機械設計用のサーボ モーター システムの選択は、サーボ モーターまたはサーボ ドライブ システムを構成するコンポーネントを理解することから始まります。 サーボ システムは、特定の目的の動きを制御するために使用される閉ループ システムです。 これらには、駆動されるメカニズムの位置、速度、およびトルクを正確に制御するために、モーターとドライバーの間で一定の情報を提供するフィードバック デバイスが含まれています。
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通常、サーボ設計は、負荷を駆動して急速に加速および減速させる非常に動的なシステムです。 それらは 4 つの象限で動作します。つまり、トルクと速度を正と負の両方で制御できます。
サーボ主導の選択には、体系的なソリューションが必要です。 言い換えれば、全体的な機械的、電気的、およびプログラミングのパラメーターを考慮した総合的なアプローチです。 このシステムには、機械的負荷、モーション カーブ (位置決め要件を含む)、サーボ モーターの特性、およびモーターとその他のコンポーネントが配置されている環境の決定が含まれます。 特に、モーターがほぼ一定の速度で動作している場合、最終製品、材料、および/またはプロセス自体に影響を与えます。
機械的負荷とモーション カーブ パラメータ
まず、機械的負荷と運動要件の意味を理解することから始めましょう。 基本的なニュートン物理学では、加速度が正か負かに関係なく、力 (または回転方向のトルク) は質量 (回転慣性) と加速度の積に比例すると主張しています。 モーションデザインのコンテキストでは、機械の構造には独自の品質と、それが運ぶ負荷の品質があります。
したがって、機械部品、特にモーションの品質と望ましいモーション カーブを決定することが重要です。 回転運動を直線運動に変換する方法はさまざまで、精度、負荷、運動力学、環境などの要因によって影響を受けます。
使用されるメカニズムを理解したら、モーション ダイナミクスを理解することが、最適なサーボモーター ソリューションを決定するために重要です。 モーション カーブには、あるポイントから別のポイントへのモーションだけでなく、パーツの機械加工に関連する推力など、そのモーションで使用される関数も含まれます。 加速、均一、減速、および滞留時間と一時停止時間はすべて、システムの全体的なモーション カーブに含まれます。 インデックス移動は、単純な三角運動、可変台形、または 1/3-1/3-1/3 (RMS トルクに関連する最も効率的な運動) の場合があります。
サーボシステム選定・選定ツール
多くのベンダーは、ユーザーがアプリケーションのモーション要件に基づいてモーション プロファイルを作成するのに役立つ選択および選択ツールを提供しています。 Kollmorgen の Motioneering プラットフォームなど、ほとんどのソフトウェア ツールは、加速度、移動時間、距離、速度、および滞留時間を計算するのに役立つさまざまなモーション記述を提供します。 図 1 は、基本的な 1/3-1/3-1/3 曲線を示しており、加速を滑らかにするために 50% の加速が導入されています。 この例では、1 秒で 8 インチ移動し、50% の加速と 2 秒の滞留時間を使用することを選択しました。 システムは、1/3 の加速時間、1/3 の一定速度、および 1/3 の減速度でモーションを計算します。 ツールによって計算された最大速度は 720 インチ/分です。 「S」カーブのアウトラインが表示されます (50% の加速度に基づく)。 さらに、このモーションでは、スラスト荷重 (赤い線) がモーションの横方向の部分に適用されていることがわかります --。このモーション カーブはおそらく機械加工されています。 滞留時間も 3 秒と見なすことができます。 この曲線に関連付けられたすべてのパラメータが RMS トルクの計算に使用されるため、滞留部分は重要です。これは、正しいモーターを選択するために使用するメトリックになります。 モーション カーブに加えて、分解能、精度、および再現性の観点から、負荷の実際の位置決め要件を理解することも重要です。 これは、フィードバック デバイスの選択と、(より重要な) クリアランスと柔軟性の形でのメカニカル フィッティングの空の運動量によって直接影響を受けます。
