Выбор двигателя линейного модуля ремня ГРМ

Выбор правильного двигателя имеет важное значение для достижения требуемой скорости, ускорения, производительности позиционирования и срока службы.линейный модуль ремня ГРМ. Двигатель недостаточной мощности может стать причиной медленного ускорения, ошибок позиционирования, аварийных сигналов двигателя или нестабильной работы. Двигатель слишком большого размера может увеличить стоимость, инерцию и пространство для установки без улучшения фактической производительности системы.

Поэтому выбор двигателя должен основываться на требованиях к полному движению, а не только на мощности двигателя. К основным факторам относятся движущаяся масса, скорость движения, ускорение, диаметр шкива, эффективность трансмиссии, инерция нагрузки, рабочий цикл, направление установки и точность управления.

Servo and stepper motor selection for a timing belt linear module — Выбор сервопривода и шагового двигателя для линейного модуля ремня ГРМ на основе крутящего момента, скорости, ускорения и инерции нагрузки.

1. Основные параметры для выбора двигателя модуля ремня ГРМ.

Прежде чем выбрать серводвигатель или шаговый двигатель, необходимо подтвердить следующие параметры применения:

Полезная нагрузка и общая подвижная масса
Горизонтальная или вертикальная установка
Требуемая максимальная скорость
Время ускорения и замедления
Эффективное расстояние перемещения
Требования к позиционированию и повторяемости
Диаметр шага шкива ГРМ
Передаточное число, если используется коробка передач
Рабочий цикл и коэффициент заполнения
Внешнее сопротивление и трение
Доступное место для установки двигателя
Требуется ли стояночный тормоз

Двигатель должен обеспечивать достаточную скорость и крутящий момент на протяжении всего цикла движения. Проверки только номинальной мощности двигателя недостаточно, поскольку два двигателя одинаковой мощности могут иметь очень разные номинальный крутящий момент, пиковый крутящий момент, номинальную скорость и инерцию ротора.

2. Серводвигатель или шаговый двигатель?

Серводвигатели и шаговые двигатели могут использоваться с ремнем ГРМ.линейные модули, но они подходят для разных условий эксплуатации.

Фактор отбора	Сервомотор	Шаговый двигатель
Метод управления	Управление с обратной связью с обратной связью от энкодера	Обычно ступенчатое управление с разомкнутым или замкнутым контуром.
Высокоскоростная производительность	Хороший крутящий момент на средних и высоких скоростях.	Крутящий момент значительно снижается с увеличением скорости.
Ускорение	Подходит для высокого ускорения и короткого времени цикла.	Лучше для умеренного ускорения
Позиционирование Надежность	Обратная связь энкодера обнаруживает отклонение положения	Системы с разомкнутым контуром могут терять шаги при перегрузке.
Плавность работы	Плавная работа в широком диапазоне скоростей.	Может возникнуть резонанс на определенных скоростях
Расходы	Более высокая стоимость двигателя, драйвера и ввода в эксплуатацию.	Более низкая стоимость системы
Типичные применения	Высокоскоростная автоматизация, частые запуски и остановки, точное позиционирование.	Приложения с небольшой нагрузкой, низкой скоростью и экономичностью

Когда выбирать серводвигатель

Серводвигатель обычно рекомендуется использовать, когда для модуля ремня ГРМ требуется:

Высокая скорость передвижения
Быстрое ускорение и замедление
Частые возвратно-поступательные движения
Короткое время цикла
Высокая надежность позиционирования
Тяжелая или переменная полезная нагрузка
Контроль положения с обратной связью
Многоосевая синхронизация

Когда выбирать шаговый двигатель

Шаговый двигатель может подойти, если приложение имеет:

Сравнительно низкая скорость
Умеренное ускорение
Легкие и стабильные грузы
Простое позиционирование по точкам
Низкая рабочая частота
Строгие ограничения по стоимости

Для приложений, где потерянные шаги не могут быть приняты, следует рассмотреть возможность использования шагового двигателя с замкнутым контуром вместо обычной шаговой системы с разомкнутым контуром.

