Att välja enservomotorendast baserat på motorkraft är ett av de enklaste sätten att göra ett dåligt val.
En maskin kan märkas som att den kräver en 750 W, 1 kW eller 2 kW servomotor, men kraften ensam säger inte om motorn faktiskt kan accelerera belastningen, bibehålla hastigheten eller stanna exakt.
Den mer användbara frågan är:
Hur mycket vridmoment kräver applikationen egentligen?
För en servomotor avgör vridmomentet om motorn kan flytta lasten, accelerera den inom den tid som krävs och hantera förändringar i driftsförhållandena utan överbelastning.
Den här guiden förklarar ett praktiskt sätt att beräkna servomotorns vridmomentkrav innan du väljer en motor. Den täcker också flera faktorer som ofta förbises, inklusive lasttröghet, toppvridmoment, transmissionseffektivitet, vertikala laster, accelerationstid och arbetscykel.
Varför servomotorns vridmoment är viktigare än kraften ensam
Motorkraft och vridmoment är relaterade, men de beskriver olika aspekter av motorprestanda.
Power berättar hur mycket mekaniskt arbete motorn kan leverera över tid.
Moment berättar hur mycket rotationskraft motorn kan producera.
En maskin som behöver högt vridmoment vid relativt låg hastighet kan kräva en helt annan motor än en maskin som behöver hög hastighet med relativt liten belastning.
Tänk till exempel på två maskiner:
Maskin A
Erforderligt vridmoment: 10 N·m
Drifthastighet: 500 RPM
Maskin B
Erforderligt vridmoment: 10 N·m
Drifthastighet: 3 000 RPM
Vridmomentkravet är identiskt, men Maskin B kräver mycket mer mekanisk kraft eftersom den arbetar med mycket högre hastighet.
Det är därför som servomotorval bör börja med de faktiska rörelsekraven snarare än att bara välja en motor baserad på watt.
Den grundläggande servomotorns vridmomentberäkning
Det enklaste vridmomentförhållandet är:
I en riktig industrimaskin är emellertid det erforderliga motorvridmomentet sällan bara det vridmoment som belastningen skapar.
En mer praktisk beräkning tar hänsyn till flera komponenter:
Erforderligt motormoment=Lastmoment + accelerationsmoment + friktionsmoment + gravitationsmoment + transmissionsförluster
Inte alla applikationer kräver alla dessa villkor.
Till exempel kan en horisontell transportör ha betydande friktions- och accelerationsvridmoment men relativt lite gravitationsrelaterat vridmoment-.
En vertikal lyftaxel kan å andra sidan ha en väsentlig gravitationsmomentkomponent.
Steg 1: Identifiera vad motorn faktiskt rör sig
Innan du beräknar vridmomentet, identifiera den fullständiga mekaniska belastningen som är ansluten till motorn.
Detta kan inkludera:
- Löpande band
- Roller
- Remskiva
- Skruva
- Redskap
- Roterande bord
- Robotarm
- Fläkt
- Pump
- Skärverktyg
- Material som transporteras
Beräkna inte vridmomentet endast baserat på produktens vikt.
Motorn kan också behöva accelerera de mekaniska komponenterna själva.
Till exempel kan ett transportörsystem flytta en 50 kg produkt, men motorn kan också behöva accelerera bandet, rullarna, remskivorna och andra roterande komponenter.
Steg 2: Beräkna belastningsmomentet
För en enkel roterande last beror det erforderliga vridmomentet på kraften som verkar på systemet och den effektiva radien.
Till exempel, om en remskiva behöver generera en viss tangentiell kraft, ökar det erforderliga vridmomentet när remskivans radie ökar.
Detta är en viktig punkt när du väljer en motor.
En relativt liten kraft som appliceras genom en stor radie kan kräva avsevärt vridmoment.
När du beräknar belastningen, identifiera:
- Erforderlig linjär kraft
- Remskiva eller trumdiameter
- Skruvledning
- Utväxling
- Mekanisk effektivitet
Den faktiska mekaniska konfigurationen har ofta en större effekt på vridmomentkraven än vad motoreffekten antyder.
