Štyri funkcie, ktoré súčasne vykonáva vysoký prevodový pomer
Väčšina inžinierov vyberá prevodový pomer výpočtom: T_výstup = T_motor × i × η, a potom vyberá najmenšie i, ktoré poskytuje požadovaný výstupný krútiaci moment. Toto je správne pre funkciu krútiaceho momentu – prevodový pomer však vykonáva tri ďalšie funkcie súčasne a pri aplikáciách s vysokým prevodovým pomerom (i ≥ 64:1) tieto ďalšie funkcie často ovplyvňujú špecifikáciu silnejšie ako samotný krútiaci moment.
Lineárne sa škáluje s prevodovým pomerom. Štandardný výpočet výberu. Obmedzené stropom výstupného krútiaceho momentu prevodovky – zvýšenie i za bod, kde krútiaci moment motora × i × η sa rovná stropu výstupného krútiaceho momentu, neprináša žiadny ďalší úžitok z krútiaceho momentu.
Váhy s i na druhúPri i=100 sa zotrvačnosť záťaže na hriadeli motora zníži 10 000-násobne. Preto je možné v aplikáciách s vysokým prevodovým pomerom používať malé motory bez problémov s prispôsobením zotrvačnosti – otočný stôl s hmotnosťou 50 kg·m², ktorý sa odráža cez i=200, sa na hriadeli motora zníži na iba 0,00125 kg·m².
Pri i=320 motor bežiaci na 3 000 ot./min. produkuje na výstupe iba 9,4 ot./min. Pre aplikácie s veľmi pomalým sledovaním (solárny azimut ≈ 0,25 ot./min., anténa ≈ 0,05 ot./min.) je vysoký prevodový pomer jediný spôsob, ako dosiahnuť tieto výstupné rýchlosti a zároveň udržať motor v stabilnom prevádzkovom rozsahu serva.
10 000-riadkový enkodér produkuje 40 000 impulzov/otáčku hriadeľa motora. Pri i=100 sa to stáva 4 000 000 impulzov/výstupná otáčka – čo poskytuje teoretické rozlíšenie polohovania 0,000090° (0,32 uhlovej sekundy). Preto ťažké otočné stoly dosahujú polohovanie v subuhlovej sekunde bez drahých absolútnych enkodérov na výstupnom hriadeli.
Dôsledky dizajnu: Pre aplikácie s nízkou rýchlosťou a vysokou zotrvačnosťou – otočné stoly, sledovače slnečnej energie, pohony antén – je špecifikácia prevodového pomeru často riadená funkciami 3 a 2 (výstupná rýchlosť a zotrvačnosť) a nie funkciou 1 (krútiaci moment). Motor potrebný na výstup 500 N·m pri i=200 má menovitý krútiaci moment iba 2,78 N·m (545 W pri 3 000 ot./min) – oveľa menší, ako naznačuje veľkosť krútiaceho momentu. Výber prevodového pomeru začnite od výstupnej rýchlosti a zotrvačnosti, nie od krútiaceho momentu.
Kompletná tabuľka pomerov série EP – všetky štandardné pomery od 3:1 do 516:1
Presné planétové prevodovky série EP pokrývajú 27 štandardných prevodových pomerov v troch stupňoch. Pre objemové objednávky sú k dispozícii aj neštandardné prevodové pomery – kontaktujte aplikačné inžinierstvo spoločnosti Korea Ever-Power s vašou presnou požiadavkou na prevodový pomer a bude vám identifikovaný najbližší štandardný prevodový pomer alebo potvrdená kombinácia stupňov na mieru.
| Počet etáp | Dostupné pomery | Účinnosť η | Teplo pri príkone 1 kW | Negatívna reakcia | Primárny prípad použitia |
|---|---|---|---|---|---|
| 1-stupňový | 3 · 4 · 5 · 8 · 10 | 96% | 40 W | <8 oblúkových minút | Vysoká rýchlosť, nízke zaťaženie, maximálna účinnosť |
| 2-stupňový | 9 · 12 · 15 · 16 · 20 25 · 32 · 40 · 64 |
94% | 60 W | <8–12 oblúkových minút | Väčšina servo automatizácie: robotické kĺby, CNC, AGV, balenie |
| 3-stupňový ★ | 60 · 80 · 100 · 120 160 · 200 · 256 · 320 · 516 |
90% | 100 W | <8–15 oblúkových minút | Vysoký krútiaci moment/nízka rýchlosť: otočné stoly, solárne panely, antény, dopravníky |
Tri nezávislé stupne pri 96% by poskytli 0,96³ = 88,5%. Publikovaný 90% pre 3-stupňové jednotky EP odráža, že medzistupne v zloženej planétovej jednotke zdieľajú niektoré mechanické prvky a pracujú pri nižších relatívnych rýchlostiach – trenie na stupeň nie je úplne nezávislé. Údaj 90% je certifikovaná účinnosť pri menovitom zaťažení; pri nízkom zaťažení môže byť účinnosť o niečo nižšia v dôsledku fixných strát trením (tesnenia, odpor ložiska), ktoré dominujú pri nízkom prenášanom výkone.
