלו (Te=L/R). זה קשור לזמן התגובה הצעד הנוכחי של מערכת הסרוו אבל לא בהכרח שווה ערך לזה.
קבוע זמן מכני Tm: קבוע הזמן המכני של מנוע סרוו מוגדר כ: tm=R*J/Ke*Kt, כלומר, הוא קשור להתנגדות הפיתול, מומנט האינרציה של הרוטור, מקדם החזרה של המנוע-EMF ומקדם מומנט המנוע. קבוע הזמן המכני של מנוע הנעה שווה בקירוב לזמן הדרוש למנוע להאיץ ממהירות אפס ל-63.2% ממהירות-מצבו היציב בתנאי ללא-עומס. במערכת סרוו, קבוע זה עשוי להיות שווה ערך מספרית לזמן התגובה של מהירות-שלב הלולאה של המערכת.
חזרה-EMF קבוע Ke: ערך ה-EMF ללא-עומס חזרה-המושר על ידי המנוע במהירות יחידה. זה בדרך כלל מתייחס ל-EMF ללא-עומס חזרה-המתאים ל-1000 סל"ד, עם יחידות של V/krpm.
קבוע מומנט Kt: מומנט המוצא של המנוע המתאים לזרם יחידה. הקשר בין גב המנוע-מקדם EMF Ke לבין מקדם המומנט Kt ניתן בדרך כלל על ידי Kt=9.55 * Ke * 1.732, כאשר Kt הוא ב-Nm/A, Ke הוא ב-V/rpm, ו-Ke=Kt. כאן, Ke מתייחס לקו האחורי-EMF.
אם מפרטי המנוע אינם מספקים פרמטרים של Kt ו-Ke, ניתן לגזור את Kt מהמומנט הנקוב ומהזרם הנקוב. לאחר מכן, באמצעות הקשר Kt=9.55 * Ke * 1.732, ניתן לגזור בעקיפין את מקדם ה-EMF Ke לאחור באופן הבא: Ke=0.1047 * Kt / 1.732, עם יחידות של V/rpm; לחלופין: Ke=104.7 × Kt / 1.732, עם יחידות של V/krpm או mV/rpm.
בשל מגבלות מתח אספקת החשמל, EMF האחורי של המנוע מתוכנן בדרך כלל להיות נמוך יחסית כדי להבטיח היענות גבוהה, מה שמבטיח מפל מתח מספיק במהירויות גבוהות כדי להשיג זרם מתאים. עם זאת, זרם גבוה מגביר את העומס התרמי של המנוע. כתוצאה מכך, מנועי רובוט דורשים צפיפות הספק גבוהה כדי להשיג גודל קומפקטי, מומנט גבוה וייצור חום נמוך.
רוטור מומנט אינרציה J: מומנט האינרציה של רוטור המנוע. רגע האינרציה של מנוע רובוט הוא קריטי, שכן הוא משפיע ישירות על יציבות פעולת הרובוט. הסיבה לכך היא שרובוטים כרוכים לעתים קרובות בתיאום רב-צירים. לדוגמה, הציר השני של רובוט מפרקי דורש מנוע עם אינרציה משמעותית כדי להתאים את השינויים המהותיים באינרציית העומס המתרחשים כאשר הזרוע נמשכת ונסוגה.
מומנט-חריץ שיניים: כאשר הפיתולים של מנוע מגנט קבוע פתוחים-במעגלים, נוצר מומנט מחזורי במהלך סיבוב אחד של המנוע עקב החריצים בליבת האבזור, הנוטים להתיישר עם מצבים של התנגדות מגנטית מינימלית.
קיבולת עומס יתר: היכולת של מנוע לספק הספק או מומנט מוגדרים לתקופה מוגדרת בתנאים מוגדרים מבלי לחרוג מהשיא שצוין. בדרך כלל, היחס בין זרם שיא לזרם מדורג מכונה מקדם עומס יתר הנוכחי, בעוד שהיחס בין שיא מומנט מומנט נקוב מכונה מקדם עומס מומנט. בדרך כלל, מנועי רובוט חייבים להבטיח קיבולת עומס מומנט של פי 3 בערך.
מהירות מרבית nN: המהירות הגבוהה ביותר שהמנוע יכול להשיג במהלך פעולה לסירוגין. הגדרות של מהירות מרבית משתנות באופן משמעותי בין יצרני המנועים; עבור מנועי רובוט, הערך המסופק מייצג בדרך כלל את המהירות הגבוהה ביותר שבה ניתן לבצע פעולה חוזרת במהלך השימוש בפועל. במהירות מרבית, המומנט המרבי המתאים יכול לעלות על פי שניים מהמומנט הנקוב, מה שמבטיח תגובת תאוצה על פני כל טווח המהירות.