3. Определите общую движущуюся массу.

Движущаяся масса не ограничивается заготовкой. В него должны входить все компоненты, которые движутся вместе с кареткой ремня ГРМ:

м = м_{полезная нагрузка}+ м_{перевозка}+ м_{приспособление}+ м_кабель+ м_другой

Где:

мобщая движущаяся масса в килограммах
м_{полезная нагрузка}это масса заготовки или изделия
м_{приспособление}включает захваты, инструменты и монтажные пластины
м_кабельвключает в себя движущиеся кабели, шланги и кабельные держатели

Игнорирование приспособлений, кабелей или инструментов может привести к недостаточному крутящему моменту двигателя, особенно во время быстрого ускорения.

4. Рассчитайте необходимую линейную силу.

Горизонтальная установка

Для горизонтального модуля зубчатого ремня требуемую линейную силу можно оценить с помощью:

Ф = ма + Ф_ж+ Ф_е

Где:

Фтребуемая линейная сила в ньютонах
мобщая движущаяся масса в килограммах
анеобходимое ускорение в метрах в секунду в квадрате
Ф_жсопротивление трения и передачи
Ф_елюбая дополнительная внешняя сила

При постоянной скорости ускорение равно нулю. Мотору необходимо лишь преодолевать трение и внешнее сопротивление. Однако во время ускорения сила инерции может стать самой большой частью общей нагрузки.

Вертикальная установка

Для вертикального движения вверх необходимо учитывать силу тяжести:

F = м(г + а) + F_ж+ Ф_е

Гдег– гравитационное ускорение, приблизительно9,81 м/с².

Для движения вниз двигатель должен контролировать гравитационную нагрузку и безопасно замедлять движущуюся массу. Вертикальные установки также могут производить рекуперативную энергию, поэтому следует проверить сервопривод и тормозной резистор.

5. Рассчитайте необходимый крутящий момент шкива.

После расчета линейной силы преобразуйте ее в крутящий момент шкива:

Т_шкив= F × р/ч

Где:

Т_шкивтребуемый крутящий момент шкива в ньютон-метрах
Фтребуемая линейная сила
ррадиус шага шкива в метрах
илиобщий КПД механической трансмиссии

В расчетах следует использовать радиус шага, а не внешний радиус шкива. Изготовитель ремня ГРМ или чертеж шкива обычно указывают диаметр шага.

Если установлен редуктор, приблизительный крутящий момент двигателя составляет:

Т_мотор= Т_шкив/ (i × n_г)

Где:

якоэффициент снижения скорости, определяемый как скорость двигателя, деленная на выходную скорость.
или_гКПД коробки передач

Редуктор снижает требования к крутящему моменту двигателя и увеличивает отражаемую нагрузку, но также снижает выходную скорость и может вызвать люфт.

6. Рассчитайте необходимую скорость двигателя.

Скорость вращения шкива определяется требуемой линейной скоростью и диаметром шага шкива:

н_шкив= 60 В / (πД)

Где:

н_шкивскорость шкива в оборотах в минуту
втребуемая линейная скорость в метрах в секунду
Д- диаметр шага шкива в метрах

При использовании редуктора:

н_мотор= п_шкив× я

Рассчитанная скорость двигателя должна оставаться в пределах диапазона продолжительной рабочей скорости выбранного двигателя. Не следует выбирать двигатель только потому, что его максимальная скорость выше расчетного значения. Доступный крутящий момент на этой скорости также необходимо проверить по кривой крутящего момента двигателя.

7. Проверьте инерцию нагрузки.