Strop výstupného krútiaceho momentu – obmedzenie, ktoré väčšina sprievodcov pre vysoké prevodové pomery vynecháva
Najčastejšou mylnou predstavou pri výbere planétovej prevodovky s vysokým prevodovým pomerom je, že neurčité zvyšovanie prevodového pomeru zvyšuje dostupný výstupný krútiaci moment. V skutočnosti majú výstupný hriadeľ prevodovky, výstupné ložisko a unášač planét koncového stupňa maximálny krútiaci moment určený veľkosťou mechanických komponentov – stropom výstupného krútiaceho momentu. Nad týmto stropom zvýšenie prevodového pomeru neprináša žiadny dodatočný krútiaci moment: prevodovka zlyhá skôr, ako cez ňu motor dokáže preniesť väčší krútiaci moment.
| Rám série EP | Výstupný krútiaci moment Strop (N·m) |
Max. T motora pri i=100, η=0,90 |
Max. T motora pri i=200, η=0,90 |
Max. T motora pri i=320, η=0,90 |
Typická trieda motora |
|---|---|---|---|---|---|
| EP-ZDE-60 | 16 N·m | 0,18 N·m | 0,09 N·m | 0,06 N·m | Servomotor s výkonom 50 – 100 W |
| EP-ZDE-80 | 50 N·m | 0,56 N·m | 0,28 N·m | 0,17 N·m | Servomotor s výkonom 100 – 200 W |
| EP-ZDE-120 | 110 N·m | 1,22 N·m | 0,61 N·m | 0,38 N·m | Servomotor s výkonom 400 – 750 W |
| EP-ZDE-160 | 450 N·m | 5,00 N·m | 2,50 N·m | 1,56 N·m | Servopohon s výkonom 750 W – 2,2 kW |
| EP-ZDS-115 | 210 N·m | 2,33 N·m | 1,17 N·m | 0,73 N·m | Servo 400 – 1 500 W + IP65 |
| EP-ZDS-142 | 910 N·m | 10,1 N·m | 5,06 N·m | 3,16 N·m | Servopohon 2,2–7,5 kW + krytie IP65 |
| EP-ZDS-190 | 1 800 N·m | 20,0 N·m | 10,0 N·m | 6,25 N·m | Servo 7,5–22 kW + krytie IP65 |
Max. T motora = maximálny výkon / (i × η). Toto sú menovité krútiace momenty motora, ktoré presne zaťažia výstup prevodovky na jej menovitý maximálny výkon pri danom pomere. Prekročenie týchto hodnôt preťaží prevodovku bez ohľadu na to, či motor dokáže dodať viac. 3-stupňová verzia ZDE je dostupná až do i=516:1; 3-stupňová verzia ZDS – poraďte sa s aplikačným inžinierom spoločnosti Korea Ever-Power.
Negatívna reakcia vo viacerých fázach – odpoveď, ktorú väčšina inžinierov chápe nesprávne
Častým problémom viacstupňových planétových prevodoviek je hromadenie vôle: ak má každý stupeň vôľu < 8 oblúkových minút, má trojstupňová jednotka celkovú vôľu na výstupe < 24 oblúkových minút? Odpoveď je jednoznačne nie – a správne pochopenie tohto princípu je nevyhnutné pre aplikácie s vysokými presnými prevodovými pomermi.
Skoršie stupne prispievajú k výstupnej vôli postupne menej, pretože ich pásmo necitlivosti je delené všetkými nasledujúcimi pomermi stupňov. V praxi publikovaná vôľa série EP pre viacstupňové jednotky (<8 oblúkových minút pre ZDE/ZDS na výstupe) už zohľadňuje príspevky všetkých stupňov. 3-stupňový EP-ZDE-160 pri 320:1 má rovnakú špecifikáciu výstupnej vôle <8 oblúkových minút ako 1-stupňový EP-ZDE-160 pri 3:1 – pretože príspevok vôle prvých dvoch stupňov je pred dosiahnutím výstupu znížený o pomery 8× a 40×.
Pri špecifikácii 3-stupňovej jednotky EP-ZDE alebo EP-ZDS pre presný otočný stôl alebo polohovaciu aplikáciu sa špecifikácia vôle nezhoršuje v porovnaní s jednostupňovou verziou. Špecifikujte vôľu rovnako ako pre akúkoľvek jednotku série EP: <8 arcmin (štandard ZDE/ZDS) je správna hodnota bez ohľadu na počet stupňov. Certifikovaná hodnota platí pre výstupný hriadeľ.
