O conceito de robôs já é muito amplo. Este artigo concentra-se em servomotores para juntas robóticas utilizadas no setor de automação industrial e não cobre servomotores integrados para robôs de serviço.
Os robôs industriais são amplamente classificados em robôs lineares (também conhecidos como robôs cartesianos), robôs com vários-graus-de-liberdade (também conhecidos como robôs multi{3}}articulares), robôs paralelos (também conhecidos como robôs Delta) e robôs horizontais multi{4}}articulares (também conhecidos como robôs SCARA). Uma “célula de automação” consiste em vários tipos de braços robóticos articulados e equipamentos de transporte automatizados. Células de automação com diferentes funções são interligadas para formar uma linha de produção automatizada, e múltiplas linhas de produção automatizadas são combinadas para criar uma oficina automatizada.
Entre esses robôs industriais e unidades automatizadas, os servomotores desempenham um papel crítico no posicionamento preciso, rápido e confiável de estruturas mecânicas de acordo com comandos de controle; portanto, eles são considerados componentes essenciais.
Conceitos básicos de servomotores de ímã permanente
"Servo" refere-se à capacidade de executar comandos de um sistema de controle de computador sem desvio. Este conceito não se limita a motores elétricos ou hidráulicos; abrange também sistemas pneumáticos, e qualquer componente capaz de realizar esta tarefa é considerado um servocomponente.
Um motor elétrico é um componente eletromecânico que converte energia elétrica em energia mecânica. Um servo motor é um motor elétrico projetado para uso em sistemas de controle de movimento, onde seus parâmetros de saída-como posição, velocidade, aceleração ou torque-são controláveis.
Os servomotores podem ser classificados em diferentes tipos com base em suas especificações de controle. Por tipo de fonte de alimentação, eles são divididos em servomotores CA e servomotores CC; de acordo com o modo de operação, eles são categorizados em servo motores lineares e servo motores rotativos. Os motores lineares geram diretamente a força newtoniana, enquanto os motores rotativos geram torque rotacional. Para acionar cargas lineares, os motores rotativos requerem mecanismos mecânicos, como parafusos de avanço, para converter o movimento rotacional em movimento linear.
Os servomotores CA rotativos são classificados em servomotores assíncronos CA e servomotores síncronos CA com base na estrutura do rotor. O rotor de um servo motor assíncrono CA consiste em uma gaiola de alumínio ou cobre, e a velocidade de rotação da gaiola sempre mantém uma certa diferença de velocidade em relação ao campo magnético giratório síncrono. Sob a tecnologia de controle vetorial, este tipo de motor pode atingir características de controle de torque tão precisas quanto as dos motores CC. No entanto, o rotor apresenta alta inércia, boas características de potência-constante e uma ampla faixa de velocidade, tornando-o adequado para uma ampla gama de cargas de-inércia variável, como corte de máquinas-ferramenta e aplicações de enrolamento/desbobinamento de máquinas de impressão. As desvantagens são o baixo torque de partida e sua velocidade de resposta eletromagnética é inferior à dos servomotores de ímã permanente. A constante de tempo eletromagnética é aproximadamente 10 vezes maior que a dos motores de ímã permanente feitos de materiais de ímã permanente. Além disso, devido à baixa densidade de potência e às grandes dimensões do rotor, eles não são adequados para aplicações servo-de alta dinâmica.