Инерция нагрузки влияет на реакцию ускорения, стабильность позиционирования и настройку сервопривода. Для шкива ГРМ с прямым приводом эквивалентную инерцию движущейся массы можно приблизительно определить следующим образом:

Дж_{линейный}= м²

Полная инерция нагрузки должна также включать:

Инерция приводного шкива
Инерция ведомого шкива
Инерция ремня ГРМ
Инерция сцепления
Инерция на выходе коробки передач
Другие вращающиеся компоненты

Если используется редуктор, инерция нагрузки, отраженная на вал двигателя, равна:

Дж_{отраженный}= Дж_{нагрузка}/ я²

Тогда коэффициент инерции можно рассчитать как:

Коэффициент инерции = J_{отраженный}/ Дж_мотор

Более низкий коэффициент инерции обычно обеспечивает более легкую настройку сервопривода и более быстрый отклик. Приемлемое соотношение зависит от сервосистемы, жесткости машины, профиля движения и требований к управлению. Всегда следует проверять рекомендуемый производителем двигателя коэффициент инерции.

8. Проверьте момент ускорения.

Двигатель должен ускорять как линейную нагрузку, так и вращающиеся компоненты. Крутящий момент ускорения вращения равен:

Т_соотв.= Дж_общий× а

Где:

Дж_общийполная инерция, отраженная на валу двигателя
аугловое ускорение в радианах на секунду в квадрате

Пиковый крутящий момент двигателя должен быть больше, чем общий крутящий момент, необходимый во время ускорения:

Т_{требуется пик}= Т_{нагрузка}+ Т_соотв.

Для агрессивных профилей движения момент ускорения может быть намного выше, чем крутящий момент, необходимый при движении с постоянной скоростью.

9. Проверьте постоянный крутящий момент, пиковый крутящий момент и мощность двигателя.

Следует проверить три различные двигательные способности:

Непрерывный крутящий момент

Непрерывный крутящий момент определяет, может ли двигатель работать без перегрева во время повторяющихся циклов. Его следует проверять, используя среднеквадратический крутящий момент полного цикла:

Т_{среднеквадратичное значение}= √[(Т₁²t₁ + Т₂²t₂ + ... + Тₙ²tₙ) / (t₁ + t₂ + ... + tₙ)]

Рассчитанный среднеквадратичный крутящий момент должен оставаться ниже номинального продолжительного крутящего момента двигателя.

Пиковый крутящий момент

Пиковый крутящий момент необходим во время ускорения, замедления, аварийной остановки или временной внешней нагрузки. Требуемый пиковый крутящий момент должен оставаться ниже допустимого мгновенного крутящего момента двигателя.

Мощность двигателя

Механическую мощность можно оценить с помощью линейной силы или вращательного момента:

Р = Fv/η

или:

П = Чтобы

Мощность двигателя полезна для предварительного выбора, но окончательный размер должен основываться на крутящем моменте, скорости, инерции и рабочем цикле. Два двигателя с одинаковой номинальной мощностью могут не обеспечивать одинаковый пиковый крутящий момент или динамический отклик.

10. Выберите подходящий коэффициент безопасности.

Коэффициент безопасности обычно применяется для компенсации неопределенности расчета, изменения нагрузки, изменений трения и длительного износа.

Для стабильных горизонтальных применений коэффициент запаса по крутящему моменту составляет примерноот 1,3 до 1,5может быть использован в качестве первоначального справочника. Более высокая маржа может потребоваться для:

Вертикальные оси
Высокое ускорение
Частые старты и остановки
Ударные или переменные нагрузки
Неопределенное трение
Длительная непрерывная работа
Суровые условия эксплуатации

Также следует избегать чрезмерно большого коэффициента безопасности, поскольку двигатель слишком большой мощности может увеличить инерцию ротора и снизить динамические характеристики.

11. Выбор тормозного двигателя для вертикальных осей

Настоятельно рекомендуется использовать двигатель с электромагнитным стояночным тормозом, когда линейный модуль ремня ГРМ установлен вертикально или под наклоном, где нагрузка может упасть после отключения питания.

Тормоз в основном используется для удержания оси при остановке машины или потере мощности. Обычно его не следует использовать в качестве динамического стопорного тормоза во время каждого цикла движения.

