Как правильно выбрать и использовать прецизионные редукторы для сервосистем


Сервосистема, дополненная редуктором, может обеспечить прецизионное управление движением, но при разработке такого комплекса необходимо проявлять определенную осторожность при проектировании, выборе комплектующих, и последующем внедрении системы. 

На рынке доступно большое количество редукторов, потому важно подобрать редуктор и двигатель подходящие для выполнения задачи. Если для выполнения задачи машине необходима сервосистема (привод и двигатель), то для получения точных и повторяемых движений критически важен правильный выбор редуктора. Наиболее соответствуют требованиям и задачам сервосистем планетарные редукторы. 

Существует много видов промышленных редукторов, поэтому так важно подобрать наиболее подходящий тип редуктора для двигателя и нагрузки. В случае если решение задачи требует использования сервосистемы (драйвера и двигателя), тип используемого редуктора имеет решающее значение, особенно для поддержания точного и повторяемого движения. И планетарные редукторы подходят для решения таких задач. 

Прецизионные геликоидные планетарные редукторы – это отличный выбор для задач требующих высокой точности перемещений и надежности. Планетарные редукторы имеют очень низкие показатели люфта (обычно около 1/9 угловой минуты) и при правильном подборе срок службы таких редукторов составляет более 20000 часов, практически без обслуживания. Геликоидный планетарный редуктор, в сравнении с конкурирующими продуктами, также обладает такими преимуществами как тихая работа с большей производительностью. 

Детали прецизионных редукторов тщательно обрабатываются с самыми высокими допусками. Именно поэтому редукторы обеспечивают максимальную плотность мощности в корпусе относительно небольшого размера, с эффективностью около 90% и выше. 

s1.jpg

Данный серводвигатель и прецизионный планетарный редуктор управляют поворотным рычагом в раздаточной машине, для обеспечения точного позиционирования, требуемого данной задачей.


Зачем использовать редуктор?


Серводвигатели часто непосредственно передают движение на нагрузку без использования редукторов, в тоже время использование редуктора во многих случаях выгодно. 

Одной из основных причин использования редуктора является увеличение крутящего момента. Таким образом, разработчики могут закладывать в конструкцию меньшие по размеру сервосистемы, которые потребляют меньше энергии, вместо того чтобы покупать большие по размеру и более мощные сервоприводы и двигатели, тем самым получая заметную экономию пространства и средств. 

Выходной крутящий момент увеличивается пропорционально передаточному числу редуктора, в тоже время скорость вращения выходного вала уменьшается. Если согласно техническому заданию допускается снижение скорости, то относительно небольшая сервосистема сможет обеспечить высокий крутящий момент. 
Редукторы также могут компенсировать рассогласование инерции. В случае высокопроизводительных систем – например, с высокими динамическими характеристиками или низким перерегулированием – отношение между инерцией нагрузки и инерцией двигателя должно минимальным, идеальным значением является 1/10. Прецизионный редуктор уменьшает инерцию в квадратичном отношении к редукционному коэффициенту. Так, использование редуктора с коэффициентом редукции 25:1, инерция уменьшается в 625 раз.

В некоторых случаях редукторы просто решают проблемы связанные механической подгонкой. Например, в случае, когда непосредственное крепление двигателя мешает другим механическим деталям, использование редуктора с выводом под углом 90° может решить проблему. 

В сравнении с большинством редукторов других конструкций, прецизионный редуктор позволяет обеспечить лучшую точность и повторяемость движений. Более того, высокая эффективность редуктора позволяет обеспечить максимальную мощность, доступную от привода сервосистемы – свойство часто востребованное в сервосистемах.

Сравнение редукторов разных типов


Редукторы используют различные способы передачи мощности, включая, но, не ограничиваясь, планетарными передачи, червячные передачи, цилиндрическими зубчатыми колесами, винтовыми передачами. Наиболее часто используемые в сервоприводах редукторы - устройства на основе планетарных редукторов. 

Червячные пары используют червячные или винтовую передачу для поворота большего колеса, установленного в направлении поперечного направлению ведущего вала. Эти пары могут обеспечить высокий коэффициент передачи в небольшом объеме, но с небольшой эффективностью (около 70%). Червячные передачи также не могут работать в реверсивном направлении, и, следовательно, не могут приводиться в движение в обратном направлении, поэтому их нельзя использовать для увеличения скорости. 