Pri veľmi vysokých pomeroch (i ≥ 200:1) uhlový ekvivalent Vôľa pozorovaná na hriadeli motora sa stáva extrémne malou – sotva postrehnuteľnou. Fyzická vôľa na výstup Hriadeľ zostáva nezmenený. Pre presné polohovanie s nízkou rýchlosťou zostáva vôľa na strane výstupu relevantnou špecifikáciou a zostáva použiteľná séria EP <8 arcmin.
Obmedzenie otáčok motora – dolná hranica praktického prevodového pomeru
Vo väčšine servo aplikácií pochádza obmedzenie výberu prevodového pomeru z hornej strany – maximálne otáčky motora obmedzujú, aký vysoký môže byť prevodový pomer. Pre aplikácie sledovania a polohovania s nízkou rýchlosťou pochádza obmedzenie zo spodnej strany: motor musí bežať dostatočne rýchlo pre stabilné riadenie serva. Pod približne 50 ot./min. sa znižuje zvlnenie prúdu serva, rozlíšenie enkodéra za jednotku času a stabilita rýchlostnej slučky. Toto nastavuje minimálnu praktickú rýchlosť motora, ktorá v kombinácii s požadovanou výstupnou rýchlosťou nastavuje minimálny praktický prevodový pomer.
| Aplikácia | Povinné n_výstup |
i=64 n_motor |
i=100 n_motor |
i=200 n_motor |
i=320 n_motor |
Minimálna životaschopnosť i |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Otočný stôl (rýchly index) | 30 ot./min. | 1 920 ✅ | 3 000 ✅ | 6 000 ⚠ | 9 600 ❌ | i≤100 |
| Robot J1 (stredná rýchlosť) | 8 ot./min. | 512 ✅ | 800 ✅ | 1 600 ✅ | 2 560 ✅ | i=64 typické |
| Pohon ťažkého dopravníka | 15 ot./min. | 960 ✅ | 1 500 ✅ | 3 000 ✅ | 4 800 ⚠ | i=80–200 |
| Azimut solárneho sledovača | 0,25 ot./min. | 16 ❌ | 25 ⚠ | 50 ✅ | 80 ✅ | i≥200 |
| Sledovanie antény | 0,05 ot./min. | 3.2 ❌ | 5 ❌ | 10 ❌ | 16 ⚠ | i≥320 alebo krokový motor |
✅ n_motor ≥ 100 ot./min.: stabilná prevádzka serva. ⚠ n_motor 25–100 ot./min.: hraničná, vyžaduje servopohon optimalizovaný pre nízke otáčky. ❌ n_motor < 25 ot./min.: nestabilná slučka rýchlosti serva; použite krokový motor alebo priamy pohon iba so servom v zapnutej polohe. Maximálna rýchlosť motora 4 500 ot./min.; odporúčané trvalé otáčky ≤ 3 000 ot./min.
Prehľad dizajnu solárneho sledovača: Solárny azimutálny pohon vyžaduje výstup 0,25 ot./min (jedna plná otáčka za 24 hodín × určitá rezerva sledovania). Pri i=100 motor beží pri 25 ot./min – pod stabilným rozsahom serva. Pri i=200 motor beží pri 50 ot./min – hraničné, ale dosiahnuteľné s moderným servopohonom, ktorý podporuje prevádzku pri nízkych otáčkach. Pri i=320 motor beží pri 80 ot./min – čo je v rámci štandardného rozsahu riadenia serva. Preto sú pomery 200:1 až 320:1 štandardom v konštrukciách presných pohonov solárnych sledovačov., nie preto, že by si to vyžadoval krútiaci moment (skromný motor zvláda zaťaženie vetrom pri vysokom pomere), ale preto, že si to vyžaduje výstupná rýchlosť pre stabilitu serva.
Rozlíšenie polohy na výstupe — od i=32 do i=320 s 10 000-riadkovým enkodérom
Jednou z najmenej diskutovaných výhod vysokého prevodového pomeru v aplikáciách presného polohovania je znásobenie rozlíšenia enkodéra na výstupnom hriadeli. 10 000-riadkový enkodér motora (40 000 impulzov/ot. po kvadratúrnom dekódovaní ×4) vytvára teoretickú minimálnu veľkosť kroku na výstupe, ktorá lineárne klesá s pomerom. Preto môžu ťažké otočné stoly dosiahnuť polohovanie v sub-uhlových sekundách bez vyhradeného výstupného enkodéra – rozlíšenie enkodéra motora vynásobené prevodovým pomerom poskytuje dostatočné rozlíšenie pre väčšinu požiadaviek na polohovanie.