Для вертикальной оси проверьте следующее:

Удерживающий момент тормоза выше статического гравитационного момента.
Тормоз имеет соответствующий запас прочности.
Последовательность управления включает тормоз только после остановки двигателя.
Двигатель создает удерживающий момент до отпускания тормоза.
Сервопривод может управлять рекуперативной энергией во время движения вниз.
Для тяжелых нагрузок рассматривается противовес или газовая пружина.

Для критически важных для безопасности вертикальных систем также могут потребоваться механические запирающие устройства, механизмы предотвращения падения или резервная защита.

12. Направление установки двигателя.

Линейные модули ремня ГРМ могут поддерживать различные варианты установки двигателя в зависимости от доступного машинного пространства.

Направление установки	Характеристики	Типичное использование
Прямой монтаж в линию	Вал двигателя соединен непосредственно с приводным шкивом через муфту.	Простая конструкция и высокая эффективность передачи
Левосторонний монтаж	Двигатель расположен рядом с модулем с помощью ременной или редукторной передачи.	Машины с ограниченным пространством для осевой установки
Правосторонний монтаж	Расположение зеркал левостороннего монтажа	Выбирается в соответствии с прокладкой кабеля и компоновкой машины.
Нижний или сложенный монтаж	Двигатель устанавливается под модулем или параллельно ему.	Компактное оборудование и закрытое оборудование

Направление установки двигателя обычно не меняет основных требований к линейной силе, но дополнительные шкивы, ремни или редукторы влияют на передаточное число, эффективность, люфт и инерцию вращения. Эти компоненты должны быть включены в расчет двигателя.

13. Пример выбора двигателя модуля ремня ГРМ.

Рассмотрим линейный модуль с горизонтальным ремнем ГРМ со следующими условиями:

Общая движущаяся масса:35 кг
Требуемая максимальная скорость:1,5 м/с
Требуемое ускорение:4 м/с²
Расчетное трение и внешнее сопротивление:25 Н
Диаметр шага шкива:60 мм
Эффективность передачи:92%
Подключение двигателя с прямым приводом

Шаг 1. Рассчитайте линейную силу

Ф = ма + Ф_ж

F = 35 × 4 + 25 = 165 Н

Шаг 2. Рассчитайте крутящий момент шкива

Радиус шага шкива составляет:

г = 0,06/2 = 0,03 м

Т = 165 × 0,03/0,92 ≈ 5,38 Н·м

Это значение представляет собой приблизительный крутящий момент, необходимый на шкиве во время ускорения, без учета инерции вращающихся компонентов и запаса прочности.

Шаг 3: Рассчитайте скорость шкива

п = 60 × 1,5 / (π × 0,06)

п ≈ 477 об/мин

Шаг 4. Оцените механическую мощность

Р = Fv/η

P = 165 × 1,5/0,92 ≈ 269 Вт

Рассчитанная мощность не влияет напрямую на окончательную номинальную мощность двигателя. Выбранный двигатель также должен удовлетворять требуемому пиковому крутящему моменту, среднеквадратичному крутящему моменту, инерции ротора, времени цикла и крутящему моменту, доступному примерно при477 об/мин.

Для этого применения серводвигатель, как правило, более подходит, чем шаговый двигатель с разомкнутым контуром, поскольку ось требует относительно высокого ускорения и надежного крутящего момента во время повторяющегося движения. Окончательная модель двигателя должна быть подтверждена с использованием кривой крутящего момента-скорости производителя и рекомендаций по инерции.

14. Распространенные ошибки при выборе двигателя

Выбор двигателя только по номинальной мощности

Номинальная мощность сама по себе не подтверждает, что двигатель может обеспечить достаточный пиковый крутящий момент или работать на требуемой скорости.

Игнорирование массы каретки и приспособления

Только использование массы полезной нагрузки приводит к недооценке общей силы ускорения.

Игнорирование снижения крутящего момента шагового двигателя

Шаговый двигатель может обеспечивать высокий удерживающий момент на нулевой скорости, но гораздо меньший крутящий момент на фактической рабочей скорости.

Использование максимального крутящего момента двигателя в качестве постоянного крутящего момента

Пиковый крутящий момент доступен только в течение ограниченного времени. Повторное использование может привести к перегреву или срабатыванию сигнализации.