Os servomotores síncronos CA rotativos usam materiais de ímã permanente em seus rotores, que geram diretamente o campo magnético de excitação. Não há necessidade de corrente de excitação para estabelecer o campo magnético do motor, resultando em uma resposta eletromagnética rápida. Além disso, a alta densidade de energia dos atuais materiais magnéticos permanentes de terras raras- permite alta densidade de potência nesses motores, abrindo possibilidades para projetar servomotores com diversas características de desempenho. A alta resposta dinâmica pode ser alcançada através de um design delgado com baixa inércia do rotor ou de um design compacto e robusto com alta inércia do rotor. O uso de materiais de ímã permanente de terras raras- estabeleceu os motores de ímã permanente como a escolha preferida para aplicações servo. No entanto, materiais magnéticos permanentes de terras raras-continuam sendo o componente mais caro entre todos os materiais usados em servomotores. As diferenças nos materiais utilizados pelos vários fabricantes resultam em níveis variados de qualidade do produto. Materiais magnéticos permanentes-de alta qualidade podem não desmagnetizar mesmo em temperaturas operacionais acima de 150 graus , enquanto materiais inferiores podem desmagnetizar quando a temperatura operacional do motor estiver abaixo de 120 graus . A qualidade dos materiais do ímã permanente determina diretamente as diversas características do servo motor.
Os servomotores lineares produzem diretamente Newton-metros de força sem exigir conversão mecânica, permitindo uma aceleração muito alta. Nos últimos anos, os rápidos avanços tecnológicos levaram ao seu uso generalizado nos eixos de alimentação de máquinas-ferramentas de alto-desempenho. Em robôs industriais, entretanto, sua aplicação é limitada a determinados braços robóticos lineares e não é o foco deste artigo. Este artigo enfoca servomotores rotativos de ímã permanente e suas aplicações em robôs industriais.
Estrutura de um motor giratório de ímã permanente
A Figura 1 mostra um diagrama estrutural típico de um servo motor de ímã permanente. Para fornecer uma visão geral abrangente, este diagrama único pretende ilustrar claramente toda a estrutura de um servo motor de ímã permanente. Na verdade, servomotores de ímã permanente de baixa-potência avaliados em 15 kW ou menos podem contar com convecção natural para resfriamento, eliminando a necessidade de um ventilador de resfriamento. Esses motores são compactos e não necessitam de pés de montagem; anéis de instalação também são desnecessários. Substituir a caixa de terminais por um conector de aviação para os fios resulta em um design mais limpo. Consequentemente, a aparência do motor fica como mostrada na Figura 2 (a). Se o motor for muito pequeno-menos de 1 kW-até mesmo os conectores de aviação para os fios condutores serão desnecessários; em vez disso, um cabo pode ser estendido diretamente do motor, resultando na configuração mostrada na Figura 2(b).
Figura 1: Diagrama esquemático de um servo motor de ímã permanente
Figura 2: Diagrama esquemático de um servo motor de ímã permanente de baixa potência-
Esta seção pressupõe que o leitor compreende os princípios dos motores elétricos e se concentra apenas em explicar as diferenças estruturais entre servomotores de ímã permanente e outros tipos de motores com base nas características dos motores robóticos.
Rolamentos: A vida útil de um servo motor está intimamente ligada aos seus rolamentos. Dados os requisitos de alta confiabilidade e durabilidade dos robôs, os rolamentos devem garantir uma vida útil de pelo menos 30.000 horas. Com base em uma jornada de trabalho de 8 horas, isso se traduz em uma vida útil do robô de pelo menos 10 anos. Os rolamentos devem ser capazes de operação intermitente a 6.000 rpm.
Laminações e enrolamentos do estator: como os motores do robô exigem alta densidade de potência e para minimizar o tamanho e reduzir a geração de calor pela perda de ferro, o material de laminação deve ser aço silício-laminado a frio com espessura de 0,35 mm ou menos. Os enrolamentos devem resistir à exposição-de longo prazo a pulsos portadores de frequência-variável de 16 kHz. Para evitar quebras e suportar picos intensos de dv/dt, a classificação de tensão suportável não deve ser inferior a 2.500 V.
