Задача выбора линейного двигателя, подходящего для конкретного применения, имеет важное практическое значение. При подборе двигателей ограничения, накладываемые на процессы электромеханического преобразования энергии, должны учитываться тщательно и с разумным запасом.
Линейный серводвигатель с направляющими
При выборе линейного двигателя, прежде всего необходимо быть уверенным, что он развивает достаточное усилие, которое способно обеспечить оптимальный режим работы двигателя. Занижение необходимого усилия электропривода снижает надежность его работы и при неблагоприятных условиях вызывает ускоренный износ изоляции и выход двигателя из строя. Большие запасы по усилию также влекут негативные последствия, связанные с нерациональным использованием дорогостоящего оборудования, ухудшением энергетических показателей недогруженных двигателей и увеличением динамических нагрузок механизмов. Поэтому от правильности выбора двигателей при проектировании существенно зависит производительность и надежность приводимых в движение механизмов.
При подборе линейного двигателя прибегают к использованию так называемой нагрузочной диаграммы – зависимость силы двигателя от времени F=f(t), соответствующей известной зависимости скорости электропривода от времени v=f(t). Расчет нагрузочной диаграммы двигателя может быть произведен с помощью уравнения движения (второй закон Ньютона):
F =m×a +F_тр или F=F_дин+F_тр,
где
F_тр – сила сопротивления трения;
F_дин – динамическая сила, обусловленная инерционностью системы, равная произведению массы на ускорение.
При этом для расчета нагрузочной диаграммы должны быть известны параметры нагрузки, скорость двигателя, коэффициент трения, преодолеваемое расстояние и время всего цикла работы двигателя, которое включает в себя промежутки времени ускорения, торможения и работы на постоянной скорости.
Механические параметры, применяемые при расчетах, обусловлены массой движущихся частей самого двигателя и перемещаемой им нагрузки, а также требуемой диаграммой движения.
Пример применения линейного двигателя и перемещаемой им нагрузки
|
Параметр |
Обозначение параметра |
Значение |
|
Масса нагрузки |
m_W |
1 кг |
|
Масса стола |
m_T |
2 кг |
|
Скорость двигателя |
V |
2 м/с |
|
Преодолеваемое расстояние |
l |
0,76 м |
|
Коэффициент трения |
µ |
0,2 |
|
Время ускорения |
t_a |
0,02 с |
|
Время работы на постоянной скорости |
t_c |
0,36 с |
|
Время торможения |
t_d |
0,02 с |
|
Время цикла |
t |
0,5 с |
|
Внешняя сила на участке линейного движения |
F_E |
0 Н |
По заданным механическим параметрам рассчитывается и строится тахограмма (зависимость скорости двигателя от времени v=f(t)) линейного двигателя. Относительно нее рассчитывается и строится нагрузочная диаграмма двигателя:
В общем случае, катушка располагается на магнитном пути, вдоль которого она и перемещается. Также есть двусторонние типы устройств, в которых магнитный путь располагается с двух сторон по отношению к движущейся катушке. Такое расположение составных частей машины осуществляется для более эффективного использования магнитного потока с обеих сторон.
Тахограмма и нагрузочная диаграмма рабочего цикла двигателя
Установившаяся сила сопротивления (без учета влияния движущейся катушки)
F_L=[9,8 ∙ μ ∙ (m_W+m_T )]+F_E=9,8 ∙ 0,2 ∙ (1+2)+0=5,88 (Н)
Динамическая сила сопротивления (без учета влияния движущейся катушки)
F_P=(m_W+m_T ) ∙ V/t_a + F_L=(1+2) ∙ 2/0,02+5,88=305,88 (Н)
Выбирая линейный двигатель, необходимо учесть, чтобы он обладал требуемой перегрузочной способностью и был способен работать продолжительное время не перегреваясь.
Занижение по перегрузочной способности двигателя вызывает чрезмерное потребление тока, недостаточное усилие и перегрев. Избыточное тепловыделение электродвигателей, вызываемое также нерациональным режимом работы машины, является главной причиной его неисправности.
Критерий по перегрузочной способности:
F_p (усилие при пуске) ≤ Максимальная сила ∙ 0,9
F_S (усилие при торможение) ≤ Максимальная сила ∙ 0,9
Проверку по условию нагрева проведем методом среднеквадратичного усилия.
С помощью каталога YASKAWA сделаем предварительный выбор линейного двигателя:
SGLGW-60A253CP - движущаяся катушка линейного двигателя
SGLGM-60□□□C – магнитный путь линейного серводвигателя (подробный код зависит от длины магнитного пути)
Сервомотор без сердечника SGLGW
Технические характеристики предварительно выбранного линейного серводвигателя
|
Параметр |
Значение |
|
Максимальная сила |
440 Н |
|
Номинальная сила |
140 Н |
|
Масса подвижной катушки (m_M) |
0,82 кг |
|
Магнитное притяжение серводвигателя (F_att) |
0 Н |
Механическая характеристика линейного двигателя SGLGW-60A253C с SGLGM-60
Установившаяся сила сопротивления:
F_L=μ × [9,8×(m_W+m_T+m_M )+F_att ]=0,2 × [9,8×(1+2+0,82)+0]=7,5 (Н)
Проверка по перегрузочной способности при пуске:
F_P=(m_W+m_T+m_M ) × V/t_a +F_L=(1+2+0,82) × 2/0,02+7,5=389,5 (Н) F_P ≤ Максимальная сила × 0,9 (=396 Н) - удовлетворяет условию
Проверка по перегрузочной способности при торможении:
F_S=(m_W+m_T+m_M ) × V/t_a -F_L=(1+2+0,82) × 2/0,02-7,5=374,5 (Н) F_S ≤ Максимальная сила∙0,9 (=396 Н) - удовлетворяет условию
Проверка по нагреву проводится методом среднеквадратичной силы:
F_rms= √((F_P^2 × t_a+F_L^2 × t_C+F_S^2 × t_d)/t)=
√((〖389,5^2 × 0,02 +〖7,5〗^2 × 0,36 +〖374,5〗^2 × 0,02)/0,5) =108,3(Н) ≤ номинальная сила∙0,9 (=132,3 Н) - удовлетворяет условию
В момент пуска и торможения двигатель развивает наибольшие усилия. Они меньше чем максимальное усилие, развиваемое двигателем. Выбранный двигатель справляется с динамическими нагрузками и полностью удовлетворяет требованию по перегрузочной способности.
Среднеквадратичная нагрузка не превышает номинальную. Следовательно, двигатель подобран корректно под данный режим работы и может работать продолжительное время, не требуя дополнительного охлаждения и остановок.
Для управления двигателем следует подобрать подходящий сервопривод. Для этого снова обратимся к каталогам YASKAWA. По каталогу для серии Sigma-7 выбираем сервопривод SGD7S-2R8Axxxx.
Cервопривод SGD7S и сервомотор SGLGW
При выборе сервопривода стоит обратить внимание, на подходящий под требования заказчика способ управления сервопривода. Это может быть сервопривод, как с импульсно-аналоговым управлением, так и сервопривод с цифровым управлением (EtherCAT, Profinet, Mechatrolink) или встроенным контроллером.
Не забудьте укомплектовать привод необходимыми кабелями и датчиками двигателя.
Комплектация линейного привода от компании YASKAWA
