Выбор сервопривода.

[Rock87]

Задача.
Две детали крепятся между собой с помощью фиксатора. Фиксатор поворачивается до упора. Необходимо осуществить поворот фиксатора. При этом требуется измерять крутящий момент и угол поворота.
Критерием правильной установки фиксатора является достижение заданного крутящего момента (фиксатор повернулся до упора) с контролем угла поворота. Фиксатор поворачивается на угол 300 с моментом до 300 Нм.
Решение.
Применить для решения этой задачи сервопривод. Подобрать мотор с редуктором обеспечивающим на выходном валу редуктора заданные 300 Нм. Угол поворота можно получить с привода (блока управления). Для измерения момента использовать либо сам привод, либо устанавливать внешний датчик.
Вопросы.
1. Можно ли с помощью привода померить крутящий момент на выходном валу редуктора и с какой точностью?
2. Как выбрать двигатель? По моменту? У двигателя есть номинальный крутящий момент и максимальный крутящий момент (область перегрузки). У меня двигатель работает в повторно кратковременном режиме. Завернул фиксатор – можешь отдыхать до следующей детали. Время работы 5с, время простоя 25 с. Можно ли выйти за номинальный момент при таком режиме работы? Что еще кроме крутящего момента следует учесть?
3. Как выбрать коэффициент редукции редуктора? Понятно, что момент на выходном валу редуктора равен момент двигателя умножить на редукцию минус КПД. При этом можно взять редуктор с большим коэффициентом, что позволит выбрать маломощный двигатель. Чем ограничить минимальную мощность двигателя?
Если есть толковые материалы по выбору сервопривода просьба поделится. В идеале хотелось бы посмотреть на разобранный пример выбора комплектующих для решения подобных задач.

[Jackson]

Ток потребления привода пропорционален моменту, создаваемому им на валу - вот так можно померить момент.

[Зержинский]

Ток потребления привода пропорционален моменту, создаваемому им на валу - вот так можно померить момент.

Без учета влияния механики - редукторов, трения, нелинейности вносимой передаточными элементами - шестернями, карданами (если есть) и др. ?

[Ryzhij]

Конечно, ведь ток двигателя пропорционален моменту на валу самого двигателя.
При условии постоянной скорости ;)

[Jackson]

При условии постоянной скорости ;)

Да :) И поэтому здесь это не подойдет. Как я понял, автор мерит момент для того чтобы определить что фиксатор доехал до нужного положения - с таким же успехом привод заклинит, ничто никуда не уедет, но ток будет и автоматика будет считать что всё ОК, доехали.

Может быть можно по-старинке - концевиком?

[Зержинский]

Конечно, ведь ток двигателя пропорционален моменту на валу самого двигателя.
При условии постоянной скорости ;)

Критерием правильной установки фиксатора является достижение заданного крутящего момента

Достаточно резко стартануть двигателем и момент силы даже без заклинивания будет достигнут почти мгновенно.
Ошибочный у вас критерий.

[Ryzhij]

Может быть можно по-старинке - концевиком?

Я вот тоже удивляюсь, чем моментный выключатель, применяемый практически во всех приводах для запорной арматуры, не угодил топик-стартеру?

[Михайло]

Ток потребления привода пропорционален моменту, создаваемому им на валу - вот так можно померить момент.

Это технология прошлого века для приводов постоянного тока. :)

Топикстартеру:
Ваша задача понятна и вполне стандартна. Для Вашей задачи лучше подойдет не сервопривод, а обычный асинхронный привод, так как он при прочих равных условиях более точно регулирует момент.

1. Можно ли с помощью привода померить крутящий момент на выходном валу редуктора и с какой точностью?

Да, можно. Векторное управление (vector control) регулирует именно момент двигателя, следовательно он его вычисляет в реальном времени. Если применить специальные компактные асинхронные двигатели с обратной связью по скорости типа сименсовских 1PH7 или 1PH8 + преобразователи Sinamics S110 или S120, то можно достичь точности регулирования плюс/минус 1,5% во всем диапазоне скоростей (момент усредненный за 3 секунды). Это гарантирует производитель.

