ระบบเซอร์โวในหุ่นยนต์อุตสาหกรรม

หุ่นยนต์อุตสาหกรรมมีส่วนประกอบหลักสี่ส่วน ได้แก่ ตัวเครื่อง เซอร์โว ตัวลดขนาด และตัวควบคุม โครงสร้างทั่วไปของระบบเซอร์โวไฟฟ้าของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมมีการควบคุมลูปปิด- สามแบบ ได้แก่ ลูปกระแส ลูปความเร็ว และลูปตำแหน่ง โดยทั่วไป สำหรับเซอร์โวไดรฟ์ AC การควบคุมตำแหน่ง การควบคุมความเร็ว การควบคุมแรงบิด และฟังก์ชันอื่นๆ สามารถทำได้ผ่านการตั้งค่าพารามิเตอร์ฟังก์ชันภายในด้วยตนเอง

ระบบเซอร์โว (เซอร์โวกลไกิซึม) หรือที่รู้จักในชื่อระบบต่อไปนี้ เป็นระบบควบคุมป้อนกลับที่ใช้ในการติดตามหรือสร้างกระบวนการอย่างแม่นยำ ระบบเซอร์โวทำให้ตำแหน่ง การวางแนว สถานะ และปริมาณที่ควบคุมเอาต์พุตอื่นๆ ของวัตถุสามารถเป็นไปตามเป้าหมายอินพุต (หรือค่าที่กำหนด) ของการเปลี่ยนแปลงใดๆ ในระบบควบคุมอัตโนมัติ

ระบบเซอร์โวเป็นผลิตภัณฑ์ที่พัฒนาขึ้นบนพื้นฐานของเทคโนโลยีการแปลงความถี่ และเป็นระบบควบคุมอัตโนมัติที่มีตำแหน่งหรือมุมทางกลเป็นวัตถุควบคุม นอกเหนือจากการควบคุมความเร็วและแรงบิดแล้ว ระบบเซอร์โวยังสามารถควบคุมตำแหน่งได้อย่างแม่นยำ รวดเร็ว และมีเสถียรภาพ

ระบบเซอร์โวแบบกว้างคือระบบควบคุมที่ติดตามหรือทำซ้ำกระบวนการที่กำหนดได้อย่างแม่นยำ และยังอาจเรียกว่าระบบผู้ติดตามอีกด้วย

ระบบเซอร์โวแบบแคบหรือที่เรียกว่าระบบติดตามตำแหน่ง ปริมาณควบคุม (ปริมาณเอาต์พุต) คือการกระจัดของเส้นหรือการกระจัดเชิงมุมของตำแหน่งเชิงพื้นที่ของเครื่องจักรที่โหลด เมื่อตำแหน่งของปริมาณที่กำหนด (ปริมาณอินพุต) สำหรับการเปลี่ยนแปลงใด ๆ งานหลักของระบบคือการทำให้ปริมาณเอาต์พุตอย่างรวดเร็วและแม่นยำทำซ้ำปริมาณการเปลี่ยนแปลงที่กำหนด

ระบบควบคุมเซอร์โวของเมคคาทรอนิกส์มีโครงสร้างและประเภทที่หลากหลาย แต่จากมุมมองของทฤษฎีการควบคุมอัตโนมัติในการวิเคราะห์ ระบบควบคุมเซอร์โวโดยทั่วไปประกอบด้วยตัวควบคุม วัตถุควบคุม ลิงค์ดำเนินการ ลิงค์การตรวจจับ ลิงค์เปรียบเทียบ และอีกห้าส่วน

1. ลิงค์เปรียบเทียบ

ลิงค์เปรียบเทียบคือสัญญาณคำสั่งอินพุตและการเปรียบเทียบสัญญาณตอบรับของระบบ เพื่อให้ได้ลิงค์สัญญาณเอาท์พุตและอินพุตส่วนเบี่ยงเบน โดยปกติจะใช้วงจรพิเศษหรือคอมพิวเตอร์

2. ผู้ควบคุม

ตัวควบคุมมักจะเป็นคอมพิวเตอร์หรือวงจรควบคุม PID (ตามสัดส่วน อินทิกรัล และดิฟเฟอเรนเชียล) ซึ่งมีหน้าที่หลักในการแปลงสัญญาณเบี่ยงเบนเอาต์พุตจากองค์ประกอบการเปรียบเทียบ เพื่อควบคุมองค์ประกอบผู้บริหารตามการดำเนินการที่ต้องการ

