מנוע סרבו סיבובי עם הנעה ישירה לעומת מנוע סרבו סיבובי עם גיר: כימות של יתרון עיצובי: חלק 1

יעדי למידה

• מערכות סרוו סיבוביות בעולם האמיתי אינן עומדות בביצועים האידיאליים עקב מגבלות טכניות.
• מספר סוגים של מנועי סרבו סיבוביים יכולים לספק יתרונות למשתמשים, אך לכל אחד מהם אתגר או מגבלה ספציפיים.
• מנועי סרבו סיבוביים בעלי הנעה ישירה מציעים את הביצועים הטובים ביותר, אך הם יקרים יותר ממנועי גיר.

במשך עשרות שנים, מנועי סרוו עם גיר היו אחד הכלים הנפוצים ביותר בארגז הכלים של אוטומציה תעשייתית. מנועי סרוו עם גיר מציעים יישומים של מיקום, התאמת מהירות, זיזים אלקטרוניים, ליפוף, מתיחה והידוק, ומתאימים ביעילות את עוצמתו של מנוע סרוו לעומס. זה מעלה את השאלה: האם מנוע סרוו עם גיר הוא האפשרות הטובה ביותר לטכנולוגיית תנועה סיבובית, או שמא יש פתרון טוב יותר?

בעולם מושלם, למערכת סרוו סיבובית יהיו דירוגי מומנט ומהירות התואמים את היישום, כך שהמנוע לא יהיה גדול מדי וגם לא קטן מדי. השילוב של המנוע, רכיבי ההילוכים והעומס צריך להיות בעל קשיחות פיתול אינסופית ואפס חופש פעולה. לרוע המזל, מערכות סרוו סיבוביות בעולם האמיתי אינן עומדות באידיאל זה במידה שונה.

במערכת סרוו טיפוסית, תנועה אחורית מוגדרת כאובדן תנועה בין המנוע לעומס הנגרם על ידי הסבולות המכניות של רכיבי ההילוכים; זה כולל כל אובדן תנועה בתיבות הילוכים, רצועות, שרשראות וצימודים. כאשר מכונה מופעלת לראשונה, העומס יצוף איפשהו באמצע הסבולות המכניות (איור 1A).

לפני שהמנוע יכול להזיז את המטען עצמו, עליו להסתובב כדי לספוג את כל המרווח הקיים ברכיבי תיבת ההילוכים (איור 1B). כאשר המנוע מתחיל להאט בסוף תנועה, מיקום המטען עלול למעשה לעקוף את מיקום המנוע כאשר התנע נושא את המטען מעבר למיקום המנוע.

המנוע חייב שוב לתפוס את המרווח בכיוון ההפוך לפני הפעלת מומנט על העומס כדי להאט אותו (איור 1C). אובדן תנועה זה נקרא חופש תנועה, ונמדד בדרך כלל בדקות קשת, השווה ל-1/60 מעלה. תיבות הילוכים המיועדות לשימוש עם סרוו ביישומים תעשייתיים לרוב כוללות מפרט חופש תנועה הנעים בין 3 ל-9 דקות קשת.

קשיחות פיתול היא ההתנגדות לסיבוב של ציר המנוע, רכיבי תיבת ההילוכים והעומס בתגובה להפעלת מומנט. מערכת קשיחה אינסופית תעביר מומנט לעומס ללא סטייה זוויתית סביב ציר הסיבוב; עם זאת, אפילו ציר פלדה מוצק יתפתל מעט תחת עומס כבד. גודל הסטייה משתנה בהתאם למומנט המופעל, לחומר רכיבי תיבת ההילוכים ולצורתם; באופן אינטואיטיבי, חלקים ארוכים ודקים יתפתלו יותר מחלקים קצרים ועבים. התנגדות זו לפיתול היא מה שגורמת לקפיצי סליל לעבוד, שכן דחיסת הקפיץ מסובבת מעט כל סיבוב של החוט; חוט עבה יותר יוצר קפיץ נוקשה יותר. כל דבר פחות מקשיחות פיתול אינסופית גורם למערכת לפעול כקפיץ, כלומר אנרגיה פוטנציאלית תאוחסן במערכת כאשר העומס מתנגד לסיבוב.

כאשר משולבים יחד, קשיחות פיתול סופית ומשחק אחורי יכולות לפגוע משמעותית בביצועי מערכת סרוו. משחק אחורי יכול ליצור אי ודאות, מכיוון שמקודד המנוע מציין את מיקום ציר המנוע, ולא היכן המשחק האחורי אפשר לעומס להתיישב. משחק אחורי גורם גם לבעיות כוונון כאשר העומס מצמד ומתנתק מהמנוע לזמן קצר כאשר העומס והמנוע מתהפכים כיוונון יחסי. בנוסף למשחק אחורי, קשיחות פיתול סופית אוגרת אנרגיה על ידי המרת חלק מהאנרגיה הקינטית של המנוע והעומס לאנרגיה פוטנציאלית, ומשחררת אותה מאוחר יותר. שחרור אנרגיה מושהה זה גורם לתנודות עומס, גורם לתהודה, מפחית את רווחי הכוונון המרביים הניתנים לשימוש ומשפיע לרעה על התגובה וזמן ההתיישבות של מערכת הסרוו. בכל המקרים, הפחתת משחק אחורי והגברת קשיחות המערכת יגדילו את ביצועי הסרוו ויפשטו את הכוונון.

תצורות סרוו-מנוע ציר סיבובי

תצורת הציר הסיבובי הנפוצה ביותר היא מנוע סרבו סיבובי עם מקודד מובנה למשוב מיקום ותיבת הילוכים להתאמת המומנט והמהירות הזמינים של המנוע למומנט ולמהירות הנדרשים של העומס. תיבת ההילוכים היא התקן בעל הספק קבוע שהוא האנלוג המכני של שנאי להתאמת עומס.

תצורת חומרה משופרת משתמשת במנוע סרבו סיבובי בעל הנעה ישירה, אשר מבטל את רכיבי ההילוכים על ידי צימוד ישיר של העומס למנוע. בעוד שתצורת מנוע ההילוכים משתמשת בצימוד לפיר בקוטר קטן יחסית, מערכת ההנעה הישירה מחברת את העומס ישירות לאוגן הרוטור גדול בהרבה. תצורה זו מבטלת חופש פעולה ומגדילה מאוד את קשיחות הפיתול. מספר הקטבים הגבוה יותר ופיתולי המומנט הגבוהים של מנועי הנעה ישירה תואמים את מאפייני המומנט והמהירות של מנוע גיר ביחס של 10:1 ומעלה.