El concepto de robot ya es muy amplio. Este artículo se centra en los servomotores para juntas robóticas utilizados en el sector de la automatización industrial y no cubre los servomotores integrados para robots de servicio.
Los robots industriales se clasifican en términos generales en robots lineales (también conocidos como robots cartesianos), robots de múltiples{0}}grados-de-libertad (también conocidos como robots de múltiples-articulaciones), robots paralelos (también conocidos como robots Delta) y robots horizontales de múltiples-articulaciones (también conocidos como robots SCARA). Una "célula de automatización" consta de varios tipos de brazos robóticos articulados y equipos de transporte automatizados. Se vinculan células de automatización con diferentes funciones para formar una línea de producción automatizada y se combinan varias líneas de producción automatizadas para crear un taller automatizado.
Entre estos robots industriales y unidades automatizadas, los servomotores desempeñan un papel fundamental en el posicionamiento preciso, rápido y confiable de estructuras mecánicas de acuerdo con comandos de control; por lo tanto, se consideran componentes centrales.
Conceptos básicos de los servomotores de imanes permanentes
"Servo" se refiere a la capacidad de ejecutar comandos desde un sistema informático de control sin desviaciones. Este concepto no se limita a motores eléctricos o hidráulicos; también abarca los sistemas neumáticos, y cualquier componente capaz de realizar esta tarea se considera un servocomponente.
Un motor eléctrico es un componente electromecánico que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Un servomotor es un motor eléctrico diseñado para usarse en sistemas de control de movimiento, donde sus parámetros de salida-como posición, velocidad, aceleración o torque-son controlables.
Los servomotores se pueden clasificar en diferentes tipos según sus especificaciones de control. Por tipo de fuente de alimentación, se dividen en servomotores de CA y servomotores de CC; Por modo de funcionamiento, se clasifican en servomotores lineales y servomotores rotativos. Los motores lineales generan directamente fuerza newtoniana, mientras que los motores rotativos generan un par de rotación. Para impulsar cargas lineales, los motores rotativos requieren mecanismos mecánicos, como tornillos de avance, para convertir el movimiento de rotación en movimiento lineal.
Los servomotores de CA giratorios se clasifican en servomotores asíncronos de CA y servomotores síncronos de CA según la estructura del rotor. El rotor de un servomotor asíncrono de CA consta de una jaula de aluminio o cobre, y la velocidad de rotación de la jaula siempre mantiene una cierta diferencia de velocidad en relación con el campo magnético giratorio sincrónico. Con la tecnología de control vectorial, este tipo de motor puede lograr características de control de par tan precisas como las de los motores de CC. Sin embargo, el rotor presenta una alta inercia, buenas características de potencia-constante y un amplio rango de velocidad, lo que lo hace adecuado para una amplia gama de cargas de inercia-variable, como aplicaciones de bobinado/desenrollado de máquinas herramienta de corte y maquinaria de impresión. Las desventajas son el bajo par de arranque y su velocidad de respuesta electromagnética es inferior a la de los servomotores de imanes permanentes. La constante de tiempo electromagnética es aproximadamente 10 veces mayor que la de los motores de imanes permanentes fabricados con materiales de imanes permanentes. Además, debido a la baja densidad de potencia y las grandes dimensiones del rotor, no son adecuados para aplicaciones de servo de alta-dinámica.