Material de ímã permanente do rotor: O material de ímã permanente é o componente mais caro em um servo motor de ímã permanente. Materiais com baixo teor de elementos de terras raras têm um ponto Curie baixo e baixa estabilidade do material. Se forem usados ímãs de neodímio-ferro-boro (NdFeB), eles deverão ser preferencialmente de grau UH42 ou superior. Além disso, deve-se prestar atenção ao conteúdo de elementos de terras raras, como o disprósio. Para garantir resistência à desmagnetização em altas-temperaturas, os ímãs de-samário{8}}cobalto (SmCo) também são amplamente usados em servomotores-de pequeno e médio porte. Em resumo, é essencial garantir que o servo motor permaneça realmente resistente à desmagnetização-em condições normais de operação. Caso contrário, a estabilidade-do robô a longo prazo não poderá ser garantida.
Vedações do eixo: Para evitar a entrada de óleo e detritos no motor e, ao mesmo tempo, garantir uma operação suave, a instalação de uma vedação do eixo na extremidade do eixo do motor é uma prática padrão de projeto. Nos robôs, uma pequena engrenagem é frequentemente fresada no eixo do servo motor para conectar o motor diretamente ao redutor. Como altas temperaturas e óleo podem entrar no motor, são necessárias vedações de eixo multi{2}}lábios para alta-temperatura. Por exemplo, uma vedação de eixo de borracha de fluorocarbono de lábio duplo é mais confiável do que uma vedação de eixo de borracha nitrílica de lábio único, embora a diferença de custo seja significativa.
Freio: Um freio é um recurso padrão para motores de robô. Quase 95% dos servomotores necessitam de freio. Para garantir que o freio seja sempre acionado-especialmente durante paradas de emergência-ele deve funcionar de maneira confiável. O freio deve ter fator de segurança suficiente, com torque estático de aproximadamente 1,5 vezes o torque nominal do motor. Para motores robóticos-para serviços pesados, o fator de segurança do freio deve atingir 2,0 ou até 2,5 vezes o torque nominal. É importante observar que o freio do motor do robô é um freio de segurança e não um freio de serviço. O sistema de controle deve garantir que, durante uma parada de emergência, o circuito de frenagem do servoconversor seja ativado através de um resistor de frenagem, e o freio seja acionado quando a velocidade do motor se aproximar de zero. Para melhorar a velocidade de resposta, os freios de ímã permanente são superiores aos freios de mola eletromagnéticos.
Encoder: O codificador é montado na extremidade traseira do motor e funciona como um sensor de velocidade do motor e posição do rotor. Ele mede a posição do rotor para fornecer ao computador de controle dados sobre a posição e velocidade reais do rotor para controle de servo, posicionamento de campo magnético e cálculo de trajetória de movimento. Embora os codificadores de motores de robôs geralmente não ofereçam alta precisão, eles devem suportar a medição de posição absoluta multi{2}voltas para garantir que o motor possa retomar a operação a partir da posição em que estava antes da falha de energia. Atualmente, existem três abordagens comuns para atender aos requisitos do codificador do motor do robô. O primeiro método usa um codificador óptico ou magnético de código Gray para medição de-volta única e engrenagens mecânicas para medição de-voltas múltiplas. A vantagem desta abordagem é a alta precisão da medição; após uma queda de energia, a posição operacional do motor é mantida através da posição mecânica do codificador e pode ser lida diretamente na inicialização-. Contudo, a desvantagem é que o codificador é muito grosso, tornando-o excessivamente longo para espaços de instalação limitados. O segundo método usa um codificador de código Gray óptico ou magnético para armazenar dados de-voltas únicas, enquanto os dados de-voltas múltiplas são armazenados por meio de uma memória eletrônica-alimentada por bateria. Isso permite que o encoder seja muito curto, tornando-o ideal para servomotores pequenos com diâmetro externo inferior a 60 mm. A desvantagem é que a vida útil da bateria é relativamente curta-normalmente de 2 a 3 anos no máximo e, em alguns casos, a bateria precisa ser substituída após apenas um ano. O terceiro método usa um transformador rotativo para medir a posição de uma{21}}volta para aplicações com requisitos de baixa precisão, enquanto as informações de múltiplas{22}}voltas são tratadas por uma placa de circuito-alimentada por bateria dentro da caixa de controle.
