Co to jest serwonapęd i jak działa

Cel i urządzenie

Napęd serwo jest szeroko stosowany w robotyce, inżynierii mechanicznej, motoryzacji, automatyzacji procesów w produkcji. Za jego pomocą obsługiwane są manipulatory, otwieranie (pełne lub niekompletne) lub zamykanie (zasłanianie) żaluzji, w konstrukcji obrabiarki do zasilania narzędzia tnącego i innych siłowników.

Jest to urządzenie składające się z silnika elektrycznego, skrzyni biegów, czujnika położenia (enkodera) lub rezystora i kontrolera (urządzenia sterującego).

Krótko mówiąc, jest to napęd elektromechaniczny, który poprzez wewnętrzne sprzężenie zwrotne ustala dokładne położenie wału mechanizmu w zależności od zewnętrznych sygnałów sterujących.

Rysunek pokazuje sekcję urządzenia:

Serwonapędy są dostępne w różnych pojemnościach i celach: niskiej mocy od 0,05 kW, stosowanej w motoryzacji i robotyce, na przykład sg90 i znacznej mocy 15 kW. Te ostatnie są montowane w manipulatorach przemysłowych, maszynach CNC, do sterowania zaworami w przemyśle naftowym i gazowym itp.

Silnik elektryczny nie zawsze jest montowany jako silnik w serwonapędzie. Jako napęd można zastosować cylinder z prętem napędzany sprężonym powietrzem lub cieczą.

Rodzaje serwomechanizmów

Serwonapędy są podzielone na elektromechaniczne. W nich mechanizm składa się z silnika elektrycznego i skrzyni biegów. Różnią się stosunkowo małą prędkością.

Wyróżnia się według typu zastosowanego silnika:

• synchroniczne, mają wysoką dokładność obrotu wału wyjściowego, szybko nabiera tempa;
• asynchroniczny, charakteryzujący się stabilnym obrotem wału;
• z silnikiem kolektora prądu stałego lub przemiennego (uniwersalny).

Serwonapędy, w których mechanizm napędowy jest tłokiem z cylindrem, mają dużą prędkość. Służy do zmiany biegów w automatycznej skrzyni biegów. Zamontowane w robotach poruszających ładunki o masie ponad stu kilogramów. W zakładach przemysłowych do przełączania żaluzji w maszynach pakujących, gdzie sprężone powietrze jest wykorzystywane jako nośnik energii.

Główne cechy serwonapędu:

• Głównym parametrem jest moment obrotowy lub siła działająca na wał. W danych paszportowych wskazane są dwie ilości w zależności od różnych napięć zasilania.
• Prędkość pokazuje, jak długo wał wyjściowy będzie się obracał o 60⁰. Podane są wartości dla różnych napięć.
• Który sygnał sterujący jest używany, analogowy czy cyfrowy.
• Napięcie zasilania Większość małych napędów jest zasilana z 4,8 do 7,2 woltów. Jest stosowany na przykład w modelach sterowanych radiowo. Jest zakończony trzema przewodami i ma standardowe wyprowadzenie. Sygnał sterujący jest wysyłany do białego, brązowego lub żółtego, dostarczane jest czerwone napięcie, a czarny to wspólny przewód.
• Roboczy kąt obrotu, zwykle 180⁰ lub 360⁰. Dostępne są ulepszone napędy ze stałym obrotem wału;
• Materiał do produkcji przekładni. Wykonane są z mosiądzu, włókna węglowego, tworzywa sztucznego lub mogą być łączone.

W elektromechanicznym serwonapędu stosuje się silniki elektryczne z rdzeniem, podczas których drgania występują podczas obracania się wahadła. Zmniejsza to dokładność obrotu wału wyjściowego. Silniki o minimalnej energii kinetycznej wirnika są pozbawione tej wady. Takie napędy są niezbędne, aby maszyna CNC mogła dokładnie ustalić siłownik. Są jednak droższe niż silniki rdzenia.

Najczęstszą skrzynią biegów jest przekładnia, która została zaprojektowana w celu zmniejszenia prędkości i zwiększenia momentu obrotowego na wale wyjściowym. Rzadziej stosuje się napęd z przekładnią ślimakową, która ma duże przełożenie, ale jest droższa i trudniejsza do wyprodukowania.

Obszar zastosowań

Napęd serwo jest szeroko stosowany w robotyce i manipulatorach. Podczas tworzenia małych mechanizmów stosuje się serwonapęd mg995 i tym podobne.

Do sterowania nowoczesnymi napędami w produktach amatorskich często wykorzystuje się przedstawicieli rodziny Arduino. Reprezentuje zestaw urządzeń elektronicznych zaprojektowanych do sterowania robotami i urządzeniami automatyki, w których wykorzystywany jest serwonapęd. Sygnał sterujący może być analogowy lub cyfrowy.

