การขับเคลื่อนโดยตรงเทียบกับเซอร์โวมอเตอร์แบบหมุนที่มีเกียร์: การหาปริมาณของข้อได้เปรียบในการออกแบบ: ตอนที่ 1

วัตถุประสงค์การเรียนรู้

• ระบบเซอร์โวโรตารีในโลกแห่งความเป็นจริงขาดประสิทธิภาพในอุดมคติเนื่องจากข้อจำกัดทางเทคนิค
• เซอร์โวมอเตอร์แบบหมุนหลายประเภทสามารถให้ประโยชน์แก่ผู้ใช้ได้ แต่แต่ละประเภทก็มีความท้าทายหรือข้อจำกัดเฉพาะ
• เซอร์โวมอเตอร์โรตารีแบบขับเคลื่อนโดยตรงให้ประสิทธิภาพที่ดีที่สุด แต่มีราคาแพงกว่ามอเตอร์เกียร์

เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่เซอร์โวมอเตอร์แบบมีเกียร์เป็นหนึ่งในเครื่องมือที่พบบ่อยที่สุดในกล่องเครื่องมือระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมเซอร์โวมอเตอร์แบบมีเกียร์นำเสนอการวางตำแหน่ง การจับคู่ความเร็ว การแคมมิงแบบอิเล็กทรอนิกส์ การม้วน การปรับความตึง การกระชับ และจับคู่กำลังของเซอร์โวมอเตอร์กับโหลดได้อย่างมีประสิทธิภาพสิ่งนี้ทำให้เกิดคำถาม: เซอร์โวมอเตอร์แบบมีเกียร์เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับเทคโนโลยีการเคลื่อนที่แบบหมุน หรือมีวิธีแก้ปัญหาที่ดีกว่าหรือไม่

ในโลกที่สมบูรณ์แบบ ระบบเซอร์โวโรตารีจะมีพิกัดแรงบิดและความเร็วที่ตรงกับการใช้งาน ดังนั้นมอเตอร์จึงไม่ใหญ่เกินไปหรือเล็กเกินไปการรวมกันของมอเตอร์ องค์ประกอบระบบส่งกำลัง และโหลดควรมีความแข็งแบบบิดไม่สิ้นสุดและระยะฟันเฟืองเป็นศูนย์น่าเสียดายที่ระบบเซอร์โวโรตารีในโลกแห่งความเป็นจริงขาดอุดมคตินี้ไปในระดับที่แตกต่างกัน

ในระบบเซอร์โวทั่วไป ระยะฟันเฟืองหมายถึงการสูญเสียการเคลื่อนที่ระหว่างมอเตอร์และโหลดที่เกิดจากความทนทานทางกลของส่วนประกอบระบบส่งกำลังซึ่งรวมถึงการสูญเสียการเคลื่อนไหวใดๆ ทั่วทั้งกระปุกเกียร์ สายพาน โซ่ และข้อต่อเมื่อเปิดเครื่องครั้งแรก โหลดจะลอยอยู่ที่ไหนสักแห่งตรงกลางของพิกัดความเผื่อทางกล (รูปที่ 1A)

ก่อนที่มอเตอร์จะเคลื่อนย้ายโหลดเอง มอเตอร์จะต้องหมุนเพื่อลดหย่อนทั้งหมดที่มีอยู่ในองค์ประกอบเกียร์ (รูปที่ 1B)เมื่อมอเตอร์เริ่มลดความเร็วลงเมื่อสิ้นสุดการเคลื่อนที่ ตำแหน่งโหลดอาจแซงหน้าตำแหน่งมอเตอร์ เนื่องจากโมเมนตัมจะพาโหลดเกินตำแหน่งมอเตอร์

มอเตอร์จะต้องรับการหย่อนในทิศทางตรงกันข้ามอีกครั้งก่อนที่จะใช้แรงบิดกับโหลดเพื่อชะลอความเร็ว (รูปที่ 1C)การสูญเสียการเคลื่อนไหวนี้เรียกว่าฟันเฟือง และโดยทั่วไปจะวัดเป็นอาร์คนาที ซึ่งเท่ากับ 1/60 ของดีกรีกระปุกเกียร์ที่ออกแบบมาเพื่อใช้กับเซอร์โวในการใช้งานทางอุตสาหกรรมมักจะมีข้อกำหนดฟันเฟืองตั้งแต่ 3 ถึง 9 อาร์คนาที

