Люфт у передачі та терті спокою
Усунення люфту та тертя спокою
Як компенсувати люфт, який може перешкодити системі працювати відповідно до проектної специфікації?
За визначенням, управління рухом включає переміщення навантаження від точки А в точку Б, за певний час і з деякою заданою точністю. Теоретично приводний механізм об'єднує двигун, привід, редуктор, енкодер і актуатор переміщатиме навантаження детерміновано – для цього достатньо лише визначити правильні параметри руху, і в результаті ви отримаєте правильну продуктивність. Проблема в тому, що система руху працює не в теорії, а в реальному світі, де вона схильна до таких ефектів як тертя і люфт. Ці ефекти можуть погіршити здатність системи позиціонувати навантаження у заданій точці, хоча проблема пов'язана з вимогами завдання. Давайте детальніше розглянемо ефекти та деякі доступні стратегії щодо зниження їхнього впливу.
Втрати руху
У звичайній системі руху пристрій зворотного зв'язку контролює обертання валу двигуна, віддаючи або значення абсолютне значення або імпульсний потік/сигнал, який може бути перетворений в положення валу (лінійні двигуни працюють аналогічно). Проблема в тому, що модель припускає, що будь-яке рух двигуна негайно і точно переходить в навантаження. Насправді, більшість систем включають певну затримку між моментом, коли мотор починає обертання і моментом коли обертання передається на навантаження (див. рис.1). Це призводить до певної просторової помилки між заданим положенням та дійсним положенням. Такий ефект відомий яклюфтабовільний хід, і вінє важливим фактором втрати руху у механізмах.
Хоча люфт, як правило, пов'язаний з механізмами редукторів, насправді є загальносистемним явищем, яке включає в себе майже всі компоненти системи, включаючи муфти, ремені і приводи. Редуктори можуть мати певний зазор між зубами, що зачіплюються, інакше вони не зможуть повертатися. Перед тим як приводний механізм зможе почати передавати обертання, шестерні повинні закрити цей зазор. Однак, якщо ці проміжки стають занадто великими, редуктор завдає втрати руху, який ми обговорювали вище. У разі з'єднань це може проявлятися у вигляді люфта до початку переміщення навантаження. Навіть один пристрій може створювати множинні вклади у загальний ефект мертвого ходу. Як подібний приклад розглянемо привід з кульковим ходовим гвинтом, так само очевидне даний компонент вносить люфт в систему, оскільки гайка входить у зачеплення з гвинтом, і це лише початок. Крім того, кульковий ходовий гвинт вносить додатковий люфт, коли деформуються кульки, згинається корпус або гвинт розтягується під навантаженням. Ми можемо кількісно оцінити люфт, розглядаючи кожен елемент системи як комбінацію демпфера та пружини, моделюючи ефект деталей як резонанс, що обурює ланцюг приводу. Чим більша жорсткість компонента, тим вище постійна пружина і швидше швидкість її реакції. Так, вал двигуна матиме більш високу постійну пружину, ніж редуктор.
Постійна пружина або коефіцієнт пружності відіграє важливу роль у визначенні швидкості реакції пристрою. "М'який" пристрій реагує повільніше, що означає, що система показує більшу кількість втраченого руху, ніж абсолютно жорстка конструкція. Також важливо мати на увазі, на якому боці редукторногомеханізму розташований компонент. Причому це справедливо як лінійних механізмів (кулькові ходові гвинти), так поворотних (редукторам) механізмів. Якщо з'єднання розташоване на вхідній стороні та призводить до механізму з редукційним співвідношенням, величина мертвого ходу на стороні входу буде зменшено відповідно до редукційного співвідношення. Наприклад, для редуктора з редукційним механізмом 10:1 мертвий хід, доданий зчепленням на вхідній стороні, буде зменшений у 10 разів, якщо спостерігати з боку виходу механізму.
Боротьба з люфтом - Як усунути люфт?
Після того як ми описали люфт на рівні системи, наступний крок – визначити чи вимагає конкретне застосування подальшого зменшення люфту. Якщо прийнятне грубе позиціонування, наприклад, у разі розміщення коробок у стеку, подальше збільшення точності, як правило, не потрібне. Якщо застосування вимагає точного позиціонування або швидкого часу відгуку, наприклад як робочий інструмент ЧПУ верстата, який повинен витримувати мілісекундні допуски за часом і тисячні дюйми при переміщенні, можуть знадобитися інші методи компенсації мертвого ходу щоб уникнути неякісної обробки поверхні.
Люфт може бути усунений механічним або електронним способом. Механічний підхід можна поділити на три підтипи. Загальним для всіх цих типів методом є попереднє навантаження компонентів, для того щоб вибрати люфт, таке навантаження може бути зроблено як безпосередньою механічною навантаженням, так і введенням в конструкцію навантажувальної пружинної системи. Велика кількість комерційно доступних редукторів з нульовим люфтом для нівелювання мертвого ходу використовують тиск від протилежного колеса в парі шестерної передачі, щобусунути зазори до включення системи (рис.2). У випадку системи із зубчастою рейкою застосовуються дві шестерні, що стоять на одній рейці, які можуть бути додатково пружні. Вал двигуна передаватиме рух на цю систему, і обертатиме шестерні. Наступний підхід можна розглядати як додатковий до першого, він полягає у використанні пристроїв з нульовим люфтом, побудованих з додатковою точністю для мінімізації зазорів. Третій підхід – це використання деяких видів зубчастих зачеплень, які власними силами мають нульовий люфт, таких як циклоїдне зубчасте зачеплення і напружена хвильова передача. Такий тип передачі зазвичай використовується в робототехніці, де необхідно швидке переміщення навантаження з точним позиціонуванням (див. рис.3).