Extensão do eixo do rotor: Devido à operação frequente para frente e para trás, o motor está sujeito a forças de cisalhamento; portanto, o material do eixo deve ser preferencialmente aço temperado 42CrMo. Se o motor for instalado com uma chaveta, a chaveta deverá estar totalmente encaixada para reduzir efetivamente o equilíbrio dinâmico e o desvio do motor. Em altas velocidades, a diferença de desvio entre um servo motor chaveado e um eixo descoberto sob operação sem{3}}carga pode ser até nove vezes maior-um fator que não deve ser subestimado.
Principais parâmetros de transmissão de servomotores de ímã permanente
Zona de Operação: A região onde o motor pode operar continuamente sem exceder o aumento de temperatura permitido é chamada de zona de operação contínua; a região fora da zona de operação contínua onde a operação de curto{0}}prazo é permitida é chamada de zona de operação intermitente. A zona operacional é representada por um plano de coordenadas bi-dimensional de torque e velocidade.
Potência nominal PN: A potência máxima que o motor pode produzir dentro da zona de operação contínua.
Torque Nominal MN: O torque no qual o motor fornece sua potência nominal dentro da zona de operação contínua. As definições de torque nominal variam significativamente entre os fabricantes. As condições de dissipação de calor correspondentes são geralmente especificadas. Internacionalmente, é prática comum especificar que esta classificação seja medida com o motor montado em um flange de alumínio de área e espessura definidas, com a temperatura do flange mantida em 20 graus ou abaixo de uma temperatura especificada. Portanto, na operação real, os motores são frequentemente montados em componentes de ferro fundido e as temperaturas no verão podem exceder o padrão de teste. Se nenhuma margem for permitida durante a operação, isso poderá causar superaquecimento e desmagnetização. A condição padrão de temperatura ambiente de 40 graus especificada pelo padrão nacional chinês é relativamente razoável para o ambiente chinês. Fabricantes respeitáveis incluirão uma certa margem de projeto abaixo dos valores nominais determinados de acordo com a norma ao publicar o torque nominal, o que é mais seguro.
Corrente Nominal IN: A corrente correspondente ao torque nominal.
Velocidade nominal nN: A velocidade máxima na qual o motor pode operar sob torque nominal dentro do ciclo de trabalho contínuo.
Contínuo bloqueado-torque MO do rotor: o torque máximo que o motor pode fornecer quando travado no ciclo de trabalho contínuo. Geralmente, considera-se que velocidades abaixo de 100 rpm estão dentro da faixa de operação do-rotor travado.
Corrente do rotor-bloqueado contínuo I0: a corrente correspondente ao torque-do rotor bloqueado contínuo.
Pico de Torque Mmax: O torque máximo que o motor pode produzir. As condições nominais variam significativamente entre os diferentes fabricantes. Alguns especificam o torque correspondente à corrente de desmagnetização; tais especificações não devem ser usadas como pico de torque. Os projetistas mecânicos devem permitir margem suficiente para evitar que o motor se desmagnetize e falhe devido ao torque operacional excessivo. Se o torque máximo for especificado de acordo com o ciclo de trabalho, ele possui valor de referência de engenharia. O pico de torque especificado conforme S3-10% possui o maior valor de referência de engenharia; pode ser entendido como o torque máximo de operação permitido para um tempo de operação contínua de 3 segundos, o que é suficiente para robôs. A sobrecarga repetitiva para robôs multiarticulares é geralmente em torno de 2,0 vezes.
Corrente de pico Imax: A corrente operacional correspondente ao torque máximo.
Constante de tempo elétrica Te: Uma constante característica que representa a velocidade com que a corrente responde a uma tensão aplicada. É definido como o tempo necessário para a corrente atingir 1 - e^(-1) (aproximadamente 63,2%) da corrente final após uma tensão fixa ser aplicada nos terminais do motor. A constante de tempo elétrica de um servo motor é geralmente especificada como a razão entre a indutância do enrolamento do estator e sua resistência (Te=L/R). Está relacionado ao tempo de resposta ao degrau atual do sistema servo, mas não é necessariamente equivalente a ele.