Steg 3: Beräkna accelerationsmoment
Detta är en av de mest förbisedda delarna av servomotordimensionering.
En servomotor behöver inte bara hålla lasten i rörelse.
Det måste också ändra lastens hastighet.
Ju snabbare acceleration som krävs, desto större accelerationsmoment.
Accelerationsmomentet är relaterat till:
- Belastningströghet
- Motorisk tröghet
- Erforderlig acceleration
- Utväxling
För ett roterande system kan accelerationsmomentet representeras konceptuellt som:
Accelerationsmoment=Total tröghet × vinkelacceleration
Detta är anledningen till att ett stort roterande bord kan kräva en mycket större servomotor än dess konstanta-belastning skulle antyda.
Maskinen kräver kanske bara ett måttligt vridmoment när den roterar med konstant hastighet, men det kan krävas en stor mängd vridmoment för att accelerera bordet från noll till arbetshastighet.
Varför accelerationstid är viktig
Tänk på två maskiner som båda behöver nå 2 000 RPM.
Maskin A
Accelerationstid: 5 sekunder
Maskin B
Accelerationstid: 0,5 sekunder
Den andra maskinen måste nå samma hastighet tio gånger snabbare.
Förutsatt att belastningen och andra förhållanden förblir desamma, kan det erforderliga accelerationsvridmomentet vara avsevärt högre.
Det är därför leverantörer behöver veta inte bara den maximala hastigheten utan också:
- Starthastighet
- Målhastighet
- Accelerationstid
- Retardationstid
För höghastighetsautomation kan accelerationskrav bli den avgörande faktorn vid motorval.
Steg 4: Tänk på friktionsmoment
Riktiga mekaniska system har alltid en viss grad av friktion.
Källor kan vara:
- Kullager
- Sälar
- Växellådor
- Bälten
- Linjära guider
- Kedjor
- Skruvmekanismer
Friktionen kan vara relativt liten i en väl-designad maskin, men den bör inte ignoreras.
Friktionen kan också öka när komponenterna slits eller smörjförhållandena ändras.
För kritiska industriella tillämpningar bör beräkningen ta hänsyn till den förväntade värsta-friktionen snarare än bara det ideala tillståndet för en ny maskin.
Steg 5: Beräkna gravitationsmomentet för vertikala applikationer
Vertikal rörelse kräver särskild uppmärksamhet.
När en servomotor lyfter en last måste motorn arbeta mot gravitationen.
Detta innebär att en vertikal axel kan kräva betydande vridmoment även när den rör sig långsamt.
Typiska exempel inkluderar:
- Z-axelsystem
- Lyftplattformar
- Hissar
- Robotiska vertikala leder
- Automatiserade lagringssystem
- Vertikala transportörer
För dessa applikationer, beräkna det vridmoment som krävs för att hålla och flytta lasten.
Du bör också avgöra om systemet kräver enhållbroms.
En broms kan hjälpa till att förhindra oönskad rörelse när strömmen kopplas bort, men den fullständiga maskinsäkerhetsdesignen bör avgöra hur lasten hålls säkert.
Steg 6: Inkludera mekanisk överföringseffektivitet
Mycket få servomotorer ansluter direkt till lasten.
De flesta industriella system använder någon form av transmission:
- Växellåda
- Bälte
- Remskiva
- Kedja
- Kulskruv
- Planetväxellåda
- Harmonisk drift
Varje transmission introducerar en viss mekanisk förlust.
Till exempel, om transmissionseffektiviteten är 90 %, behöver motorn producera mer vridmoment än vad själva lasten kräver.
Att ignorera transmissionsförluster kan resultera i en motor som ser adekvat ut på papperet men som kämpar under verklig drift.
Steg 7: Förstå effekten av utväxlingsförhållande
En växellåda kan avsevärt ändra vridmoment och hastighetskrav som motorn ser.
Antag att maskinen kräver högt utgående vridmoment vid relativt låg hastighet.