3. ลิงค์การดำเนินการ

บทบาทของการเชื่อมโยงผู้บริหารเป็นไปตามข้อกำหนดของสัญญาณควบคุม การป้อนพลังงานรูปแบบต่างๆ ลงในพลังงานกล ขับเคลื่อนการทำงานของวัตถุควบคุม ระบบเมคคาทรอนิกส์ในการใช้งานองค์ประกอบต่างๆ โดยทั่วไปหมายถึงมอเตอร์หรือกลไกเซอร์โวแบบไฮดรอลิกและนิวแมติกต่างๆ

4. วัตถุควบคุม

วัตถุควบคุมหมายถึงวัตถุที่จะควบคุม เช่น แขนกล หรือแท่นทำงานเชิงกล

5. การตรวจจับ

ลิงก์การตรวจจับหมายถึงเอาต์พุตที่สามารถวัดและแปลงเป็นลิงก์เปรียบเทียบที่จำเป็นสำหรับโครงร่างของอุปกรณ์ โดยทั่วไปรวมถึงเซ็นเซอร์และวงจรการแปลง

คุณสมบัติและฟังก์ชั่นของระบบเซอร์โว

ระบบเซอร์โวและระบบป้อนเครื่องมือกลทั่วไปมีความแตกต่างกันโดยพื้นฐาน โดยอาจขึ้นอยู่กับสัญญาณคำสั่งเพื่อควบคุมความเร็วและตำแหน่งของการเคลื่อนไหวของส่วนบริหารได้อย่างแม่นยำ ระบบเซอร์โวคือจุดเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์ CNC และเครื่องมือกล และเป็นส่วนประกอบสำคัญของระบบ CNC โดยมีลักษณะดังต่อไปนี้:

ต้องมีเซ็นเซอร์ที่มีความแม่นยำสูง-ซึ่งสามารถส่งสัญญาณไฟฟ้าสำหรับปริมาณเอาต์พุตได้อย่างแม่นยำ

เครื่องขยายสัญญาณเสียงและระบบควบคุมจะต้องสามารถพลิกกลับได้

ช่วงความเร็วที่กว้างเพียงพอและความเร็วต่ำ-ที่แข็งแกร่งเพียงพอพร้อมประสิทธิภาพการโหลด

ความสามารถในการตอบสนองที่รวดเร็วและความสามารถในการป้องกัน-การรบกวนที่แข็งแกร่ง

ประเภทของระบบเซอร์โว ตามหลักการควบคุม: ลูปเปิด- ลูปปิด- และลูปกึ่ง-ปิด-ในสามรูปแบบ

ตามธรรมชาติของปริมาณที่ต้องควบคุม: การกระจัด, ความเร็ว, แรงและแรงบิด และระบบเซอร์โวรูปแบบอื่น ๆ

ตามโหมดขับเคลื่อน: มีรูปแบบไดรฟ์เซอร์โวไฟฟ้า ไฮดรอลิก และนิวแมติก

ตามองค์ประกอบผู้บริหาร: มีเซอร์โวสเต็ปเปอร์มอเตอร์, เซอร์โวมอเตอร์ DC และเซอร์โวมอเตอร์ AC

แอคชูเอเตอร์ระบบเซอร์โว

1 ประเภทของแอคชูเอเตอร์และคุณลักษณะของมัน

(1) แอคชูเอเตอร์ไฟฟ้า

แอคทูเอเตอร์ไฟฟ้าประกอบด้วยเซอร์โวมอเตอร์กระแสตรง (DC) เซอร์โวมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) สเต็ปปิ้งมอเตอร์ และโซลินอยด์ ซึ่งเป็นแอคชูเอเตอร์ที่ใช้บ่อยที่สุด เซอร์โวมอเตอร์เป็นแอคทูเอเตอร์ที่ใช้บ่อยที่สุด นอกจากความต้องการการทำงานที่ราบรื่นแล้ว โดยทั่วไปแล้วยังต้องมีสมรรถนะไดนามิกที่ดี เหมาะสำหรับการใช้งานบ่อยและบำรุงรักษาง่าย