Schemat podłączenia napędu do urządzenia sterującego pokazano na rysunku. Urządzenie może kontrolować wiele napędów.

Do ogrzewania podłogowego należy stosować automatykę, która utrzymuje zadaną temperaturę. A przepływ płynu chłodzącego, który jest gorącą wodą z kotła, jest kontrolowany przez napęd serwo.

Jest podłączony do urządzenia sterującego, które monitoruje temperaturę za pomocą czujnika temperatury i wydaje polecenie elektrotermicznemu serwonapędowi RBM 24 V. Można również zastosować serwonapęd AC230V z regulatorem.

Kontrola temperatury w ogrzewaniu odbywa się automatycznie, w przypadku której stosuje się serwonapęd typu ICMA NC230V lub NC24V. Dostępne są urządzenia dla różnych napięć zasilania.

Zunifikowane serwo zastosowane w samochodzie ma niewielkie wymiary. Zaprojektowany do pracy z napięciem pokładowym 12 woltów. Jest zintegrowany z centralnym zamkiem i jest zainstalowany na wszystkich drzwiach samochodu, w tym na piątych drzwiach (drzwi bagażnika).

Mechanizm kontroluje również przepływ gorącej cieczy do pieca. Działa w połączeniu z czujnikiem termoelektrycznym, którego sygnał jest doprowadzany do urządzenia sterującego. Po analizie czujnik wysyła polecenie do serwonapędu, które zwiększa lub zmniejsza przepływ płynu.

Na przykład w samochodach VAZ stosuje się napęd elektryczny ze skrzynią biegów SL-5.

To nie jest pełna lista zastosowań takich urządzeń.

Zalety i wady

Serwonapęd ma przewagę nad podobnymi urządzeniami, takimi jak silniki krokowe. Dzięki sprzężeniu zwrotnemu mechanizm może regulować położenie wału, niezależnie od obciążenia osi, co pozwala ustawić mechanizm roboczy z dużą dokładnością.

Główne zalety to:

• wysoka dokładność pozycjonowania;
• za pomocą skrzyni biegów prędkość jest zmniejszana, a moment wzrasta;
• pozycję korpusu roboczego można łatwo regulować, wprowadzając zmiany w programie kontroli;
• możliwość osiągnięcia większego przyspieszenia podczas pracy, co sprawia, że ​​serwo jest bardziej odpowiednie do stosowania w szybkich urządzeniach, w porównaniu z silnikami krokowymi;
• jednolity moment w prawie całym zakresie prędkości;
• dobrze znosi przeciążenie.

Wady obejmują:

• obecność skrzyni biegów (szczególnie krytycznej, jeśli ma plastikowe koła zębate lub miękkie metale);
• zużycie torów rezystancyjnych (jeśli do sprzężenia zwrotnego podczas pozycjonowania wykorzystywany jest potencjometr);
• złożona konfiguracja programu sterującego w celu uzyskania wysokiej dokładności wyników;
• wysoki koszt wyposażenia (w porównaniu np. z silnikami krokowymi);
• dokładność jest często mniejsza niż w przypadku silników krokowych.

Należy jednak pamiętać, że wszystkie zalety i wady są uśredniane, mogą one być jak silniki krokowe, które w niektórych zastosowaniach będą się prezentować lepiej niż serwonapęd i odwrotnie.

Wniosek

Automatyczne sterowanie systemami domowymi i przemysłowymi jest mocno zakorzenione w naszym życiu. Ostatnio szeroko stosowany jest napęd pod kontrolą programowalnych bloków do różnych celów, takich jak arduino.

Umożliwiło to stworzenie zasadniczo nowych amatorskich latających urządzeń sterowanych radiowo, robotów i zabawek dla dzieci. W przemyśle serwonapęd wykorzystywany jest w obrabiarkach, koparkach, pojazdach terenowych itp. Dzisiaj nie można sobie wyobrazić naszego życia bez serwomechanizmów.

Film pokazuje działanie analogowych serwomechanizmów SG90 w modelu robota-pająka:

Teraz wiesz, co to jest serwo, jak zostało zaprojektowane i do czego służy. Mamy nadzieję, że dostarczone informacje pomogły Ci opanować ten temat i zrozumieć główne punkty. Jeśli masz pytania, zadaj je w komentarzach pod artykułem!

Powiązane materiały:

• Co to jest wirnik i stojan w silniku
• Jak działa licznik energii elektrycznej?
• Jak zrobić automatyczne bramy zrób to sam