2.Как выбрать двигатель? По моменту? У двигателя есть номинальный крутящий момент и максимальный крутящий момент (область перегрузки). У меня двигатель работает в повторно кратковременном режиме. Завернул фиксатор – можешь отдыхать до следующей детали. Время работы 5с, время простоя 25 с. Можно ли выйти за номинальный момент при таком режиме работы? Что еще кроме крутящего момента следует учесть?

Вы верно мыслите. Если использовать перегрузочную способность двигателя, то можно сэкономить на габаритах и стоимости привода. У Сименса, например, есть все необходимые характеристики перегрузочной способности (характеристики режима S3), чтобы выбрать менее габаритный двигатель под Вашу задачу.
Кроме крутящего момента нужно учитывать частоту вращения, передаточное число редуктора, перегрузочную способность редуктора, стыкуемость двигателя данного габарита с редуктором. Другими словами, двигатель и редуктор надо подбирать сразу в паре. Начинать надо с момента 300 Н*м и необходимой скорости завинчивания. Эти две величины дадут указку на примерную мощность двигателя и редуктора. Произойдет отсев по мощности. Далее уже подгонка по крутящему моменту и скоростям, сравнение габаритов, стоимости... Короче, итеративный процесс.

При этом можно взять редуктор с большим коэффициентом, что позволит выбрать маломощный двигатель. Чем ограничить минимальную мощность двигателя?

Выбор недостаточно мощного привода, но с удовлетворительным крутящим моментом, может привести к тому, что завинчивание не уложится в 5 секунд. Недостаточно высокая мощность = недостаточно высокая скорость (при равном крутящем моменте).

Если есть толковые материалы по выбору сервопривода просьба поделится. В идеале хотелось бы посмотреть на разобранный пример выбора комплектующих для решения подобных задач.

Вам нужен каталог двигателей и редукторов. Для начала определитесь с фирмой-производителем. Что душе ближе. Я сам знаю хорошо Siemens. Есть еще из подходящих Yaskawa (Япония), Delta (Китай), ABB, Sew Eurodrive, KEB (Европа) и другие. Выбирайте.

[Михайло]

Еще обратите внимание на два нюанса:
1. Я бы я чуть завысил крутящий момент привода (300 Н*м) на тот случай, если произойдет заклинивание, и надо будет раскрутить фиксатор в обратную сторону.
2. Крутящий момент и скорость завинчивания могут изменяться при изменении угла поворота от 0 до 300 град. Можно предположить, что крутящий момент будет расти пропорционально от 0 до 300 Н*м, то есть максимальный момент в самом конце. Чтобы сэкономить на мощности, можно в начале сделать более высокую скорость, а в конце - снизить. В общем надо смотреть каталоги на двигатели и редуктора.

[Rock87]

И снова здравствуйте! :)
Снова возникла задача подбора электропривода. Снова прошу совета у более компетентных коллег, потому как сам так и не поимел практического опыта. Решил не создавать новую тему, поскольку заголовок этой темы остается актуальным.
Задача
Необходимо подобрать электропривод для системы типа "барабанных ножниц". Есть длинномерный материал, который нужно нарезать на куски фиксированного расстояния. Расстояний несколько. Материал движется непрерывно, с постоянной скоростью. В момент встречи ножа и материала нужно обеспечить равенство или "похожесть" скорости ножа и материала. В другие моменты времени вал с ножом должен крутиться быстрее или медленнее, в зависимости от расстояния между резами. Предварительно рассчитал момент инерции механизма (вала с ножом) приложенного к валу двигателя Ми = 0,017 кг*м^2. Рассчитал максимальный момент необходимый для работы механизма Ммакс = 0,6 Н*м. Максимальные обороты вращения вала с ножом W = 100 об/мин.
Решение
Сам склоняюсь к сервоприводу с функцией "электронный кулачок". Поставлю энкодер на приводной вал, разматывающий материал и подключу его на блок управления сервоприводом. Настрою несколько профилей "электронного кулачка" в зависимости от расстояния между резами. Кстати эти расстояния фиксированные.
Вопросы
Вопросов куча.
1. Может можно как по другому сделать? Решение с серваком получается дорогим.
2. В принципе получился не большой момент на валу, следовательно и мощность сервомотора не большая. В зависимости от производителя 0,2-0,4 кВт. Но и обороты маленькие, до 100 об/мин. Имеет ли смысл ставить редуктор?
3. Какое допускается максимальное расстояние до энкодера?
4. Где-то слышал что отношение момента инерции нагрузки и момента инерции вала ротора должно быть 10-20. Кто знает в чем смысл? Или я чего-то не так понял? У меня получается это отношение, в зависимости от мощности и производителя, 500-1000.
5. Дальше думаю подобрать мотор из расчета Мдв > Ммакс. Что-то еще нужно посчитать?