(2) แอคชูเอเตอร์ไฮดรอลิก

แอคทูเอเตอร์ไฮดรอลิกส่วนใหญ่ประกอบด้วยกระบอกสูบแบบลูกสูบ กระบอกหมุน มอเตอร์ไฮดรอลิก ฯลฯ ซึ่งกระบอกเป็นแบบธรรมดาที่สุด ในกรณีที่มีกำลังส่งออกเท่ากัน ส่วนประกอบไฮดรอลิกจะมีน้ำหนักเบา มีความเร็วที่ดี เป็นต้น

(3) ตัวกระตุ้นแบบนิวแมติก

แอคชูเอเตอร์แบบนิวแมติกนอกเหนือจากอากาศอัดเป็นตัวกลางในการทำงาน และแอคชูเอเตอร์แบบไฮดรอลิกก็ไม่แตกต่างกัน ไดรฟ์แบบนิวแมติกสามารถรับแรงผลักดัน จังหวะ และความเร็วที่มากขึ้น แต่เนื่องจากความหนืดของอากาศต่ำ ความสามารถในการอัดได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้ในข้อกำหนดความแม่นยำของตำแหน่งในโอกาสสูงได้

ความแตกต่างระหว่างทั้งสามประเภท

2. มอเตอร์ควบคุมที่ใช้กันทั่วไป

มอเตอร์ควบคุมเป็นส่วนประกอบกำลังของระบบควบคุมเซอร์โวไฟฟ้า เป็นอุปกรณ์แปลงพลังงานที่แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล มอเตอร์ควบคุมที่ใช้กันทั่วไปในผลิตภัณฑ์เมคคาทรอนิกส์คือเซอร์โวมอเตอร์ที่สามารถให้การเคลื่อนไหวที่ถูกต้องหรือการทำงานที่ซับซ้อนมากขึ้น

มีมอเตอร์ขับเคลื่อนแบบหมุนและเชิงเส้นสำหรับการควบคุม ซึ่งควบคุมโดยแรงดันไฟฟ้า กระแส และความถี่ (รวมถึงพัลส์คำสั่ง) เพื่อให้ทราบถึง-ความเร็วคงที่ ตัวแปร- ของไดรฟ์ความเร็ว หรือไดรฟ์แบบเพิ่มหน่วยที่มีการสตาร์ทและหยุดซ้ำๆ เช่นเดียวกับไดรฟ์ที่ซับซ้อน และความแม่นยำของไดรฟ์จะแตกต่างกันไปตามวัตถุของไดรฟ์

(1) เซอร์โวไดรฟ์มอเตอร์โดยทั่วไปหมายถึง: สเต็ปปิ้งมอเตอร์ (สเต็ปปิ้งมอเตอร์), เซอร์โวมอเตอร์กระแสตรง (DC เซอร์โวมอเตอร์), เซอร์โวมอเตอร์ AC (AC เซอร์โวมอเตอร์)

(2) วิธีการควบคุมมอเตอร์ควบคุมเซอร์โวที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่: การควบคุมลูปเปิด-, การควบคุมลูปแบบกึ่ง-แบบปิด-, การควบคุม-แบบลูปปิด 3 แบบ

ระบบขับเคลื่อนแบบวงปิด-พร้อมลิงก์ป้อนกลับตำแหน่ง (หรือความเร็ว) ระบบลูปเปิด-ไม่มีลิงก์ตอบกลับตำแหน่งและความเร็ว

ก ระบบ CNC แบบวงเปิด-ไม่มีอุปกรณ์วัดตำแหน่ง การไหลของสัญญาณเป็นทิศทางเดียว (อุปกรณ์ CNC → ระบบป้อน) ดังนั้นความเสถียรของระบบจึงดี

หากไม่มีการป้อนกลับตำแหน่ง ความแม่นยำจะไม่สูงเมื่อเทียบกับระบบลูปปิด- และความแม่นยำของมันขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพและความแม่นยำของระบบขับเคลื่อนเซอร์โวและกลไกการส่งกำลังทางกลเป็นหลัก โดยทั่วไปจะใช้สเต็ปปิ้งมอเตอร์กำลังเป็นองค์ประกอบขับเคลื่อนเซอร์โว

