Пределы скорости и ускорения линейных модулей ремня ГРМ

Линейные модули ремня ГРМизвестны своей высокой скоростью и длинным ходом, но максимальная скорость, указанная в каталоге, составляет лишь часть реального предела производительности. В работающей машине ускорение, натяжение ремня, длина свободного ремня, скорость шкива, масса каретки, жесткость направляющей, структурный резонанс и сопротивление троса - все это влияет на то, насколько быстро ось может работать надежно.

Вот почемуСкорость линейного модуля ремня ГРМследует оценивать как состояние системы, а не как одно изолированное число. Ось может быть механически способна развивать высокую пиковую скорость, но при этом страдать от биения ремня, вибрации, плохой стабилизации или чрезмерной нагрузки на двигатель при слишком агрессивном ускорении.

В этом руководстве объясняются практические пределы скорости и ускорения модулей ремня ГРМ, а также показано, как диагностировать и улучшать высокоскоростные характеристики.

Максимальная скорость — это не то же самое, что полезная производственная скорость

Максимальная скорость, указанная производителем, обычно указывает на максимальную работоспособность конкретного модуля в определенных условиях.

Реальная скорость производства может быть ниже по следующим причинам:

• Полезная нагрузка
• Требование ускорения
• Длина хода
• Натяжение ремня
• Крутящий момент двигателя на скорости
• Динамика направляющей и каретки
• Жесткость рамы машины
• Сопротивление несущей кабеля
• Требуемое время урегулирования

Практическое правило:полезная максимальная скорость — это наивысшая скорость, которую вся ось может повторять в течение требуемого рабочего цикла, сохраняя при этом целевые показатели позиционирования, вибрации, температуры и срока службы.

Что на самом деле ограничивает скорость модуля ремня ГРМ?

Линейная скорость и скорость шкива напрямую связаны

Скорость каретки определяется скоростью вращения шкива и окружностью шага шкива.

Концептуально:

v = ω × r

или, используя скорость вращения шкива:

v = π × D × n ÷ 60

где:

• в= линейная скорость в м/с
• Д= диаметр шага шкива в м
• н= скорость шкива в об/мин

Шкив большего размера обеспечивает больший линейный ход за оборот, поэтому та же скорость каретки может быть достигнута при более низких оборотах двигателя.

Почему шкив большего размера не решает автоматически проблемы, связанные с высокой скоростью

Шкив большего размера снижает скорость вращения при той же линейной скорости, но также увеличивает крутящий момент, необходимый для той же линейной тяги.

Для ременной передачи:

Т = F × р ÷ час

Это означает, что размер шкива создает компромисс между скоростью и крутящим моментом:

• Шкив большего размера: более низкие обороты, более высокий крутящий момент.
• Шкив меньшего размера: более высокие обороты, меньшая потребность в крутящем моменте.

Самый маленький шкив также ограничен усталостью ремня от изгиба и минимальными требованиями к зацеплению зубьев.

Ускорение часто ограничивает реальное время цикла до достижения максимальной скорости.

Многие приводы с ремнями ГРМ работают с короткими или средними ходами. Перед началом замедления каретка может находиться на максимальной скорости мало или вообще не находиться вообще.

В этом случае ускорение важнее номинальной максимальной скорости.

Сила ускорения равна:

Ф_соотв.= м × а

где движущаяся масса включает в себя полезную нагрузку каретки, приспособления, верхние оси, движущиеся тросы и другое навесное оборудование.

Простой пример

Движущийся объект массой 12 кг движется со скоростью 5 м/с.²требует:

Ф_соотв.= 12 × 5 = 60 Н

Это происходит до добавления сопротивления направляющей, сопротивления кабеля или технологической силы.

Почему высокое ускорение тяжелее для ремня

Более высокое ускорение увеличивает разницу натяжения ремня между ведущей и обратной сторонами.

Это может привести к:

• Большее растяжение эластичного ремня
• Повышенная нагрузка на зубы
• Больше вибрации каретки
• Более высокая нагрузка на подшипник шкива
• Повышенная потребность в крутящем моменте двигателя
• Больше напряжения во время разворота

Таким образом, модуль может безопасно достичь высокой постоянной скорости, но ему будет трудно достичь этой скорости слишком быстро.