[Михайло]

1. Может можно как по другому сделать? Решение с серваком получается дорогим.

Как вариант - решение с асинхронным двигателем. Серводвигатель идеален для позиционирования на нулевой скорости. В рассматриваемой задаче требуется позиционирование, но на лету (летучее позиционирование). Имеет смысл рассмотреть АД.

2. В принципе получился не большой момент на валу, следовательно и мощность сервомотора не большая. В зависимости от производителя 0,2-0,4 кВт. Но и обороты маленькие, до 100 об/мин. Имеет ли смысл ставить редуктор?

Редуктор нужен для того, чтобы увеличить крутящий момент или снизить мощность привода при том же крутящем моменте. Если момента хватает, мощность снижать больше некуда, то редуктор не нужен. Единственный момент, АД на низких скоростях хуже позиционируется, но 100 об/мин - не так уж и мало, если взять АД на 750-1000 об/мин.

3. Какое допускается максимальное расстояние до энкодера?

Не понял.

4. Где-то слышал что отношение момента инерции нагрузки и момента инерции вала ротора должно быть 10-20. Кто знает в чем смысл? Или я чего-то не так понял? У меня получается это отношение, в зависимости от мощности и производителя, 500-1000.

Возможно это отношение приведенных моментов инерции, а не реальных. Я помню что-то такое, не вникал. Попробуйте 500-1000 разделить на i^2 (передаточное число в квадрате).

5. Дальше думаю подобрать мотор из расчета Мдв > Ммакс. Что-то еще нужно посчитать?

Если Mдв>Mмакс, то проблем с перегрузкой не будет однозначно.

Выбор между серво и асинхро зависит от требуемой точности позиционирования.

[Rock87]

1. Может можно как по другому сделать? Решение с серваком получается дорогим.

Как вариант - решение с асинхронным двигателем. Серводвигатель идеален для позиционирования на нулевой скорости. В рассматриваемой задаче требуется позиционирование, но на лету (летучее позиционирование). Имеет смысл рассмотреть АД.

А как обеспечить точное расстояние между резами и при этом "похожесть" скоростей ножа и материала? Функция "электронный кулачок" в ЧРП есть? Или Вы как-то по другому думаете можно сделать?

3. Какое допускается максимальное расстояние до энкодера?

Не понял.

По моим прикидкам от шкафа управления, до энкодера, который будет считывать скорость материала будет около 10 м. Может даже больше. Не длинная линия получается? Там сигнал то слабый.

4. Где-то слышал что отношение момента инерции нагрузки и момента инерции вала ротора должно быть 10-20. Кто знает в чем смысл? Или я чего-то не так понял? У меня получается это отношение, в зависимости от мощности и производителя, 500-1000.

Возможно это отношение приведенных моментов инерции, а не реальных. Я помню что-то такое, не вникал. Попробуйте 500-1000 разделить на i^2 (передаточное число в квадрате).

Тык, а я когда делал расчет рассматривал систему без редуктора.

Выбор между серво и асинхро зависит от требуемой точности позиционирования.

Пока приняли, что точность расстояний между резами должна быть не хуже 0,5 мм. На таком, "мягком" материале - это довольно высокая точность. Возможно в дальнейшем загрубим. Но это уже зависит от технолога.

[Михайло]

А как обеспечить точное расстояние между резами и при этом "похожесть" скоростей ножа и материала? Функция "электронный кулачок" в ЧРП есть? Или Вы как-то по другому думаете можно сделать?