ความแข็งแบบบิดคือความต้านทานต่อการบิดของเพลามอเตอร์ องค์ประกอบระบบส่งกำลัง และโหลดที่ตอบสนองต่อการใช้แรงบิดระบบที่แข็งเป็นอนันต์จะส่งแรงบิดไปยังโหลดโดยไม่มีการโก่งเชิงมุมรอบแกนการหมุนอย่างไรก็ตามแม้แต่เพลาเหล็กตันก็ยังบิดเบี้ยวเล็กน้อยเมื่อรับน้ำหนักมากขนาดของการโก่งตัวจะแตกต่างกันไปตามแรงบิดที่ใช้ วัสดุของส่วนประกอบระบบส่งกำลัง และรูปร่างโดยสัญชาตญาณแล้ว ชิ้นส่วนที่ยาวและบางจะบิดงอมากกว่าส่วนที่สั้นและอ้วนความต้านทานต่อการบิดตัวนี้คือสิ่งที่ทำให้คอยล์สปริงทำงานได้ เนื่องจากการบีบสปริงจะทำให้ขดลวดแต่ละรอบบิดเล็กน้อยลวดที่หนาขึ้นจะทำให้สปริงแข็งขึ้นอะไรก็ตามที่น้อยกว่าความแข็งของแรงบิดอนันต์จะทำให้ระบบทำหน้าที่เป็นสปริง ซึ่งหมายความว่าพลังงานศักย์จะถูกเก็บไว้ในระบบในขณะที่โหลดต้านทานการหมุน

เมื่อรวมเข้าด้วยกัน ความแข็งของแรงบิดและระยะฟันเฟืองที่มีจำกัดสามารถลดประสิทธิภาพของระบบเซอร์โวได้อย่างมากระยะฟันเฟืองอาจทำให้เกิดความไม่แน่นอน เนื่องจากตัวเข้ารหัสมอเตอร์จะระบุตำแหน่งของเพลาของมอเตอร์ ไม่ใช่ตำแหน่งที่ระยะฟันเฟืองยอมให้โหลดสงบลงฟันเฟืองยังทำให้เกิดปัญหาการปรับแต่งในขณะที่โหลดคู่และแยกออกจากมอเตอร์เป็นเวลาสั้นๆ เมื่อโหลดและมอเตอร์กลับทิศทางสัมพัทธ์นอกจากฟันเฟืองฟันเฟืองแล้ว ความแข็งตึงแบบจำกัดแรงบิดยังเก็บพลังงานโดยการแปลงพลังงานจลน์บางส่วนของมอเตอร์และโหลดให้เป็นพลังงานศักย์ แล้วปล่อยออกมาในภายหลังการปล่อยพลังงานที่ล่าช้านี้ทำให้เกิดการสั่นของโหลด ทำให้เกิดการสั่นพ้อง ลดการปรับแต่งที่ใช้งานได้สูงสุด และส่งผลเสียต่อการตอบสนองและเวลาในการตกตะกอนของระบบเซอร์โวในทุกกรณี การลดฟันเฟืองและการเพิ่มความแกร่งของระบบจะเพิ่มประสิทธิภาพของเซอร์โวและทำให้การปรับแต่งง่ายขึ้น

การกำหนดค่าเซอร์โวมอเตอร์แกนหมุน

การกำหนดค่าแกนหมุนที่พบบ่อยที่สุดคือเซอร์โวมอเตอร์แบบหมุนที่มีตัวเข้ารหัสในตัวสำหรับการป้อนกลับตำแหน่งและกระปุกเกียร์เพื่อให้ตรงกับแรงบิดและความเร็วของมอเตอร์ที่มีให้ตรงกับแรงบิดและความเร็วของโหลดที่ต้องการกระปุกเกียร์เป็นอุปกรณ์จ่ายไฟคงที่ซึ่งเป็นอะนาล็อกเชิงกลของหม้อแปลงสำหรับการจับคู่โหลด

การกำหนดค่าฮาร์ดแวร์ที่ได้รับการปรับปรุงใช้เซอร์โวมอเตอร์แบบหมุนขับเคลื่อนโดยตรง ซึ่งกำจัดองค์ประกอบการส่งกำลังโดยเชื่อมต่อโหลดเข้ากับมอเตอร์โดยตรงในขณะที่การกำหนดค่ามอเตอร์เกียร์ใช้การมีเพศสัมพันธ์กับเพลาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางค่อนข้างเล็ก ระบบขับเคลื่อนโดยตรงจะขันโหลดโดยตรงกับหน้าแปลนโรเตอร์ที่มีขนาดใหญ่กว่ามากการกำหนดค่านี้ช่วยลดฟันเฟืองและเพิ่มความแข็งของแรงบิดอย่างมากจำนวนขั้วที่สูงกว่าและขดลวดแรงบิดสูงของมอเตอร์ขับเคลื่อนโดยตรงตรงกับคุณลักษณะแรงบิดและความเร็วของมอเตอร์เกียร์ด้วยอัตราส่วน 10:1 หรือสูงกว่า