Пределы ускорения обычно являются системными ограничениями

Редко существует один универсальный предел ускорения для всех модулей ремня ГРМ.

Практический предел зависит от:

• Движущаяся масса
• Ширина и жесткость ремня
• Предварительное натяжение ремня
• Диаметр шкива
• Пиковый крутящий момент двигателя
• Предварительная загрузка руководства
• Геометрия каретки
• Жесткость рамы
• Вылет инструмента

Таким образом, один и тот же модуль может иметь очень разные возможности ускорения при разных полезных нагрузках.

Что такое поясной кнут?

Ремень-хлыствидимые или динамические колебания свободного пролета ремня при быстром движении, резком ускорении или реверсе.

Это может выглядеть как:

• Вертикальный флаттер ремня
• Боковая вибрация ремня
• Слышимый шлепок или жужжание
• Периодический контакт с чехлами
• Неустойчивое движение после разворота

Хлыст ремня – это не только проблема с шумом. Сильные колебания могут повлиять на зацепление зубьев, стабильность позиционирования и срок службы ремня.

Что вызывает хлыст ремня?

Общие причины включают в себя:

• Длинные неподдерживаемые пролеты ремня
• Недостаточное натяжение ремня
• Очень высокая скорость ленты
• Быстрое ускорение и замедление
• Возбуждение вблизи собственной частоты
• Несоосность шкива
• Неравномерное отслеживание ремня

Длинный ход увеличивает чувствительность

По мере увеличения свободной длины ремня ремень может вести себя скорее как гибкий вибрирующий элемент. Это одна из причин, по которой оси с длинным ходом требуют большего внимания к испытаниям на растяжение и динамические испытания.

Натяжение ремня сильно влияет на устойчивость на высокой скорости

Если напряжение слишком низкое

Возможные эффекты включают в себя:

• Ремень-хлыст
• Зубной прыжок
• Плохая повторяемость реверса
• Повышенный шум

Если напряжение слишком велико

Возможные эффекты включают в себя:

• Более высокая нагрузка на подшипник шкива
• Повышенная потребность в крутящем моменте двигателя
• Ускоренная усталость ремня.
• Повышенная нагрузка на конструкцию

Скоростной тюнинг не означает максимально затянуть ремень.Используйте указанное претензию и динамически подтверждайте поведение.

Вибрация может исходить не только от ремня

Когда ось высокоскоростного ремня вибрирует, ремень является лишь одним из возможных источников вибрации.

Другие источники включают:

• Гибкие рамы машин
• Длинные перекладины
• Выступающая оснастка
• Кабельные операторы
• Ослабленные крепления двигателя
• Предварительная загрузка руководства
• Настройка сервоприводов
• Биение шкива или вала

Механически гибкую раму невозможно полностью исправить путем настройки управления.

Структурный резонанс может стать настоящим ограничением скорости

Каждая механическая конструкция имеет собственные частоты. Если команды ускорения или периодические усилия ремня возбуждают одну из этих частот, вибрация может резко увеличиться.

Это может повлиять на:

• Время урегулирования
• Повторяемость положения
• Шум
• Качество траектории инструмента
• Срок службы крепежа

Широкие порталы и длинные рамы машин особенно чувствительны, поскольку их первые структурные моды могут возникать на относительно низких частотах.

Время стабилизации — часть высокоскоростной производительности

Высокоскоростная ось бесполезна, если станку приходится долго ждать после каждого перемещения.

Эффективное время цикла составляет:

Время цикла = ускорение + перемещение + замедление + стабилизация + время процесса.

Если более высокое ускорение сокращает время движения на 50 мс, но добавляет 100 мс стабилизации вибрации, машина в целом становится медленнее.

Короткоходные и длинноходные оси ведут себя по-разному

Вот почему максимальная скорость в одном каталоге не может одинаково хорошо описать все приложения.