Можно сделать все проще, без электронных кулачков. Функции такие есть, все зависит от выбранного ПЧ. Это функция для дорогих крутых сервоПЧ, но это не значит, что Вы должны подешевить - возможно лучше взять именно такой ПЧ.
Выравнивать нужно не скорости, а положение. Технолог сказал, что отклонение должно быть не более 0,5 мм. Не так ли?

По моим прикидкам от шкафа управления, до энкодера, который будет считывать скорость материала будет около 10 м. Может даже больше. Не длинная линия получается? Там сигнал то слабый.

Сигнал действительно слаботочный, но он дискретный (частотный), поэтому устойчив к помехам. Экранированный кабель - обязательно.

Тык, а я когда делал расчет рассматривал систему без редуктора.

Вращательное движение ведь как-то преобразуется в поступательное?

Пока приняли, что точность расстояний между резами должна быть не хуже 0,5 мм. На таком, "мягком" материале - это довольно высокая точность. Возможно в дальнейшем загрубим. Но это уже зависит от технолога.

Грубая прикидка: допустим заготовка движется с некоторой скоростью, частота вращения двигателя отклонилась на 20 об/мин от идеальной скорости в течение 1 секунды - какое будет отклонение в расстоянии?

[Ryzhij]

Это функция для дорогих крутых сервоПЧ, но это не значит, что Вы должны подешевить - возможно лучше взять именно такой ПЧ.
Выравнивать нужно не скорости, а положение. Технолог сказал, что отклонение должно быть не более 0,5 мм. Не так ли?

Во-первых, дороговизна понятие относительное. Сименс, конечно, дороже Дельты, но ничуть не лучше в этом плане...
Реализация "летающих ножниц" стандартный пример в открытой печати для Дельты.
Во-вторых, выравнивание относительного положения ножа и материала невозможно без уравнивания абсолютных скоростей, т.е. без приведения относительной скорости к нулю.

[Михайло]

Во-вторых, выравнивание относительного положения ножа и материала невозможно без уравнивания абсолютных скоростей, т.е. без приведения относительной скорости к нулю.

Многие так думают. Между тем выравнивание скоростей и выравнивание положения организуются немного по-разному.

[Ryzhij]

Многие так думают. Между тем выравнивание скоростей и выравнивание положения организуются немного по-разному.

ПИД, он и в Африке ПИД. Вся разница во входных параметрах, а выход, в силу всё того же управления приводом по скорости, одинаков - задание скорости на привод.
Существенные различия возникают как раз таки при использовании шаговых приводов и сервомодулей. Оправданы ли будут такие навороты - вопрос космический, т.к. "точность" в 0,5мм это - "плюс-минус лапоть", а не точность.
Но погрешности, вызываемые нестабильностью натяжения эластичного материала, не устранить даже применяя сервоприводы.

[Михайло]

Много или мало - 0,5 мм - это зависит от передаточного числа редуктора, шага винта и т.п.

Если для данной задачи применить выравнивание скорости, то может возникнуть неприятность: ножницы будут создавать ненужное усилие вдоль движения материала. Ну и отклонение в положении может возникнуть, т.к. регулируется скорость, а не положение.

[Ryzhij]

По моим прикидкам от шкафа управления, до энкодера, который будет считывать скорость материала будет около 10 м. Может даже больше. Не длинная линия получается? Там сигнал то слабый.

На практике:
дробеструйный робот, суммарная длина кабеля до энкодеров ок.50 метров.
Парафазные сигналы (A, /A, B, /B, Z, /Z), амплитуда -/+5 В, дифференциальные приёмники, витая пара (по проекту), и соседние жилы лифтового контрольного кабеля на участке в 30 метров (при последующей эксплуатации).

[Rock87]

А как обеспечить точное расстояние между резами и при этом "похожесть" скоростей ножа и материала? Функция "электронный кулачок" в ЧРП есть? Или Вы как-то по другому думаете можно сделать?

Можно сделать все проще, без электронных кулачков. Функции такие есть, все зависит от выбранного ПЧ. Это функция для дорогих крутых сервоПЧ, но это не значит, что Вы должны подешевить - возможно лучше взять именно такой ПЧ.
Выравнивать нужно не скорости, а положение. Технолог сказал, что отклонение должно быть не более 0,5 мм. Не так ли?