設計でダイレクト ドライブ モーター ソリューションを使用できない場合は、ある種の機械式トランスミッションが含まれます。 回転リニア動力伝達 (回転モーターの出力をシャフト移動に変換する) は、プーリー ドライブまたはボールねじなどのねじベースの機構によって実現できます。 ロータリードライブにはギアボックスまたはベルトドライブアセンブリが含まれているため、さまざまなサイズのプーリーをリターダーとして使用できます。 一部のアプリケーションでは、移動するパーツが総モーション質量に大きく影響します。 特殊なケースとして、ロボット システムの分配や処理などで -- を変更するために動かさなければならない機械シャフトの質量があります。 総負荷変動は、サーボドライブを調整する際の要因となる場合があります。
動作中のコンポーネントは、それらの慣性を合計し、それをモーター シャフトに反映する必要があります。 慣性に加えて、外力、摩擦、および非効率を考慮する必要があります。
サーボ設計における環境配慮
まだ終わっていません。 サーボの設計を決定する際、経済的かつ効率的に必要なモーション、運搬能力、および精度を提供できるのは、特定の利用可能なメカニズムだけです。 見落とされがちな考慮事項の 1 つは、サーボ システムが動作する環境です。 ほとんどのサーボモーターは 40 ℃ で動作するように定格されています。これは非常に暖かい環境ですが、多くの工場や工業環境では一般的です。
駆動電子機器の耐熱性はそれほど高くなく、定格も 40 ℃ であるため、動作する周囲温度の管理が課題です。 通常、適切な環境条件 (温度と湿度) を維持するには、制御盤内の強制冷却が必要です。 したがって、モーターとドライバの配置を考慮する必要があります。 もちろん、モーターをデバイスに直接取り付けたり、組み込んだりして、耐荷重機構を駆動することもできます。 対照的に、集中型ソリューションのドライブは制御キャビネット -- にあり、通常は冷却する必要があります。
メーカーは、モーターが動作する環境条件に従って部分的なモーター性能を定義します。 前述のように、多くの設計者はモーターの定格周囲温度が 40 ℃ であると想定していますが、25 ℃ のモーター仕様が提供される場合もあります。 したがって、仕様を検討する際には、公開されている参考値に注意を払う必要があります。 機械の周囲温度が定格周囲温度を超えると、モーターは定格出力に達しません。
他の環境条件は、モーターの塗装やシール、その他の機械的サブコンポーネントに影響を与える可能性があります。 ほこり、汚れ、湿気、スプレー洗浄、衛生要件、爆発性環境、真空環境、および放射線はすべて、現在の過酷な環境に合わせた物理的特性を備えた特別なサーボモーターを必要とします。
選考プロセス
必要なモーター/駆動システムの構成を決定する際、初期の選択作業の大部分は機械的および環境的なものです。 ここで、ユーザーが最終製品を選択するとき、システムに含まれる残りのシステム コンポーネントを考慮する必要があります。 機械的および環境的要因は、フィードバック要素、配線、および制御アーキテクチャの最終的な選択に影響を与え続けます。
フィードバックに関する考慮事項とサーボ モーターの特性
定義上、サーボ システムには、動作中に速度、位置、およびその他のシステム パラメータを測定するフィードバック デバイスがあります。 メーカーの選択肢は限られているかもしれませんが、衝撃荷重や位置決め精度、再現性など、特定のアプリケーション パラメータを慎重に検討することが重要です。 回転式変圧器は、過酷な環境、特に衝撃負荷が大きい場合に優れた性能を発揮することがよくあります。 回転変圧器は、コアの周りに固定子と回転子の部分を持つ巻線コイルで構成される回転変圧器です。 この構造により、ガラスディスク要素を含む可能性のあるエンコーダよりも、高温での動作と高い衝撃荷重に対する耐性が向上します。