ระบบชนิดนี้มีข้อดีของโครงสร้างที่เรียบง่าย การทำงานที่มั่นคง การแก้จุดบกพร่องง่าย การบำรุงรักษาง่าย ราคาต่ำ ฯลฯ ในความต้องการความแม่นยำและความเร็วไม่สูง แรงบิดในการขับขี่ไม่ใหญ่ มีโอกาสใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยทั่วไปใช้สำหรับเครื่องมือเครื่อง CNC แบบประหยัด

b, กึ่ง-ปิด-ระบบซีเอ็นซีแบบลูป กึ่ง-ปิด-จุดสุ่มตัวอย่างตำแหน่งระบบซีเอ็นซีแบบลูปดังแสดงในรูป จากไดรฟ์ (เซอร์โวมอเตอร์ที่ใช้กันทั่วไป) หรือตะกั่วสกรู การตรวจจับมุมการหมุนตัวอย่าง ไม่ได้ตรวจจับตำแหน่งจริงของชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวโดยตรง

Semi-วงรอบปิดไม่รวมหรือรวมลิงค์เกียร์กลไกจำนวนเล็กน้อยเท่านั้น ดังนั้นคุณจึงสามารถได้รับประสิทธิภาพการควบคุมที่เสถียร ความเสถียรของระบบไม่ดีเท่ากับระบบวงรอบเปิด แต่ดีกว่าวงรอบปิด เนื่องจากข้อผิดพลาดของสกรูและข้อผิดพลาดในการเคลื่อนที่ที่เกิดจากช่องว่างเกียร์จึงเป็นเรื่องยากที่จะกำจัด ดังนั้นความแม่นยำจึงแย่กว่าวงปิดและดีกว่าวงเปิด อย่างไรก็ตาม ข้อผิดพลาดดังกล่าวสามารถชดเชยได้ และยังคงได้รับความแม่นยำที่น่าพอใจ

โครงสร้างระบบซีเอ็นซีแบบกึ่ง-ปิด-นั้นเรียบง่าย แก้จุดบกพร่องได้ง่าย และมีความแม่นยำสูง จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องมือกลซีเอ็นซีสมัยใหม่

c, ระบบควบคุมเชิงตัวเลขแบบลูปปิดแบบเต็ม- จุดสุ่มตัวอย่างตำแหน่งระบบควบคุมเชิงตัวเลขแบบลูปปิดเต็มรูปแบบดังแสดงในรูปของเส้นประ บนตำแหน่งจริงของการตรวจจับชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวโดยตรง

ตามทฤษฎีแล้ว จะสามารถกำจัดข้อผิดพลาด การกวาดล้าง และการสูญเสียการเคลื่อนไหวของไดรฟ์และลิงค์เกียร์ทั้งหมดได้ มีความแม่นยำในการควบคุมตำแหน่งสูง เนื่องจากคุณลักษณะการเสียดสี ความแข็งแกร่ง และระยะห่างของตัวส่งกำลังเชิงกลจำนวนมากภายในลูปตำแหน่งนั้นไม่เป็นเชิงเส้น จึงเป็นเรื่องง่ายที่จะทำให้เกิดความไม่เสถียรของระบบ ทำให้การออกแบบ การติดตั้ง และการทดสอบการใช้งานระบบลูปปิด-ค่อนข้างยาก

ระบบนี้ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับเครื่องคว้านและงานกัด เครื่องกลึง-ความแม่นยำสูงพิเศษ เครื่องเจียรที่มีความแม่นยำพิเศษ- และเครื่องมือเครื่อง CNC ขนาดใหญ่ที่มีความต้องการความแม่นยำสูง

ระบบเซอร์โวสำหรับหุ่นยนต์

โดยทั่วไปแล้ว ด้วยระบบเซอร์โวของหุ่นยนต์ เราหมายถึงระบบเซอร์โวที่มีความแม่นยำซึ่งใช้สำหรับการควบคุมการเคลื่อนที่หลาย-แกน ระบบควบคุมการเคลื่อนที่แบบหลาย-แกนประกอบด้วยตัวควบคุมการเคลื่อนไหวระดับสูง-และเซอร์โวไดรฟ์ลำดับต่ำ- ตัวควบคุมการเคลื่อนไหวมีหน้าที่รับผิดชอบในการถอดรหัสคำสั่งควบคุมการเคลื่อนไหว การเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของแกนควบคุมตำแหน่งต่างๆ การควบคุมรูปร่างการเร่งความเร็วและการชะลอตัว ฯลฯ และบทบาทหลักคือการลดข้อผิดพลาดของเส้นทางการควบคุมการเคลื่อนไหวของระบบโดยรวม เซอร์โวไดรฟ์มีหน้าที่ควบคุมตำแหน่งของเซอร์โวมอเตอร์ และบทบาทหลักของมันคือการลดแกนเซอร์โวของข้อผิดพลาดในการติดตาม เซอร์โวไดรฟ์มีหน้าที่ควบคุมตำแหน่งเซอร์โวมอเตอร์ และบทบาทหลักคือลดข้อผิดพลาดที่ตามมาของแกนเซอร์โว