En växellåda kan minska motorvarvtalet samtidigt som det utgående vridmomentet ökar.
Detta kan tillåta en mindre servomotor med-högre hastighet att driva en mycket tyngre last.
Men växellådan introducerar också:
- Effektivitetsförluster
- Glapp
- Ytterligare tröghet
- Mekanisk komplexitet
- Ytterligare kostnad
För precisionsapplikationer bör växellådans glapp inkluderas vid utvärdering av slutlig positioneringsprestanda.
Kontinuerligt vridmoment vs Peak Torque
Efter att ha beräknat det grundläggande vridmomentkravet måste du skilja mellan kontinuerligt vridmoment och toppvridmoment.
Detta är viktigt för val av servomotor.
Kontinuerligt vridmoment
Kontinuerligt vridmoment är det vridmoment som krävs under normal drift.
Till exempel kan en transportör kontinuerligt kräva 4 N·m medan den körs med sin normala produktionshastighet.
Den valda motorn bör kunna leverera detta vridmoment utan överdriven temperaturökning.
Högsta vridmoment
Maximalt vridmoment krävs under korta perioder.
- Exempel inkluderar:
- Snabb acceleration
- Snabb inbromsning
- Startar en tung belastning
- Plötsliga belastningsförändringar
- Frekvent backning
- En maskin kan därför ha:
- Kontinuerligt vridmomentkrav: 4 N·m
- Maximalt vridmoment: 9 N·m
I det här fallet kan det vara ett misstag att välja en motor som endast baseras på 4 N·m kontinuerligt krav.
Motorn och frekvensomriktaren måste också klara av toppkravet på 9 N·m under den tid som krävs.
Välj inte en servomotor baserat på genomsnittligt vridmoment
Genomsnittligt vridmoment kan vara användbart för att förstå den övergripande driftscykeln, men det berättar inte hela historien.
Föreställ dig en maskin med följande cykel:
- Accelerera snabbt
- Kör med konstant hastighet
- Bromsa snabbt
- Stopp
- Motsatt
- Upprepa
- Det genomsnittliga vridmomentet kan se rimligt ut.
Motorn kan dock fortfarande utsättas för överbelastning under acceleration eller retardation.
För val av servomotor bör den sämsta driftspunkten identifieras först.
Utvärdera sedan hela driftcykeln och termiska krav.
Hur lasttröghet ändrar servomotorns vridmomentkrav
Belastningströghet är en av de viktigaste faktorerna vid servodimensionering.
Ett tungt föremål har inte nödvändigtvis hög rotationströghet.
Det som spelar roll är hur massan är fördelad i förhållande till rotationsaxeln.
En stor vält med mycket av sin massa nära ytterdiametern kan ha betydligt mer tröghet än en kompakt komponent med samma massa.
Hög tröghet kan leda till:
- Högre accelerationsmoment
- Längre sättningstid
- Skjuta över
- Vibration
- Positioneringsproblem
För tillämpningar som involverar stora roterande komponenter, bör trögheten beräknas snarare än uppskattas helt enkelt utifrån vikt.
Vad sägs om servomotorns vridmoment vid hög hastighet?
Ett vanligt misstag är att anta att motorns nominella vridmoment förblir tillgängligt vid varje hastighet.
Det fungerar inte nödvändigtvis så.
Servomotorer har vridmoment-hastighetsegenskaper.
När arbetshastigheten ökar kan det tillgängliga vridmomentet så småningom minska.
Därför bör du kontrollera:
Kontinuerligt vridmoment vid arbetshastighet
Maximalt vridmoment vid arbetshastighet
Maximal hastighet
Erforderlig acceleration vid arbetshastighet
Till exempel, om din applikation kräver 8 N·m vid 3 000 RPM räcker det inte att veta att motorn har ett nominellt vridmoment på 8 N·m.
Du måste bekräfta att motorn faktiskt kan ge det erforderliga vridmomentet vid 3 000 RPM.
Hur man undviker att överdimensionera servomotorn
Vissa köpare väljer avsiktligt en mycket större motor eftersom de tror att "mer vridmoment är säkrare."
