Устранение люфта и трение покоя
Как компенсировать люфт, который может помешать системе, работать в соответствии с проектной спецификацией?
По определению, управление движением включает в себя перемещение нагрузки от точки А в точку Б, за определенное время и с некоторой заданной точностью. Теоретически приводной механизм объединяющий двигатель, привод, редуктор, энкодер и актуатор будет перемещать нагрузку детерминированно – для этого достаточно только определить правильные параметры движения, и в результате вы получите правильную производительность. Проблема в том, что система движения работает не в теории, а в реальном мире, где она подвержена таким эффектам как трение и люфт. Эти эффекты могут ухудшить способность системы позиционировать нагрузку в заданной точке, хотя проблема связана с требованиями задачи. Давайте подробнее рассмотрим эффекты и некоторые доступные стратегии по снижению их влияния.
Рис. 1
Потери движения
В обычной системе движения устройство обратной связи контролирует вращение вала двигателя, отдавая либо значение абсолютное значение или импульсный поток/сигнал который может быть преобразован в положение вала (линейные двигатели работают аналогично). Проблема в том, что модель предполагает, что любое перемещение двигателя немедленно и точно переходит в нагрузку. В действительности, большинство систем включают в себя определенную задержку между моментом, когда мотор начинает вращение и моментом когда вращение передается на нагрузку (см. рис.1). Это приводит к определенной пространственной ошибке между заданным положением и действительным положением. Такой эффект известен как люфт или свободный ход, и он является важным фактором потери движения в механизмах.
Хотя люфт, как правило, связан с механизмами редукторов, в действительности является общесистемным явлением, которое включает в себя вклад почти всех компонентов системы, включая муфты, ремни и приводы. Редукторы могут иметь определенный зазор между зацепляющимися зубьями, иначе они не смогут поворачиваться. Перед тем, как приводной механизм сможет начать передавать вращение, шестерни должны закрыть этот зазор. Однако, если эти промежутки становятся слишком большими, редуктор приносит потерю движения, которое мы обсуждали выше. В случае соединений, это может проявляться в виде люфта до начала перемещения нагрузки. Даже одно устройство может создавать множественные вклады в общий эффект мертвого хода. В качестве сходного примера рассмотрим привод с шариковым ходовым винтом, так самое очевидное данный компонент вносит люфт в систему, поскольку гайка входит в зацепление с винтом, и это только начало. Кроме того шариковый ходовой винт вносит дополнительный люфт, когда деформируются шарики, изгибается корпус или винт растягивается под нагрузкой.
Мы можем количественно оценить люфт, рассматривая каждый элемент системы как комбинацию демпфера и пружины, моделируя эффект деталей как резонанс, возмущающий цепь привода. Чем больше жесткость компонента, тем выше постоянная пружины и быстрее скорость ее реакции. Так, вал двигателя будет иметь более высокую постоянную пружины, чем редуктор.
Постоянная пружины или коэффициент упругости играет важную роль в определении скорости реакции устройства. «Мягкое» устройство реагирует медленнее, что означает, что система показывает большее количество потерянного движения, чем абсолютно жесткая конструкция. Также важно иметь в виду, на какой стороне редукторного механизма расположен компонент. Причем это справедливо как для линейных механизмов (шариковые ходовые винты), так и для поворотных (редукторам) механизмов. Если соединение расположено на входной стороне и приводит к механизму с редукционным соотношением, величина мертвого хода на стороне входа будет уменьшено в соответствии с редукционным соотношением. Например, для редуктора с редукционным механизмом 10:1 мертвый ход добавленный сцеплением на входной стороне будет уменьшен в 10 раз, если наблюдать со стороны выхода механизма.
Борьба с люфтом - Как устранить люфт?
После того как мы описали люфт на уровне системы, следующий наш шаг – определить требует ли конкретное применение дальнейшего уменьшения люфта. Если приемлемо грубое позиционирование, например, в случае размещение коробок в стеке, дальнейшее увеличение точности, как правило, не нужно. Если же применение требует точного позиционирования или быстрого времени отклика, например как рабочий инструмент ЧПУ станка, который должен выдерживать миллисекундные допуски по времени и тысячные дюйма при перемещении, могут потребоваться другие методы компенсации мертвого хода чтобы избежать некачественной обработки поверхности.
Рис. 2
Люфт может быть устранен механическим или электронным способами. Механический подход можно разделить на три подтипа. Общим для всех этих типов методом является предварительная нагрузка компонентов, для того чтобы выбрать люфт, такая нагрузка может быть сделана как непосредственной механической нагрузкой, так и введением в конструкцию пружинной нагружающей системы. Большое число коммерчески доступных редукторов с нулевым люфтом для нивелирования мертвого хода используют давление от противоположного колеса в паре шестеренчатой передачи, чтобы убрать зазоры до включения системы (рис.2). В случае системы с зубчатой рейкой применяются две шестерни стоящие на одной рейке, которые могут быть дополнительно подпружинены. Вал двигателя будет передавать движение на эту систему, и вращать шестерни. Следующий подход можно рассматривать как дополнительный к первому, он заключается в использовании устройств с нулевым люфтом построенных с дополнительной точностью для минимизации зазоров. Третий подход – это использование некоторых видов зубчатых зацеплений, которые сами по себе имеют нулевой люфт, таких как циклоидное зубчатое зацепление и напряженная волновая передача. Такой тип передачи обычно используется в робототехнике, где необходимо быстрое перемещение нагрузки с точным ее позиционированием (см. рис.3).