Los servomotores síncronos de CA rotativos utilizan materiales magnéticos permanentes para sus rotores, que generan directamente el campo magnético de excitación. No es necesaria una corriente de excitación para establecer el campo magnético del motor, lo que da como resultado una respuesta electromagnética rápida. Además, la alta densidad de energía de los materiales magnéticos permanentes-de tierras raras actuales permite una alta densidad de potencia en estos motores, lo que abre posibilidades para diseñar servomotores con diversas características de rendimiento. Se puede lograr una alta respuesta dinámica mediante un diseño delgado con baja inercia del rotor o un diseño compacto y robusto con alta inercia del rotor. El uso de materiales magnéticos permanentes-de tierras raras ha convertido a los motores de imanes permanentes en la opción preferida para aplicaciones servo. Sin embargo, los materiales de imanes permanentes-de tierras raras siguen siendo el componente más caro entre todos los materiales utilizados en los servomotores. Las diferencias en los materiales utilizados por distintos fabricantes dan como resultado diferentes niveles de calidad del producto. Es posible que los materiales magnéticos permanentes de alta-calidad no se desmagneticen incluso a temperaturas de funcionamiento superiores a 150 grados, mientras que los materiales inferiores pueden desmagnetizarse cuando la temperatura de funcionamiento del motor es inferior a 120 grados. La calidad de los materiales de los imanes permanentes determina directamente las diversas características del servomotor.
Los servomotores lineales generan directamente Newton-metros de fuerza sin requerir conversión mecánica, lo que permite una aceleración muy alta. En los últimos años, los rápidos avances tecnológicos han llevado a su uso generalizado en los ejes de avance de las máquinas herramienta de alto-rendimiento. Sin embargo, en los robots industriales, su aplicación se limita a ciertos brazos robóticos lineales y no es el tema central de este artículo. Este artículo se centra en los servomotores rotativos de imanes permanentes y sus aplicaciones en robots industriales.
Estructura de un motor de imán permanente giratorio
La Figura 1 muestra un diagrama estructural típico de un servomotor de imán permanente. Para proporcionar una descripción general completa, este diagrama único pretende ilustrar claramente toda la estructura de un servomotor de imán permanente. De hecho, los servomotores de imanes permanentes de baja-potencia nominal de 15 kW o menos pueden depender de la convección natural para la refrigeración, lo que elimina la necesidad de un ventilador de refrigeración. Estos motores son compactos y no requieren pies de montaje; Los anillos de instalación también son innecesarios. Reemplazar la caja de terminales con un conector de aviación para los cables da como resultado un diseño más limpio. En consecuencia, la apariencia del motor es la que se muestra en la Figura 2(a). Si el motor es muy pequeño-menos de 1 kW-incluso los conectores de aviación para los cables son innecesarios; en cambio, se puede extender un cable directamente desde el motor, lo que da como resultado la configuración que se muestra en la Figura 2(b).
Figura 1: Diagrama esquemático de un servomotor de imán permanente
Figura 2: Diagrama esquemático de un servomotor de imán permanente de baja-potencia
Esta sección supone que el lector comprende los principios de los motores eléctricos y se centra únicamente en explicar las diferencias estructurales entre los servomotores de imanes permanentes y otros tipos de motores basándose en las características de los motores robóticos.
Cojinetes: La vida útil de un servomotor está estrechamente ligada a sus cojinetes. Teniendo en cuenta los altos requisitos de fiabilidad y durabilidad de los robots, los rodamientos deben garantizar una vida útil de al menos 30.000 horas. Considerando una jornada laboral de 8 horas, esto se traduce en una vida útil del robot de al menos 10 años. Los rodamientos deben poder funcionar de forma intermitente a 6.000 rpm.
Laminaciones y devanados del estator: dado que los motores de los robots requieren una alta densidad de potencia, y para minimizar el tamaño y reducir la generación de calor por pérdida de hierro, el material de laminación debe ser-acero al silicio laminado en frío con un espesor de 0,35 mm o menos. Los devanados deben soportar una exposición-a largo plazo a pulsos portadores de frecuencia variable-de 16 kHz. Para evitar averías y soportar sobretensiones intensas de dv/dt, la clasificación de tensión soportada no debe ser inferior a 2500 V.
Material del imán permanente del rotor: El material del imán permanente es el componente más caro de un servomotor de imán permanente. Los materiales con bajo contenido de elementos de tierras raras tienen un punto de Curie bajo y una estabilidad material deficiente. Si se utilizan imanes de neodimio-hierro-boro (NdFeB), preferiblemente deben ser de grado UH42 o superior. Además, se debe prestar atención al contenido de tierras raras como el disprosio. Para garantizar la resistencia a la desmagnetización a altas-temperaturas, los imanes de samario-cobalto (SmCo) también se utilizan ampliamente en servomotores-pequeños y medianos. En resumen, es esencial garantizar que el servomotor siga siendo realmente resistente a la desmagnetización-en condiciones normales de funcionamiento. De lo contrario, no se puede garantizar la estabilidad-a largo plazo del robot.