Однак у будь-якого підходу є зворотний бік. Так, у разі попереднього навантаження може прискоритися знос деталі. Сучасні ЧПУ часто використовують додатковий двигун та програмне забезпечення для встановлення навантажувальної пружини, щоб створювати правильне попереднє навантаження на зачеплення. Попереднє навантаження також має розглядатися як частина загального значення навантаження на бюджет крутного моменту редуктора. Додавання попереднього навантаження (див. попереднє навантаження шарикопідшипників) зменшує та обмежує крутний момент, який може передавати редуктор. Найбільш важливі механічні рішення, як правило, уразливі для змін зносом і змінами умов навколишнього середовища. У разі коли коригування механічним способом неможливе, розробники звертаються до електронних методів зменшення коливань та нерівномірної роботи. Використовується один загальний підхід, заснований на використанні замкнутого контуру керування та вихідногоенкодер для роботи в контурі позиціонування (рис.4). Таку систему можна вдосконалити, налаштовуючи чутливість замкнутих контурів керування, щоб зменшити швидкість та прискорення машини. При наявності надмірного, мертвого ходу використання такого входу для переміщення навантаження може призвести до виникнення в системі коливань навколо фактичного положення, що може призвести до надмірного споживання потужності, зносу деталей, появи вібрацій і шуму. Ще однією проблемою в підході пов'язаному із застосуванням замкнутих контурів управління є те, що люфт зберігається і буде затримувати правильне позиціонування в будь-який час, коли навантаження зупиниться або змінить своє положення.
Альтернативним рішенням може стати аналіз системи для встановлення величини люфту та подальшої корекції шляхом введення поправки - додавання або віднімання невеликої кількості руху до кожної керуючої команди повороту осі (рис.5). По-перше, двигун працює з невеликим збільшенням на малій швидкості, а кількість руху, необхідне для переміщення навантаження, виходить шляхом порівняння цього значення з безпосередньо виміряним, для релевантності одержуваних даних їх збір повинен здійснюватися контуром позиціонування двигуна. Після такого тестування система повертається до робочого положення, при якому контур позиціонування замкнутий на енкодер.
Тертя спокою
Тертя спокою- це ще одне явище, яке може вплинути на точність передбачення позиціонування приводу. Будь-які дві поверхні, що знаходяться в місці контакту, характеризуються двома коефіцієнтами тертя: тертям спокою і тертям ковзання. У такому разі тертя спокою є утримуючою силою, яку потрібно подолати длящоб вісь почала рухатися. Оскільки швидкість навантаження зменшується до нуля, тертя спокою викликає додаткову силу, яка може зупинити рух до того, як навантаження досягне заданого положення або навіть призвести до крокового руху, якщо драйвер налаштований неправильно. Знову ж таки, сучасні технології можуть компенсувати цю проблему. Кожна вісь або компонент характеризується через напругу необхідну подолання тертя спокою. Коли вісь у спокої чи зупиняється, контролер змінює команди, що передаються драйвер, щоб забезпечити осі додатковий момент руху. Крім того, компенсація тертя може допомогти у зменшенні люфту, допомагаючи системі швидше компенсувати втрати руху після зупинки або реверсного руху. Тертя спокою змінюється повільно, тому його можна оцінити при інтеграції обладнання або вводі обладнання в експлуатацію, а потім щотижня або щомісяця проводити повторні калібрування техніки. Збільшення інтегрального посилення при налаштуванні ПІД контуру контролера може допомогти виявити люфт та тертя спокою. Це дуже ефективний підхід, але може вимагати реалізації багато часу, навіть при використанні спеціального програмного забезпечення для аналізу. Також важливо відзначити, що для м'яких осей (softer axes) не може бути встановлено високе інтегральне посилення. Тому такий підхід застосовується тільки в тому випадку, якщо інтегратор застосовується в контурі позиціонування і лише для деяких застосувань. Наприклад, цей метод рідко використовують у системах ЧПУ. Верстати ЧПУ, як правило, мають агресивно налаштований контур позиціонування, тому для ЧПУ неможливо збільшити інтегральне посилення. Коли ж справа доходить до компенсації тертя спокою, найбільш типовим підходом є компенсація, заснована на управлінніприскорення.
Ключем до управління люфтом та тертям спокою є розгляд проблеми із самого початку. Так люфт і тертя спокою не є суттєвою проблемою для застосувань, які працюють із постійною швидкістю та без необхідності точного позиціонування (достатня точність у кілька градусів або більше). Перш ніж вибрати компоненти, необхідно знайти якомога більше інформації про проблеми, такі як тертя спокою виходячи з використовуваного навантаження, матеріалів тощо. Завдяки поєднанню передового досвіду та сучасних технологій ви маєте можливість розробляти систему, яка повинна відповідати бюджету та забезпечувати продуктивність, яка вам потрібна.