Рис. 3
Однако у любого из подходов есть обратная сторона. Так, в случае предварительной нагрузки, может ускориться износ детали. Современные ЧПУ часто используют дополнительный двигатель и программное обеспечение для установки нагружающей пружины, чтобы создавать правильную предварительную нагрузку на зацепление. Предварительная нагрузка также должна рассматриваться как часть общего значения нагрузки на бюджет крутящего момента редуктора. Добавление предварительной нагрузки (см. предварительная нагрузка шарикоподшипников) уменьшает и ограничивает крутящий момент, который может передавать редуктор. Наиболее важные механические решения, как правило, уязвимы для изменений вносимых износом и изменениями условий окружающей среды. В случае, когда корректировка механическим способом невозможна, разработчики обращаются к электронным методам уменьшения колебаний и неравномерной работы. Используется один общий подход, основанный на использовании замкнутого контура управления и выходного энкодера для работы в контуре позиционирования (рис.4). Такую систему можно усовершенствовать, настраивая чувствительность замкнутых контуров управления, чтобы уменьшить скорость и ускорение машины. При наличие чрезмерного, мертвого хода, использование такого входа для перемещении нагрузки, может привести к возникновению в системе колебаний вокруг фактического положения, что может привести к избыточному потреблению мощности, износу деталей, появлению вибраций и шума. Еще одной проблемой в подходе связанном с применение замкнутых контуров управления является то, что люфт сохраняется и будет задерживать правильное позиционирование в любое время, когда нагрузка остановится или изменит свое положение.
Рис. 4
Альтернативным решением может стать анализ системы для установления величины люфта и последующей коррекции путем введения поправки – добавления или вычитания небольшого количества движения к каждой управляющей команде поворота оси (рис.5). Во-первых, двигатель работает с небольшим приращением на малой скорости, а количество движения, необходимое для перемещения нагрузки, получается путем сравнения этого значения с непосредственно измеренным, для релевантности получаемых данных их сбор должен осуществляться контуром позиционирования двигателя. После такого тестирования система возвращается в рабочее положение, при котором контур позиционирования замкнут на энкодер.
Трение покоя
Трение покоя – это еще одно явление, которое может повлиять на точность предсказания позиционирования привода. Любые две поверхности находящиеся в месте контакта характеризуются двумя коэффициентами трения: трением покоя и трением скольжения. В таком случае трение покоя представляет собой удерживающую силу, которую нужно преодолеть для того чтобы ось начала двигаться. Поскольку скорость нагрузки уменьшается до нуля, трение покоя вызывает дополнительную силу, которая может остановить движение до того как нагрузка достигнет заданного положения или даже привести к шаговому движению, если драйвер настроен неправильно. Опять же, современные технологии могут компенсировать эту проблему. Каждая ось или компонент характеризован через напряжение необходимое для преодоления трения покоя. Когда ось в покое или останавливается, контроллер изменяет команды, передаваемые на драйвер, чтобы обеспечить оси дополнительный момент движения. Кроме того, компенсация трения может помочь в уменьшении люфта, помогая системе быстрее компенсировать потери движения после остановки или реверсного движения. Трение покоя изменяется медленно, поэтому его можно оценить при интеграции оборудования или вводе оборудования в эксплуатацию, а затем еженедельно или ежемесячно проводить повторные калибровки техники. Увеличение интегрального усиления при настройке ПИД контура контроллера может помочь выявить люфт и трение покоя. Это очень эффективный подход, но может потребовать для реализации много времени, даже при использовании специального программного обеспечения для анализа. Также важно отметить, что для мягких осей (softer axes) не могут быть установлено высокое интегральное усиление. Потому такой подход применим только в том случае, если интегратор применяется в контуре позиционирования и только для некоторых применений. Например, этот метод редко используется в системах ЧПУ. Станки ЧПУ, как правило, имеют агрессивно настроенный контур позиционирования, потому, для ЧПУ невозможно увеличить интегральное усиление. Когда же дело доходит до компенсации трения покоя, наиболее типичным подходом является компенсация основанное на управлении ускорением.
Ключом к управлению люфтом и трением покоя является рассмотрение проблемы с самого начала. Так люфт и трение покоя не являются существенной проблемой для применений, которые работают с постоянной скоростью и без необходимости точного позиционирования (достаточная точность в несколько градусов или более). Прежде чем выбрать компоненты, необходимо найти как можно больше информации о проблемах, таких как трение покоя исходя из используемой нагрузки, материалов и пр. Благодаря сочетанию передового опыта и современных технологий вы имеете возможность разрабатывать систему, которая должна соответствовать бюджету и обеспечивать производительность, которая вам нужна.
Также Вам может быть интересно:
>Люфт и осевые усилия в винтовых передачах