Sellos de eje: para evitar que entren aceite y residuos en el motor y al mismo tiempo garantizar un funcionamiento suave, instalar un sello de eje en el extremo del eje del motor es una práctica de diseño estándar. En los robots, a menudo se fresa un pequeño engranaje en el eje del servomotor para conectar el motor directamente al reductor. Dado que las altas temperaturas y el aceite pueden ingresar al motor, se requieren sellos de eje con múltiples-labios de alta-temperatura. Por ejemplo, un sello de eje de caucho de fluorocarbono de doble-labio es más confiable que un sello de eje de caucho de nitrilo de un-labio, aunque la diferencia de costo es significativa.
Freno: un freno es una característica estándar para los motores de robots. Casi el 95% de los servomotores requieren un freno. Para garantizar que el freno se active en todo momento-especialmente durante paradas de emergencia-debe funcionar de manera confiable. El freno debe tener un factor de seguridad suficiente, con un par estático de aproximadamente 1,5 veces el par nominal del motor. Para motores de robot-de servicio pesado, el factor de seguridad del freno debe alcanzar 2,0 o incluso 2,5 veces el par nominal. Es importante tener en cuenta que el freno de un motor de robot es un freno de seguridad, no un freno de servicio. El sistema de control debe garantizar que, durante una parada de emergencia, el circuito de frenado del servoaccionamiento se active a través de una resistencia de frenado y el freno se active cuando la velocidad del motor se acerque a cero. Para mejorar la velocidad de respuesta, los frenos de imán permanente son superiores a los frenos de resorte electromagnéticos.
Codificador: El codificador está montado en el extremo trasero del motor y funciona como un sensor para la velocidad del motor y la posición del rotor. Mide la posición del rotor para proporcionar a la computadora de control datos sobre la posición y velocidad reales del rotor para el control del servo, el posicionamiento del campo magnético y el cálculo de la trayectoria del movimiento. Si bien los codificadores de motores de robots generalmente no ofrecen alta precisión, deben admitir la medición de posición absoluta de múltiples vueltas para garantizar que el motor pueda reanudar su funcionamiento desde la posición en la que se encontraba antes de un corte de energía. Actualmente, existen tres enfoques comunes para abordar los requisitos del codificador de motor de robot. El primer método utiliza un codificador óptico o magnético de código Gray para mediciones de una sola-vuelta y engranajes mecánicos para mediciones de múltiples-vueltas. La ventaja de este enfoque es la alta precisión de la medición; Después de un corte de energía, la posición operativa del motor se retiene a través de la posición mecánica del codificador y se puede leer directamente al encender-. Sin embargo, la desventaja es que el codificador es demasiado grueso, lo que lo hace excesivamente largo para espacios de instalación limitados. El segundo método utiliza un codificador de código Gray óptico o magnético para almacenar datos de un solo-giro, mientras que los datos de varios-giro se almacenan a través de una memoria electrónica-alimentada por batería. Esto permite que el codificador sea muy corto, lo que lo hace ideal para servomotores pequeños con un diámetro exterior inferior a 60 mm. El inconveniente es que la duración de la batería es relativamente corta-normalmente, de 2 a 3 años como máximo y, en algunos casos, es necesario reemplazar la batería después de solo un año. El tercer método utiliza un transformador giratorio para medir la posición de una sola-vuelta para aplicaciones con requisitos de baja precisión, mientras que la información de varias-vueltas es manejada por una placa de circuito alimentada por batería- dentro de la caja de control.