Высокоскоростные приложения для захвата и размещения

В перегрузочном оборудовании часто используются модули с зубчатым ремнем из-за малой движущейся массы и возможности быстрого реверса.

Ключевые переменные конструкции:

• Короткое расстояние перемещения
• Высокое ускорение
• Низкая масса инструмента
• Быстрое урегулирование
• Большое количество разворотов

Для такого типа применения ускорение и жесткость часто имеют большее значение, чем максимальная скорость.

Заявки на трансфер в дальние поездки

Длинная передача на стороне конвейера, портальные системы и оси погрузочно-разгрузочных работ могут проводить больше времени при постоянной скорости.

Важные проверки включают в себя:

• Номинальная скорость ленты
• Скорость вращения шкива
• Возможность постоянной скорости двигателя
• Вибрация ремня
• Устойчивость кабельной несущей
• Поддержка длинной балки

Высокоскоростная печать и сканирование

При печати, нанесении покрытий и проверке может потребоваться перемещение каретки со стабильной скоростью через зону обработки.

Для этих приложений качество скорости имеет такое же значение, как и величина скорости.

Проверять:

• Пульсация скорости
• Ошибка следования сервопривода
• Эластичность ремня
• Прямолинейность направляющей
• Структурная вибрация

Крутящий момент двигателя падает со скоростью

Мощность двигателя необходимо проверять при фактических оборотах, требуемых шкивом.

Это особенно важно для шаговых двигателей, располагаемый крутящий момент которых обычно значительно снижается с увеличением скорости.

Сервосистемы также имеют пределы непрерывного и пикового крутящего момента и конечную максимальную скорость.

Поэтому при высокоскоростной калибровке следует использовать:

• Требуемая частота вращения шкива
• Кривая крутящего момента двигателя
• Пиковый крутящий момент при ускорении
• Среднеквадратичный крутящий момент в течение цикла
• Пределы напряжения и тока привода

Сама по себе мощность двигателя не определяет максимальную скорость

Двигатель большей мощности не делает ось автоматически быстрее.

Максимальная скорость по-прежнему может быть ограничена:

• Обороты двигателя
• Размер шкива
• Номинальная скорость ленты
• Руководство по динамике
• Структурный резонанс
• Кабельный носитель

Ширина и жесткость ремня влияют на ускорение

Более широкий или более жесткий ремень может уменьшить упругое удлинение под действием динамической силы.

Это может улучшить:

• Разворотное поведение
• Расселение
• Динамическое позиционирование
• Стабильность управления

Но увеличение ширины ремня также увеличивает ширину шкива и может повлиять на стоимость, выравнивание и размер модуля.

Диаметр шкива должен соответствовать скорости, крутящему моменту и сроку службы ремня.

Выбор шкива должен удовлетворять всем следующим критериям:

• Требуемая линейная скорость
• Скорость вращения двигателя
• Требуемая тяга
• Минимальный радиус изгиба ремня
• Требуемые сросшиеся зубы
• Пределы подшипников

Не существует единого диаметра шкива, который бы максимизировал все показатели производительности.

Руководство по преднатягу и сопротивлению ходу

Более высокий предварительный натяг направляющей может улучшить жесткость, но также увеличивает сопротивление качению и нагрев.

На высокой скорости может увеличиться чрезмерная предварительная нагрузка:

• Моторный спрос
• Ориентировочная температура
• Носить

Направляющую следует выбирать с учетом требуемой жесткости и нагрузки, а не автоматически использовать максимально возможную предварительную нагрузку.

Кабельные носители могут стать основной динамической нагрузкой

На низкой скорости сопротивление троса может показаться незначительным. При высокой скорости и ускорении кабельный держатель может стать основным источником силы и вибрации.

Проверять:

• Несущая масса
• Радиус изгиба
• Максимальная скорость движения
• Максимальное ускорение
• Неподдерживаемый диапазон
• Заполнение и расположение кабеля

Самый быстрый линейный модуль в машине все еще может быть ограничен прикрепленной к нему кабельной системой.