Constante de tempo mecânico Tm: A constante de tempo mecânico de um servo motor é definida como: tm=R*J/Ke*Kt, ou seja, está relacionada à resistência do enrolamento, momento de inércia do rotor, coeficiente back{3}}EMF do motor e coeficiente de torque do motor. A constante de tempo mecânica de um motor de acionamento é aproximadamente equivalente ao tempo necessário para o motor acelerar da velocidade zero até 63,2% de sua velocidade de estado-estacionário sob condições sem-carga. Em um sistema servo, essa constante pode ser numericamente equivalente ao tempo de resposta do passo do loop de velocidade-do sistema.
Constante-EMF de retorno Ke: o valor de EMF sem-carga de retorno-induzido pelo motor em uma velocidade unitária. Normalmente se refere ao EMF sem-carregamento-correspondente a 1.000 rpm, com unidades de V/krpm.
Constante de torque Kt: O torque de saída do motor correspondente a uma corrente unitária. A relação entre o coeficiente Ke de back{1}}EMF do motor e o coeficiente de torque Kt é geralmente dada por Kt=9.55 * Ke * 1,732, onde Kt está em Nm/A, Ke está em V/rpm e Ke=Kt. Aqui, Ke se refere à linha posterior-EMF.
Se as especificações do motor não fornecerem os parâmetros Kt e Ke, Kt poderá ser derivado do torque nominal e da corrente nominal. Então, usando a relação Kt=9.55 * Ke * 1,732, a linha de volta-coeficiente EMF Ke pode ser derivada indiretamente da seguinte forma: Ke=0.1047 * Kt / 1,732, com unidades de V/rpm; Alternativamente: Ke=104.7 × Kt / 1,732, com unidades de V/krpm ou mV/rpm.
Devido às limitações de tensão da fonte de alimentação, a EMF traseira do motor é normalmente projetada para ser relativamente baixa para garantir alta capacidade de resposta, garantindo queda de tensão suficiente em altas velocidades para obter corrente adequada. Porém, correntes altas aumentam a carga térmica do motor. Consequentemente, os motores dos robôs requerem uma alta densidade de potência para atingir tamanho compacto, alto torque e baixa geração de calor.
Momento de Inércia do Rotor J: O momento de inércia do rotor do motor. O momento de inércia do motor de um robô é crítico, pois afeta diretamente a estabilidade de operação do robô. Isso ocorre porque os robôs geralmente envolvem coordenação de vários-eixos. Por exemplo, o segundo eixo de um robô articulado requer um motor com inércia significativa para acomodar as mudanças substanciais na inércia da carga que ocorrem quando o braço se estende e retrai.
Torque-da ranhura do dente: quando os enrolamentos de um motor de ímã permanente estão em circuito-aberto, um torque periódico é gerado durante uma rotação do motor devido às ranhuras no núcleo da armadura, que tendem a se alinhar com posições de resistência magnética mínima.
Capacidade de sobrecarga: A capacidade de um motor fornecer uma potência ou torque especificado por um período definido sob condições especificadas sem exceder a corrente de pico especificada. Normalmente, a relação entre a corrente de pico e a corrente nominal é chamada de fator de sobrecarga de corrente, enquanto a relação entre o torque de pico e o torque nominal é chamada de fator de sobrecarga de torque. Geralmente, os motores dos robôs devem garantir uma capacidade de sobrecarga de torque de aproximadamente 3 vezes.
Velocidade Máxima nN: A velocidade mais alta que o motor pode atingir durante operação intermitente. As definições de velocidade máxima variam significativamente entre os fabricantes de motores; para motores de robôs, o valor fornecido normalmente representa a velocidade mais alta na qual a operação repetível é possível durante o uso real. Na velocidade máxima, o torque máximo correspondente pode exceder o dobro do torque nominal, garantindo resposta de aceleração em toda a faixa de velocidade.