Extensión del eje del rotor: debido al funcionamiento frecuente hacia adelante y hacia atrás, el motor está sujeto a fuerzas cortantes; por lo tanto, el material del eje debe ser preferiblemente acero templado 42CrMo. Si el motor se instala con una chaveta, ésta debe estar completamente asentada para reducir efectivamente el equilibrio dinámico y el descentramiento del motor. A altas velocidades, la diferencia de descentramiento entre un servomotor con chaveta y un eje desnudo bajo operación sin carga puede ser hasta nueve veces mayor-un factor que no debe subestimarse.
Parámetros clave de transmisión de servomotores de imanes permanentes
Zona de operación: La región donde el motor puede operar continuamente sin exceder el aumento de temperatura permitido se llama zona de operación continua; la región fuera de la zona de operación continua donde-se permite la operación a corto plazo se denomina zona de operación intermitente. La zona de operación está representada por un plano coordenado bidimensional de par y velocidad.
Potencia nominal PN: La potencia máxima que el motor puede generar dentro de la zona de funcionamiento continuo.
Torque nominal MN: El torque al cual el motor entrega su potencia nominal dentro de la zona de operación continua. Las definiciones de par nominal varían significativamente entre los fabricantes. Generalmente se especifican las condiciones de disipación de calor correspondientes. A nivel internacional, es una práctica común especificar que esta clasificación se mide con el motor montado sobre una brida de aluminio de un área y espesor definidos, con la temperatura de la brida mantenida a 20 grados o por debajo de una temperatura especificada. Por lo tanto, en el funcionamiento real, los motores suelen montarse sobre componentes de hierro fundido y las temperaturas de verano pueden superar el estándar de prueba. Si no se permite ningún margen durante el funcionamiento, esto puede provocar sobrecalentamiento y desmagnetización. La condición estándar de temperatura ambiente de 40 grados especificada por el estándar nacional chino es relativamente razonable para el medio ambiente chino. Los fabricantes de renombre incluirán un cierto margen de diseño por debajo de los valores nominales determinados según la norma al publicar el par nominal, lo que es más seguro.
Corriente nominal IN: La corriente correspondiente al par nominal.
Velocidad nominal nN: La velocidad máxima a la que se permite que el motor funcione bajo el par nominal dentro del ciclo de trabajo continuo.
MO de par de rotor bloqueado-continuo: el par máximo que el motor puede entregar cuando está bloqueado en el ciclo de trabajo continuo. Generalmente, se considera que las velocidades inferiores a 100 rpm están dentro del rango operativo del rotor bloqueado-.
Corriente de rotor-bloqueado continuo I0: la corriente correspondiente al par del rotor-bloqueado continuo.
Peak Torque Mmax: El par máximo que el motor puede generar. Las condiciones nominales varían significativamente entre los diferentes fabricantes. Algunos especifican el par correspondiente a la corriente desmagnetizante; dichas especificaciones no deben utilizarse como par máximo. Los diseñadores mecánicos deben dejar un margen suficiente para evitar que el motor se desmagnetice y falle debido a un par de funcionamiento excesivo. Si el par máximo se especifica según el ciclo de trabajo, tiene un valor de referencia de ingeniería. El par máximo especificado según S3-10 % tiene el mayor valor de referencia de ingeniería; puede entenderse como el par de funcionamiento máximo permitido para un tiempo de funcionamiento continuo de 3 segundos, que es suficiente para los robots. La sobrecarga repetitiva para robots multiarticulares es generalmente de aproximadamente 2,0 veces.
Corriente pico Imax: La corriente de funcionamiento correspondiente al par máximo.
Constante de tiempo eléctrica Te: constante característica que representa la velocidad a la que la corriente responde a un voltaje aplicado. Se define como el tiempo necesario para que la corriente alcance 1 - e^(-1) (aproximadamente 63,2%) de la corriente final después de aplicar un voltaje fijo a través de los terminales del motor. La constante de tiempo eléctrica de un servomotor generalmente se especifica como la relación entre la inductancia del devanado del estator y su resistencia (Te=L/R). Está relacionado con el tiempo de respuesta de paso actual del servosistema pero no es necesariamente equivalente a él.