正弦波エンコーダは、最適な位置決め精度のために、最大 24 ビット以上の高解像度を提供できます。 一部のハイブリッド エンコーダは、回転変圧器の堅牢性と優れた分解能を提供できます。 これらのスマート エンコーダーは、サイン信号とコサイン信号を解釈し、速度と位置のフィードバックで使用するためにサーボ ドライバーに渡される高解像度のデジタル信号に変換する電子コンポーネントを備えた回転トランスに基づいています。
現在、最新のエンコーダはさまざまな通信プロトコル (EnDAT、BiSS、および DSL) を提供し、サーボ ドライバおよびコントローラへの最適なフィードバック信号を達成するのに役立つ高解像度および低ノイズ機能を提供します。
アプリケーションの要件に依存するもう 1 つのフィードバックの選択肢は、絶対的なフィードバックが必要か増分フィードバックが必要かということです。 回転システムでは、機器を 1 回転させて 360 度の回転を完了すると、0 から数えることができます。 マルチターン アブソリュート エンコーダーは、360 度の回転におけるモーターの位置だけでなく、各方向で完了した回転数もシステムに知らせます。 したがって、それがどこにあるかを正確に知っています。 これと、ツールやその他の軸が配置されている場所を把握することが重要です。 一方、単純なインクリメンタル エンコーダは、1 回転で位置を特定できますが、電源投入サイクルでゼロを検出した後でのみ可能です。 その結果、ユーザーは完了したサイクル数や絶対位置さえもわかりません。
電源を入れると360度回転。
サーボモーターとサーボドライバー自体に加えて、両者間の実際の接続も重要です。 ケーブルの柔軟性 (許容曲げ半径によって定義される) は、特にケーブルがシャフトとともに移動する場合に重要な考慮事項です。
ケーブルの長さは、検討中のエンコーダのタイプによって制限される場合があります。 インピーダンスや電圧降下などのケーブル パラメータと、エンコーダの信号強度が、長さを考慮する際の重要な要素となります。 市場に出回っている新しいデバイスの中には、非常に高い伝送速度でシリアル情報をドライバー (DSL、EnDat、BiSS など) に伝送するものがありますが、これは長さ、特にインピーダンスと信号対雑音比の影響を受けます。 コネクタはこれらのデバイスから生成されたさまざまな信号を処理する必要があるため、コネクタも「フィードバック」ループで役割を果たします。 モータ電力に関連するもう 1 つのケーブル長要因は、今日の PWM ドライバに含まれる高いスイッチング周波数に関連しています。 モーターの電源コードから異音がする。 ケーブルが長くなり、ケーブルの周波数波長の半分に近づくと、アンテナが形成されます。 アンテナは、高性能システムに存在してはならない情報 (この場合はノイズを生成する) を送受信します。
最後のパラメーター: モーション コントロールとネットワーク -- 集中型と分散型
設計プロセス全体の重複を引き起こす可能性がある (および設計の他の指定されたコンポーネントを変更する) 可能性がある最後の考慮事項は、システム アーキテクチャです。 エンジニアは次の質問をしなければなりません: ドライバー、コントローラー、およびサポート電子機器を集中型キャビネットにパッケージ化した集中型制御システムに集中するべきですか、それともドライバーをマシン全体に分散させる方が収益性と費用対効果が高いでしょうか (分散型システム アプローチ)。 機械全体に分散している可能性のある複数の軸を持つ機械は、分散型ソリューションの理想的な候補です。 この方法により、ケーブル要件が大幅に削減され、長いケーブルの配線と、これらのケーブルに使用するケーブル スロットおよびサポートに関連するコストが削減されます。 さらに、ドライバをマシンの外に移動すると、制御およびサポート電子部品を収容するために必要なキャビネットのサイズが縮小され、キャビネット内のコストと冷却要件が再び削減されます。 一方、コンパクトで車軸が少ない機械は、従来の
集中型アプローチ。
結論
アプリケーション用のサーボシステムを選択する際に考慮しなければならないことがたくさんありますが、その多くはこの記事で説明されています。 コンポーネントの選択に影響を与えるもう 1 つの選択は、システムを制御します。 制御タイプは通常、機械設計の議論の初期段階で指定され、さまざまな要因に依存しますが、制御の選択は通常、フィールドバス通信規格の選択に固定されます。