Пока не понимаю как можно реализовать мою задачу на ПЧ, что там за функции?
Да, с функцией "электронный кулачок" сервопривод работает в режиме управления положением, положение выходного вала (вала двигателя) будет зависеть от положения входного (вала энкодера) через некоторую функцию (электронный кулачок). Да, технолог сказал, что отклонение должно быть не более 0,5 мм.

По моим прикидкам от шкафа управления, до энкодера, который будет считывать скорость материала будет около 10 м. Может даже больше. Не длинная линия получается? Там сигнал то слабый.

Сигнал действительно слаботочный, но он дискретный (частотный), поэтому устойчив к помехам. Экранированный кабель - обязательно.

Ага, понял, спасибо.

Тык, а я когда делал расчет рассматривал систему без редуктора.

Вращательное движение ведь как-то преобразуется в поступательное?

В данном случае нет. У меня вопрос по приводу ножей, а там вращательное движение вала двигателя преобразуется во вращательное движение валиков с ножами. В моем случае, я думаю, напрямую соединить мотор с ножами.

Пока приняли, что точность расстояний между резами должна быть не хуже 0,5 мм. На таком, "мягком" материале - это довольно высокая точность. Возможно в дальнейшем загрубим. Но это уже зависит от технолога.

Грубая прикидка: допустим заготовка движется с некоторой скоростью, частота вращения двигателя отклонилась на 20 об/мин от идеальной скорости в течение 1 секунды - какое будет отклонение в расстоянии?

Тык, в случае сервака с "электронным кулачком" изменение скорости должно будет "отыграться" системой управления и отклонения в расстоянии быть не должно.

По моим прикидкам от шкафа управления, до энкодера, который будет считывать скорость материала будет около 10 м. Может даже больше. Не длинная линия получается? Там сигнал то слабый.

На практике:
дробеструйный робот, суммарная длина кабеля до энкодеров ок.50 метров.
Парафазные сигналы (A, /A, B, /B, Z, /Z), амплитуда -/+5 В, дифференциальные приёмники, витая пара (по проекту), и соседние жилы лифтового контрольного кабеля на участке в 30 метров (при последующей эксплуатации).

Ну тогда, в моем случае, бояться нечего. Спасибо.

Это функция для дорогих крутых сервоПЧ, но это не значит, что Вы должны подешевить - возможно лучше взять именно такой ПЧ.
Выравнивать нужно не скорости, а положение. Технолог сказал, что отклонение должно быть не более 0,5 мм. Не так ли?

Во-первых, дороговизна понятие относительное. Сименс, конечно, дороже Дельты, но ничуть не лучше в этом плане...
Реализация "летающих ножниц" стандартный пример в открытой печати для Дельты.
Во-вторых, выравнивание относительного положения ножа и материала невозможно без уравнивания абсолютных скоростей, т.е. без приведения относительной скорости к нулю.

Сам склоняюсь к серваку от Дельты. Собственно идея применить сервак с "электронным кулачком" пришла после того как увидел пример подобной реализации у них на сайте. У Вас есть успешный опыт работы с их ними серваками?

[Rock87]

Товарищи, кто знает в чем смысл отношения момента инерции нагрузки к моменту инерции ротора двигателя? Почему это отношение должно быть меньше 20?
У меня получается 500.

[Михайло]

Мне кажется, причина - энергоэффективность. А какие еще могут быть мысли?

[Rock87]

Мне кажется, причина - энергоэффективность. А какие еще могут быть мысли?

Не знаю. Я пока нашел только такое соотношение:
M = J * e
M - момент приложенный к системе, Н*м;
J - момент инерции системы, кг*м^2;
e - угловое ускорение, рад/с^2.
"Физический" смысл (как я понял): показывает какой момент нужно приложить к системе с заданным моментом инерции, для ее вращения с заданным ускорением.
Отсюда M/J -соотношение показывающее с каким ускорением может вращаться система при заданном крутящем моменте и заданном моменте инерции.
Но это все так. Не понятно каким боком к моему вопросу это можно приложить. В общем думаю пока.
В любом случае, когда будем делать установку (если будем) узнаем

[Михайло]

Отсюда M/J -соотношение показывающее с каким ускорением может вращаться система при заданном крутящем моменте и заданном моменте инерции.