ระบบเซอร์โวของหุ่นยนต์ประกอบด้วยเซอร์โวมอเตอร์ เซอร์โวไดรฟ์ กลไกการสั่งการของส่วนประกอบหลักสามส่วน เซอร์โวมอเตอร์เป็นตัวกระตุ้น ที่ต้องอาศัยมันเพื่อให้ทราบถึงการเคลื่อนไหว เซอร์โวไดรฟ์คือแหล่งจ่ายไฟของเซอร์โวมอเตอร์ กลไกคำสั่งคือส่งพัลส์หรือให้ความเร็วที่ใช้ในการร่วมมือกับเซอร์โวไดรฟ์เพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง

หุ่นยนต์ที่มีความต้องการเซอร์โวมอเตอร์มากกว่าอีกสองส่วนจะมีค่าสูง ประการแรก เซอร์โวมอเตอร์จะต้องมีการตอบสนองที่รวดเร็ว มอเตอร์จากสัญญาณคำสั่งเพื่อให้คำสั่งที่จำเป็นตามสถานะการทำงานของเวลาควรสั้น การตอบสนองต่อสัญญาณคำสั่งยิ่งเวลาที่สั้นลง ความไวของระบบเซอร์โวไฟฟ้าก็จะยิ่งสูงขึ้น ประสิทธิภาพการตอบสนองที่รวดเร็วก็จะยิ่งดีขึ้น โดยทั่วไปจะเป็นไปตามค่าคงที่เวลาคงที่ของระบบเครื่องกลไฟฟ้าของเซอร์โวมอเตอร์ซึ่งมีขนาดของเซอร์โวมอเตอร์เพื่อแสดงประสิทธิภาพของการตอบสนองที่รวดเร็ว ประการที่สอง อัตราส่วนความเฉื่อยของแรงบิดเริ่มต้นของเซอร์โวมอเตอร์ควรมีขนาดใหญ่ ในกรณีของการขับโหลด เซอร์โวมอเตอร์ของหุ่นยนต์จำเป็นต้องมีแรงบิดเริ่มต้นที่สูงและมีโมเมนต์ความเฉื่อยเพียงเล็กน้อย ในที่สุด เซอร์โวมอเตอร์ควรมีความต่อเนื่องและเป็นเชิงเส้นของลักษณะการควบคุม เมื่อการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณควบคุม ความเร็วของมอเตอร์สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างต่อเนื่อง และบางครั้งความเร็วก็จำเป็นต้องเป็นสัดส่วนหรือประมาณสัดส่วนกับสัญญาณควบคุมด้วย

แน่นอนว่า เพื่อให้เข้ากับรูปร่างของหุ่นยนต์ เซอร์โวมอเตอร์จะต้องมีขนาดเล็ก มวลน้อย และมีขนาดตามแนวแกนสั้น นอกจากนี้ยังทนทานต่อสภาวะการทำงานที่รุนแรง สามารถเดินหน้าและถอยหลังบ่อยมาก ตลอดจนการเร่งความเร็วและการชะลอตัว และสามารถทนต่อการโอเวอร์โหลดได้หลายครั้งในช่วงเวลาสั้น ๆ

เซอร์โวไดรฟ์เป็นเซอร์โวมอเตอร์ที่สามารถใช้ในการสร้างแรงบิดและแรง ทั้งโดยตรงหรือโดยอ้อมขับเคลื่อนตัวหุ่นยนต์เพื่อให้ได้ตัวกระตุ้นการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ที่หลากหลาย โดยมีโมเมนต์แรงบิดสูงที่มีอัตราส่วนความเฉื่อย ไม่มีแปรงและประกายไฟสับเปลี่ยน และข้อดีอื่น ๆ ในหุ่นยนต์มีการใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้น