Игнорирование инерции нагрузки

Чрезмерное несоответствие инерции может привести к плохой реакции, вибрации, перерегулированию и затруднению настройки сервопривода.

Игнорирование вертикальной гравитационной нагрузки

Вертикальные оси требуют дополнительного крутящего момента для преодоления силы тяжести и обычно требуют стояночного тормоза.

Игнорирование полного цикла движения

Время ускорения, время постоянной скорости, время торможения, время выдержки и частота циклов влияют на среднеквадратичный крутящий момент и температуру двигателя.

15. Контрольный список выбора двигателя

Прежде чем подтвердить наличие двигателя линейного модуля с ремнем ГРМ, проверьте следующее:

Максимальная скорость двигателя выше расчетной рабочей скорости.
Кривая крутящего момента двигателя соответствует требуемой рабочей точке.
Номинальный крутящий момент выше расчетного среднеквадратичного крутящего момента.
Пиковый крутящий момент выше, чем крутящий момент ускорения и замедления.
Коэффициент инерции нагрузки находится в рекомендуемом диапазоне.
Двигатель и драйвер поддерживают необходимый рабочий цикл.
Направление установки двигателя соответствует компоновке машины.
Муфта, редуктор и шкив соответствуют валу двигателя.
Тормозной момент достаточен для вертикальной установки.
Сервопривод может управлять рекуперативной энергией.
Кабели и разъемы соответствуют требуемым условиям изгиба и окружающей среды.
Включен соответствующий коэффициент безопасности.

Часто задаваемые вопросы

Какая мощность двигателя необходима линейному модулю ремня ГРМ?

Требуемая мощность зависит от движущейся массы, скорости, ускорения, диаметра шкива, эффективности и рабочего цикла. Мощность можно оценить с помощьюР = Fv/η, но при окончательном выборе необходимо также проверить непрерывный крутящий момент, пиковый крутящий момент, скорость двигателя и инерцию нагрузки.

Является ли серводвигатель лучше шагового двигателя для модуля ремня ГРМ?

Серводвигатель обычно лучше обеспечивает высокую скорость, быстрое ускорение, частые циклы и высокую надежность позиционирования. Шаговый двигатель может быть экономичным для низкоскоростных, легких нагрузок и менее требовательных приложений.

Всегда ли больший двигатель улучшает производительность?

Нет. Двигатель увеличенного размера увеличивает стоимость, вес и инерцию ротора. Чрезмерная инерция двигателя может снизить реакцию на ускорение и затруднить настройку системы.

Требуется ли для вертикального модуля ремня ГРМ двигатель с тормозом?

Стояночный тормоз настоятельно рекомендуется использовать в тех случаях, когда сила тяжести может привести к падению груза после потери мощности. Критически важным для безопасности системам может также потребоваться механическая защита от падения.

Можно ли использовать коробку передач с линейным модулем ремня ГРМ?

Да. Редуктор может увеличить выходной крутящий момент и уменьшить инерцию отраженной нагрузки, но он также изменяет выходную скорость, эффективность, люфт и общую инерцию системы.

Заключение

Выбор двигателя для линейного модуля ремня ГРМ должен основываться на полных механических требованиях и требованиях к движению. Процесс выбора включает в себя расчет движущейся массы, линейной силы, крутящего момента шкива, скорости двигателя, инерции нагрузки, момента ускорения, среднеквадратического крутящего момента и пикового крутящего момента.

Серводвигатели обычно предпочитаются для высокоскоростной, высокоскоростной и высоконадежной автоматизации. Шаговые двигатели по-прежнему подходят для более простых, низкоскоростных и экономичных приложений. Вертикальные оси должны использовать стояночный тормоз подходящего размера и могут потребовать дополнительных механизмов предотвращения падения или противовеса.

Окончательный выбор двигателя всегда следует проверять на соответствие кривой крутящего момента и скорости, указанной производителем двигателя, допустимому коэффициенту инерции, рабочему циклу и температурным ограничениям.