Как профили движения влияют на вибрацию

Резкий трапециевидный профиль скорости может вызвать большую вибрацию, чем более плавный профиль.

S-образная кривая или движение с ограничением рывков могут снизить скорость изменения ускорения и помочь уменьшить:

• Кадровое возбуждение
• Вибрация ремня
• Колебания инструмента
• Время урегулирования

Лучший профиль зависит от времени цикла и чувствительности процесса.

Как повысить стабильность на высоких скоростях

1. Уменьшите движущуюся массу.

Используйте легкие инструменты, компактные кронштейны и оптимизированную прокладку кабелей.

2. Используйте правильное натяжение ремня.

Сохраняйте указанное усилие, а не затягивайте на ощупь.

3. Увеличение жесткости конструкции.

Укрепите основания, перекладины и инструментальные опоры.

4. Используйте ремень соответствующей ширины и жесткости на растяжение.

Это снижает упругий отклик при ускорении.

5. Выберите размер шкива в качестве системной переменной.

Сбалансируйте обороты двигателя, тягу, зацепление зубьев и долговечность при изгибе.

6. Улучшите согласование двигателя и сервопривода.

Проверяйте характеристики крутящего момента, скорости и инерции, а не только мощность двигателя.

7. Оптимизируйте профиль движения

Используйте управление рывками или более плавное ускорение там, где вибрация ограничивает производительность.

8. Улучшите управление кабелями

Уменьшите изменение сопротивления и избегайте резонанса кабеля с несущей.

9. Испытание на полном ходу и реальной нагрузке.

Поведение длинного ремня может не проявиться во время стендовых испытаний с коротким ходом.

Признаки того, что ось управляется слишком агрессивно

• Видимый трепет ремня или хлесткость
• Повторяющиеся события прыжка с зуба
• Увеличение тока двигателя
• Сервопривод после сигналов тревоги
• Более длительное время урегулирования
• Новая вибрация или резонанс
• Износ края ремня
• Шум подшипников шкивов
• Руководство по повышению температуры
• Повторяемость позиционирования становится зависимой от нагрузки

Эти симптомы следует изучить перед дальнейшим увеличением скорости.

Как определить практическую максимальную скорость

1. Подтвердите номинал скорости производителя модуля.
2. Рассчитайте частоту вращения шкива при целевой линейной скорости.
3. Проверьте крутящий момент и частоту вращения двигателя в этой рабочей точке.
4. Проверьте скорость ремня и пределы шкива.
5. Проверьте пределы скорости и ускорения кабельной несущей.
6. Запустите ось с реальной движущейся массой.
7. Проверьте полный ход.
8. Измерьте вибрацию, оседание и нагрузку двигателя.
9. Повторите действия для реального рабочего цикла.
10. Установите предел производства ниже начала нестабильного поведения.

Как определить практический предел ускорения

1. Рассчитайте необходимую силу ускорения.
2. Проверьте пиковый крутящий момент двигателя.
3. Проверьте зуб ремня и его прочность на растяжение.
4. Проверьте нагрузки на шкивы и подшипники.
5. Оцените натяжение и положение ремня.
6. Измерьте вибрацию и оседание.
7. Проверьте направляющую и жесткость конструкции.
8. Подтвердите повторяющиеся характеристики в течение рабочего цикла.

Что необходимо QRXQ для оценки высокоскоростного движения ремня

• Требуемый ход
• Движущаяся масса
• Целевая максимальная скорость
• Целевое ускорение
• Время цикла
• Частота реверса
• Профиль и ширина ремня
• Количество зубьев шкива или диаметр шага
• Модель двигателя
• Горизонтальная, вертикальная или портальная установка
• Требуемая повторяемость
• Конфигурация кабельной несущей

Реальное ограничение скорости модуля ремня ГРМ — это системное ограничение.Скорость ленты, частота вращения двигателя, сила ускорения, вибрация, структура и динамика кабеля должны оставаться в пределах стабильного рабочего окна.

QRXQ оценивает скорость и ускорение линейного модуля ремня ГРМ по полному профилю движения, а не полагается только на самую высокую скорость, указанную в каталоге.