Constante de tiempo mecánica Tm: La constante de tiempo mecánica de un servomotor se define como: tm=R*J/Ke*Kt, es decir, está relacionada con la resistencia del devanado, el momento de inercia del rotor, el coeficiente de contra-EMF del motor y el coeficiente de par del motor. La constante de tiempo mecánica de un motor de accionamiento es aproximadamente equivalente al tiempo necesario para que el motor acelere desde velocidad cero hasta el 63,2 % de su velocidad en estado estacionario-sin-condiciones de carga. En un servosistema, esta constante puede ser numéricamente equivalente al tiempo de respuesta del paso del bucle de velocidad-del sistema.
Back-Constante Ke de FEM: el valor de FEM de retorno-sin-carga inducido por el motor a una velocidad unitaria. Por lo general, se refiere al EMF sin-retorno de carga- correspondiente a 1000 rpm, con unidades de V/krpm.
Constante de par Kt: Par de salida del motor correspondiente a una unidad de corriente. La relación entre el coeficiente Ke -EMF trasero del motor y el coeficiente de torsión Kt generalmente viene dada por Kt=9.55 * Ke * 1,732, donde Kt está en Nm/A, Ke está en V/rpm y Ke=Kt. Aquí, Ke se refiere a la línea back-EMF.
Si las especificaciones del motor no proporcionan los parámetros Kt y Ke, Kt se puede derivar del par y la corriente nominales. Luego, usando la relación Kt=9.55 * Ke * 1,732, el coeficiente Ke de FEM -se puede derivar indirectamente de la siguiente manera: Ke=0.1047 * Kt / 1,732, con unidades de V/rpm; Alternativamente: Ke=104.7 × Kt / 1,732, con unidades de V/krpm o mV/rpm.
Debido a las limitaciones de voltaje de la fuente de alimentación, la EMF trasera del motor generalmente está diseñada para ser relativamente baja para garantizar una alta capacidad de respuesta, lo que garantiza una caída de voltaje suficiente a altas velocidades para obtener la corriente adecuada. Sin embargo, la corriente alta aumenta la carga térmica del motor. En consecuencia, los motores de los robots requieren una alta densidad de potencia para lograr un tamaño compacto, un par elevado y una baja generación de calor.
Momento de inercia del rotor J: El momento de inercia del rotor del motor. El momento de inercia del motor de un robot es crítico, ya que afecta directamente a la estabilidad del funcionamiento del robot. Esto se debe a que los robots a menudo implican una coordinación de múltiples-ejes. Por ejemplo, el segundo eje de un robot articulado requiere un motor con una inercia significativa para adaptarse a los cambios sustanciales en la inercia de la carga que ocurren cuando el brazo se extiende y se retrae.
Par de torsión de ranura de diente-: cuando los devanados de un motor de imán permanente están en circuito abierto-, se genera un par periódico durante una revolución del motor debido a las ranuras en el núcleo de la armadura, que tienden a alinearse con posiciones de mínima resistencia magnética.
Capacidad de sobrecarga: La capacidad de un motor para entregar una potencia o par específico durante un período definido bajo condiciones específicas sin exceder la corriente máxima especificada. Normalmente, la relación entre la corriente máxima y la corriente nominal se denomina factor de sobrecarga de corriente, mientras que la relación entre el par máximo y el par nominal se denomina factor de sobrecarga de par. Generalmente, los motores de los robots deben garantizar una capacidad de sobrecarga de par de aproximadamente 3 veces.
Velocidad máxima nN: La velocidad más alta que el motor puede alcanzar durante el funcionamiento intermitente. Las definiciones de velocidad máxima varían significativamente entre los fabricantes de motores; Para los motores de robots, el valor proporcionado normalmente representa la velocidad más alta a la que es posible una operación repetible durante el uso real. A velocidad máxima, el par máximo correspondiente puede exceder el doble del par nominal, lo que garantiza una respuesta de aceleración en todo el rango de velocidades.