Det förhållningssättet kan skapa nya problem.
En överdimensioneradservomotorkan resultera i:
- Högre motorkostnad
- Större servodrift
- Högre systemtröghet
- Större fysiska dimensioner
- Ökad energiförbrukning
- Svårare mekanisk integration
En större motor är bara användbar om maskinen faktiskt kan dra nytta av sin extra kapacitet.
Målet bör vara att tillhandahålla tillräckligt vridmoment och rimlig reservkapacitet-inte maximalt möjligt vridmoment.
Hur man undviker att underdimensionera servomotorn
Underdimensionering är vanligtvis mer problematiskt.
En motor som arbetar för nära sina gränser kan uppleva:
- Överbelastningslarm
- Överdriven temperatur
- Dålig acceleration
- Minskad livslängd
- Positioneringsinstabilitet
Motorn bör utvärderas mot det värsta förväntade drifttillståndet.
Var särskilt uppmärksam på:
- Maximal belastning
- Maximal acceleration
- Maximal hastighet
- Höga-friktionsförhållanden
- Frekvent backning
- Långa driftscykler
Ett praktiskt exempel på vridmomentberäkning av servomotorn
Låt oss överväga en förenklad roterande applikation.
Maskinen kräver:
- Kontinuerligt belastningsmoment: 5 N·m
- Accelerationsmoment: 3 N·m
- Friktionsmoment: 1 N·m
- Överföringseffektivitet: 90%
Det ungefärliga vridmomentet innan andra konstruktionsfaktorer beaktas skulle vara summan av kraven på belastning, acceleration och friktion, justerat för transmissionsförluster.
Den viktiga lärdomen är inte den slutliga siffran.
Den viktiga lärdomen är att motorns erforderliga vridmoment sällan är lika med enbart lastmomentet.
Om du bara beräknar belastningen i konstant-tillstånd kan du underskatta motorstorleken som krävs för acceleration.
För en verklig maskin bör beräkningen utföras med den fullständiga rörelseprofilen och de värsta förväntade förhållandena.
Hur man väljer servomotor efter att ha beräknat vridmoment
När vridmomentkravet har beräknats, välj inte motorn omedelbart.
Du bör jämföra det beräknade kravet mot motorns:
- Kontinuerligt vridmoment
- Högsta vridmoment
- Nominell hastighet
- Maximal hastighet
- Vridmoment-hastighetskurva
- Rotorns tröghet
- Encoder
- Drive-kompatibilitet
- Termiska egenskaper
Motorn ska uppfylla både de mekaniska och elektriska kraven.
En motor med tillräckligt vridmoment men otillräckligt varvtal är inte lämplig.
En motor med tillräckligt varvtal men otillräckligt toppvridmoment är inte heller lämplig.
Vridmoment är bara en del av servomotorvalet
Även om vridmomentet är kritiskt bör det inte utvärderas oberoende.
Du bör också tänka på:
Hastighet
Kan motorn ge erforderligt vridmoment vid erforderligt varvtal?
Noggrannhet
Kan hela systemet uppnå den positioneringsnoggrannhet och repeterbarhet som krävs?
Tröghet
Kan motorn kontrollera den anslutna lasten effektivt?
Arbetscykel
Kan motorn hantera den faktiska accelerationen, retardationen och driftscykeln utan överdriven uppvärmning?
Miljö
Kan motorn fungera tillförlitligt under de faktiska temperatur-, damm-, fukt- och vibrationsförhållandena?
Dessa faktorer avgör om motorn kommer att fungera tillförlitligt efter installationen.
När bör du överväga en servomotor med högt vridmoment?
En servomotor med högt vridmoment kan vara lämplig för tillämpningar som involverar:
- Tung last
- Stora roterande bord
- Hög-tröghetsmekanism
- Vertikal lyft
- Snabb acceleration
- Frekvent backning
- Kraftig-robotteknik
- Materialhanteringsutrustning
Högt vridmoment betyder dock inte automatiskt bättre prestanda.
Motorn bör väljas enligt den faktiska last- och rörelseprofilen.