Не путай вращающий момент с моментом инерции.

Товарищи, кто знает в чем смысл отношения момента инерции нагрузки к моменту инерции ротора двигателя? Почему это отношение должно быть меньше 20?

Ответ:

The concern for mismatch of inertia between motor and load involves many factors when considering high performance servo systems. Low inertia motors for example, will minimize total system inertia allowing higher acceleration and bandwidth. If high load to motor inertia mismatch exists, however, it can result in load instabilities for compliant or lost motion connected systems. Mismatch can be minimized by the use of reducers while maximizing acceleration performance. Optimizing reduction for a matched load to motor inertia ratio however, may not be cost effective or possible. Higher inertia motors are sometimes the best alternative to provide a tradeoff between maximum dynamic performance and stability of the servo system. Manufacturers of servo products offer varying suggestions for allowable inertia mismatch based on known limitations of their components, rules which should be adhered to when designing systems. Ongoing improvements in the control algorithm design and mechanical systems are however, making possible more accurate and stable servos in our imperfect world.

Кратко:
1. Чем ниже момент инерции ротора, тем лучше: суммарный момент инерции маленький, двигателю легче разгоняться.
2. Чем ниже момент инерции ротора, тем хуже: суммарный момент инерции слишком маленький - небольшая нагрузка, биения, оборотные трения способны вызвать ненужное ускорение (e = M/J) со знаком минус, которое сервопривод не сможет оперативно компенсировать благодаря обратной связи. В общем слишком маленький момент инерции приводит к ухудшению стабильности регулирования скорости и соответственно к ухудшению условий позиционирования.

В твоем случае момент инерции двигателя намного меньше момента инерции нагрузки. Вполне вероятно, что тебе нужно смастерить маховичок. Маховичок повысит стабильность скорости.

P.S. Скорее всего, рассматривается отношение приведенных моментов инерции. В случае отсутствия редуктора приведенные моменты инерции равны обычным моментам инерции.

[Rock87]

Здравствуйте, товарищи!
В общем вспомнили про этот проект. Вкратце суть:

Задача
Необходимо подобрать электропривод для системы типа "барабанных ножниц". Есть длинномерный материал, который нужно нарезать на куски фиксированного расстояния. Расстояний несколько. Материал движется непрерывно, с постоянной скоростью. В момент встречи ножа и материала нужно обеспечить равенство или "похожесть" скорости ножа и материала. В другие моменты времени вал с ножом должен крутиться быстрее или медленнее, в зависимости от расстояния между резами. Предварительно рассчитал момент инерции механизма (вала с ножом) приложенного к валу двигателя Ми = 0,017 кг*м^2. Рассчитал максимальный момент необходимый для работы механизма Ммакс = 0,6 Н*м. Максимальные обороты вращения вала с ножом W = 100 об/мин.
Решение
Сам склоняюсь к сервоприводу с функцией "электронный кулачок". Поставлю энкодер на приводной вал, разматывающий материал и подключу его на блок управления сервоприводом. Настрою несколько профилей "электронного кулачка" в зависимости от расстояния между резами. Кстати эти расстояния фиксированные.

Все вроде получалось, я вроде все обмозговал и схему сделал и список оборудования составил, вот только дороговато вышло. Коммерсанты бухтят что-там про рентабельность . Есть ли у кого мысли как можно сделать по бюджетней? Может на шаговом двигателе как-нибудь?
Вообще видел ли кто нечто подобное? Там везде серваки или есть варианты?

[Serex]

На мой взгляд задача механическая. Нож должен быть связан с подающим механизмом ленты в момент приближения ножа к ленте, а в другие моменты ускоряться/замедляться инерционным механизмом, который с барабанным ножом не жестко связан. Инерционный же механизм уже обычным асинхронным двигателем с обычным частотником приводиться в движение. Если ширина реза постоянная на одну партию, то никаких проблем здесь нет. Ширина реза соответственно задается частотой вращения инерционного механизма.

Прошу не пинать, ибо я не механик. На мой взгляд в любом случае простая механика будет дешевле, чем сервоприводы.