Прямозубые шестерни используют для передачи мощности прямые зубья, установленные на параллельных валах. Такие передачи доступны для широкого соотношения коэффициентов передачи и они, в тоже время, являются экономически эффективными, в тоже время они достаточно шумные и подвержены износу. 

s2.jpg
На рисунке показан геликоидальный планетарный редуктор в разобранном виде. Слева направо – зубчатое планетарное колесо (слева), зубчатый кольцевой венец (середина) и выходной вал с водилом планетарной передачи (справа).

Геликоидальный соосный редуктор также использует шестерни на параллельных валах, однако зубья нарезаются в виде спирали, что позволяет увеличить контакт между сопрягаемыми зубьями. 
Геликоидные соосные редукторы и цилиндрические прямозубые передачи, как правило, обладают большим люфтом, чем планетарные редукторы. Кроме того геликоидальные соосные редукторы и цилиндрические прямозубые передачи обладают нежелательной дополнительной силой действующей вдоль оси шестерни. В тоже время геликоидальные зубья шестеренок тише работают и могут использоваться в других типах редукторов. 

Блоки с шестернями, смонтированными на валах, широко используются в конструкциях зубчатых передачах переборного типа и зубчатых цилиндрических косозубых передачах. Такие передачи легко собираются и монтируются, хорошо подходят для конвейеров и других приложений для работы с перемещением материалов. В тоже время они страдают от тех же недостатков, что и их составные части. 

Планетарные редукторы имеют такое название из-за своего сходства с солнечной системой, они состоят из зубчатого кольцевого венца, планетарного механизма, зубчатого солнечного колеса. Зубчатый кольцевой венец обычно является фиксированным, часто он является частью внешнего кожуха редуктора, а ведущий вал управляется зубчатым солнечным колесом. 

s3.jpg
На рисунке показано внутреннее устройство двухступенчатого планетарного редуктора, на котором показана зажимная муфта на валу (внизу справа) и выходной вал редуктора (сверху слева), в середине показаны открытые секции планетарных передач двух ступеней редукции. 

Вращение зубчатой солнечной шестерни приводит в движение планетарные шестерни, которые вращаются вокруг своих осей и в свою очередь вращаются вокруг солнечной шестеренки. Держатель, присоединенный к валам планетарной шестерни, обеспечивает выход мощности из редуктора, эта конструкция формирует сбалансированную и компактную систему, которая концентрична относительно выходного вала. Если требуется несколько ступеней редуцирования, то к такой конструкции относительно просто подключить выход к одной ступени, к другой ступени через подключение через солнечное зубчатое колесо второй ступени. 
Высокая эффективность, низкий люфт и высокая удельная мощность делают планетарные редукторы лучшей альтернативой для высокоточных сервосистем. 

Выбор редуктора и сервосистем


 Сервосистема совмещенная с планетарным редуктором позволяет достичь высокой точности передачи движения, но для этого необходимо тщательное согласование всех компонентов системы. Не смотря на то, что сейчас возможно приобрести сервопривод, редуктор и двигатель у разных производителей, такой подход не рекомендуется специалистами, так как для приобретения совместимых комплектующих нужно будет потратить много времени. Приобретение же компонентов от одного поставщика, особенно от того, который уже проверил их совместимость, имеет гораздо больше преимуществ. В таком случае, поставщик, как правило, уже провел все исследования подтверждающие совместимость компонентов. Кроме того, такой поставщик, как правило, предоставляет гарантию на свое решение. Плюс, у такого поставщика есть крепежное оборудование, подходящее для монтажа системы. 

Некоторые поставщики предоставляют онлайн инструменты для выбора сервосистем и совместимых с ними редукторов, тем самым облегчая работу по спецификации. Такие инструменты помогают при разработке и могут предоставить специализированные подсказки про хорошо совместимые комбинации компонентов, которые можно приобрести как единую систему. В таких случаях инженеры могут быть уверенны, что компоненты систем, которые они создают, совместимы во всех критических областях и что компоненты будут поставлены со всеми необходимыми установочными элементами (втулками и ключами). 

Некоторые инструменты для выбора комплектующих, дают возможность разработчику просто ввести требования к крутящему моменту и скорости вращения, а затем автоматически фильтровать список подходящих мотор-редукторов. Инженеры могут вводить значения крутящего момента в метрических или имперских величинах, также есть возможность выбора системы конкретного размера. Разработчик вводит данные о скорости в форме дискретных значений, после чего выбирает передаточное число, далее он выбирает пространственную ориентацию – соосный, с поворотом на 90° или оба варианта.