Vilken information bör du ge din servomotorleverantör?
Om du vill ha en korrekt motorrekommendation, ge mer information än bara "Jag behöver en 2 kW servomotor."
Ge helst:
Mekanisk information
- Lastvikt
- Belastningströghet
- Remskiva diameter
- Skruvledning
- Utväxling
- Transmissionstyp
- Mekanisk effektivitet
Rörelsekrav
- Kontinuerlig hastighet
- Maximal hastighet
- Accelerationstid
- Retardationstid
- Cykeltid
- Reverseringsfrekvens
Momentkrav
- Kontinuerligt belastningsmoment
- Toppbelastningsmoment
- Hållande vridmoment
- Startmoment
Elektriska krav
- Tillgänglig spänning
- Kontroller
- Servodrift
- Krav på kodare
Miljö
- Omgivningstemperatur
- Damm
- Fuktighet
- Vibration
- Installationsvillkor
Ju mer fullständig information, desto mer exakt kan motorn väljas.
Hur Auric hjälper till med servomotorval
För OEM-tillverkare är beräkningen av servomotorns vridmoment bara det första steget.
Den slutliga motorn måste passa maskinens mekaniska struktur, elektriska arkitektur, styrsystem och produktionscykel.
Auric tillhandahåller servomotorlösningar för industriell automation, OEM-maskiner, robotteknik, materialhantering, förpackningsutrustning och andra applikationer för rörelsekontroll.
Istället för att välja en motor baserad enbart på märkeffekt kan Auric utvärdera applikationskrav som:
- Kontinuerligt vridmoment
- Högsta vridmoment
- Drifthastighet
- Acceleration
- Belastningströghet
- Arbetscykel
- Kodarkonfiguration
- Motorspänning
- Monteringsmått
- Axelkonfiguration
- Bromskrav
- Servodrivningskompatibilitet
För OEM-tillämpningar kan anpassade motorkonfigurationer också övervägas när en standardkatalogmotor inte passar maskinen.
Detta program-baserade tillvägagångssätt hjälper till att minska risken för att välja en motor som antingen är underdimensionerad eller onödigt stor.
Checklista för beräkning av vridmoment för servomotor
Innan du väljer motor, se till att du vet:
- Kontinuerligt belastningsmoment
- Toppbelastningsmoment
- Accelerationsmoment
- Friktionsmoment
- Gravitationsmoment, om tillämpligt
- Belastningströghet
- Utväxling
- Överföringseffektivitet
- Normal drifthastighet
- Maximal hastighet
- Accelerationstid
- Retardationstid
- Arbetscykel
- Erforderlig positioneringsnoggrannhet
- Tillgänglig strömförsörjning
Om flera av dessa värden är okända är det bättre att samarbeta med motorleverantören innan du lägger en beställning istället för att välja en motor baserat på enbart effekt.
Vanliga frågor
Slutliga tankar
Att beräkna servomotorns vridmomentkrav är inte bara en fråga om att titta på lastens vikt.
En tillförlitlig beräkning måste ta hänsyn till hela rörelsesystemet:
Belastning + acceleration + friktion + gravitation + transmission + tröghet + arbetscykel
Motorn måste också ge det erforderliga vridmomentet vid det erforderliga varvtalet, inte bara uppfylla ett vridmoment som anges på en katalogsida.
Av denna anledning den bästaservomotorurvalsprocessen börjar med maskinens verkliga driftsförhållanden.
Beräkna det kontinuerliga vridmomentet.
Beräkna det maximala vridmomentet.
Kontrollera accelerationen.
Utvärdera lasttröghet.
Tänk på överföringsförluster.
Jämför sedan dessa krav med motorns vridmoment-hastighetsegenskaper och drivkompatibilitet.
För industriella OEM, tillhandahålla dessa uppgifter till en professionell leverantör som t.exAurickan göra motorvalet mycket mer exakt och hjälpa till att undvika de två vanligaste problemen i servoapplikationer: att välja en motor som är för liten eller att betala för en som är onödigt stor.