Результирующий список доступных систем, как правило, включает в себя информацию о ценах, фактор, который часто имеет решающее значение при выборе. После выбора  мотор-редуктора проектировщик переходит на страницу с полной спецификации выбранной комбинации,  также отдельных ее компонентов.
Одно предостережение: Даже если селектор и делает процесс выбора проще инженеры и проектировщики должны всегда проверять параметры компонентов – подходят ли они под параметры технического задания. 
Лучшие практики и распространенные ошибки. 

Не смотря на то, что редукторы помогают уменьшить несоответствие между инерциями двигателя и нагрузки, инерция самого редуктора должна быть включена в формуле расчета: 

s4.jpg


В случае если требуются высокие динамические характеристики, инженеры должны озаботиться, о полной настройке системы сервопривода, предпочтительно вместе с предполагаемой нагрузкой, такой подход обеспечит максимально быстрый отклик системы. Такая настройка может, обеспечит быстрое перемещение, и минимизировать пружинистое перемещение, снизить перерегулирование и колебания после остановок. 
Таким образом, разработчики должны обратить внимание на радиальную нагрузку и ударную осевую нагрузку. Ударная осевая нагрузка, действующая вдоль оси выходного вала; радиальная нагрузка действует перпендикулярно по отношении к выходному валу. 

Сила тяжести, действующая на нагрузку, является самым распространенной причиной радиальной нагрузки, но в тоже время, в зависимости от механизма, прикрепленного к выходному валу могут быть и другие причины для таких нагрузок. В случае некоторых нагрузок может потребоваться установка дополнительных внешних подшипников, которые минимизируют избыточную радиальную нагрузку и тем самым продлевают срок службы внутренних подшипников редуктора.

Общим методом минимизации обратного хода это работа всех устройств в одном, общем, направлении. В случае если необходимо обеспечить реверсивное движение, некоторые проектировщики позволяют нагрузке пройти заданное положение и вернутся к нему после полного поворота. 


Применение редукторов


Классическим применением использования прецизионного редуктора является делительно-поворотный стол с несколькими станциями обработки и сборки. Прецизионные редукторы и следящие системы хорошо подходят, когда стол достаточно тяжел и должен быть точно позиционирован и нет необходимости в высокой скорости перемещений. 

В таком случае редуктор используется исключительно для преобразования крутящего момента. В такой ситуации не требуется максимальная скорость (от 3000 до 5000 оборотов), потому коэффициент редукции может быть достаточно большим. Благодаря этому удается создать относительно небольшие системы сервоприводов, которые смогут справиться с задачей. Сервосистема может быть оснащена встроенным индексирующим устройством, для непосредственного контроля движения, с использованием дискретного сигнала от ПЛК и даже простой переключатель.

Другим примером применения редуктора может быть высокоскоростное устройство захвата и перемещения, такое как устройство удаления деталей из термопласт-автомата. Время цикла для таких машин часто имеет решающее значение для их применимости в производственных условиях, так как конструктор термопласт-автомата обычно старается добиться минимального времени удаления детали после открытия формы. 

Подвижные руки устройства захвата и перемещения разрабатываются таким образом, чтобы быть максимально легкими для того чтобы уменьшить собственную инерцию деталей. Редуктор может также уменьшить рассогласование инерций, тем самым делая механизм подборщика максимально отзывчивым.

В данном примере ПЛК имеет возможность более активно участвовать управлением движением, передавая сигналы импульсов движения и направления (STEP/DIR). В некоторых случаях ПЛК может передавать подстроечные значения в сервомеханизм для компенсации изменения инерции или профиля движения при захвате детали.

Прецизионные редукторы и сервосистемы могут быть использованы для решения широко спектра задач автоматизации. Однако проектировщики должны приобретать компоненты для таких систем у проверенного поставщика, который хорошо знает свою продукцию. Использование онлайн инструментов для выбора может упростить задачу подбора правильного редуктора, однако система все равно потребует дополнительной настройки после установки. Правильно разработанная, установленная и настроенная система обеспечит точный и воспроизводимый результат в течение долгих лет. 


См. также: 

> Как выбрать редуктор
> Как выбрать редуктор: руководство инженера