| Prevodový pomer i | Celkový počet enkodérov na otáčku výstupu |
Stupne na počet | Uhlových sekúnd na odpočítanie | Marža vs. Tolerancia ±0,01° |
Vhodné pre |
|---|---|---|---|---|---|
| 32:1 | 1,280,000 | 0,000281° | 1,01″ | 35× | Indexátor, kĺby robota J3–J6 |
| 64:1 | 2,560,000 | 0,000141° | 0,51″ | 71× | Robot J1/J2, presný deliaci stroj |
| 100:1 | 4,000,000 | 0,000090° | 0,32″ | 111× | Otočný stôl, ťažký dopravník |
| 200:1 | 8,000,000 | 0,000045° | 0,16″ | 222× | Solárny sledovač, anténa, pomalý index |
| 320:1 | 12,800,000 | 0,000028° | 0,10″ | 356× | Ďalekohľad, presná anténa |
| 516:1 | 20,640,000 | 0,000017° | 0,063″ | 573× | Maximálny pomer EP; veľmi pomalá rotácia |
Enkodér: 10 000-riadkový inkrementálny, ×4 kvadratúra = 40 000 impulzov/otáčka motora. Stĺpec okrajov: pomer tolerancie ±0,01° k rozlíšeniu na impulz. Skutočne dosiahnuteľná presnosť polohovania je obmedzená vôľou (<8 arcmin = 0,133°) – rozlíšenie enkodéra nie je záväzným obmedzením. Pri aktívnej kompenzácii vôle CNC sa dosiahnuteľná presnosť v praxi blíži k 3–5-násobku rozlíšenia enkodéra.
Matica aplikácií s vysokým pomerom – odporúčané série EP podľa prípadu použitia
| Aplikácia | T_req (N·m) |
n_out (ot./min.) |
Pomer i | Motor veľkosť |
Odporúčanie EP | Ovládač výberu |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ťažký otočný stôl (priemer 500 mm, 50 kg) | 250 | 2 | 80:1 | 400 W | EP-ZDE-160, 80:1 | Krútiaci moment + nízka rýchlosť |
| Základňa robota J1 (ťažká, rameno s hmotnosťou 200 kg) | 400 | 8 | 64:1 | 1,5 kW | EP-ZDS-142, 64:1 | Krútiaci moment + tuhosť |
| Ťažký dopravník (zaťaženie 1 000 kg) | 800 | 15 | 100:1 | 1,5 kW | EP-ZDS-142, 100:1 | Vysoký krútiaci moment + IP65 |
| Azimut solárneho sledovača | 500 | 0.25 | 200:1 | 750 W | EP-ZDE-160, 200:1 | Obmedzenie rýchlosti |
| Pohon polohovania antény | 300 | 0.05 | 320:1 | 400 W | EP-ZDE-120, 320:1 | Rýchlosť + rozlíšenie |
| Uťahovanie skrutiek (M30+) | 350 | 5 | 100:1 | 400 W | EP-ZDE-120, 100:1 | Krútiaci moment, SF=2,5 |
| Pohon veternej turbíny s otočením | 50,000 | 0.01 | 516:1 | 22 kW | EP-ZDS-190, 516:1 | Najvyšší prevodový pomer + krútiaci moment |
Kontrolný zoznam pre výber vysokého pomeru – päť otázok pred zadaním pomeru nad 64:1
Ak krútiaci moment: vypočítajte T_motor × i × η a overte oproti výstupnému stropu. Ak rýchlosť: vypočítajte n_motor = n_out × i a skontrolujte ≥ 50 ot./min. Ak zotrvačnosť: J_odraz = J_zaťaženie / i² – pre veľké zaťaženia vysoký pomer rieši prispôsobenie zotrvačnosti, ktoré žiadna iná metóda nedosiahne. Pred výpočtom krútiaceho momentu identifikujte, ktoré obmedzenie riadi i.
Skontrolujte: T_motor_rated × i × η ≤ T_output_ceiling pre zvolený rám EP. Ak prekročí hornú hranicu, vyberte buď väčšiu rámovú hranicu (ZDE-120 vs. ZDE-80), alebo zmenšite veľkosť motora. Neprekračujte hornú hranicu výstupného krútiaceho momentu – spôsobí to predčasné zlyhanie prevodovky a ložísk bez ohľadu na prevádzkový faktor.
n_motor = n_out_max × i. Overte, či je n_motor ≤ 3 000 ot./min. odporúčané (absolútne 4 500 ot./min.). Pri veľmi nízkych výstupných rýchlostiach overte, či je n_motor ≥ 50 – 100 ot./min. minimálne pre stabilnú prevádzku serva. Ak n_motor klesne pod minimum, zvýšte prevodový pomer alebo zvážte krokový motor.
Vypočítajte ročný rozdiel v nákladoch na energiu: 3-stupňový motor stráca 100 W na kW oproti 40 W pre 1-stupňový motor. Pre nepretržitú prevádzku s výkonom 1 kW je to 525 kWh/rok = $52,5/rok podľa kórejskej priemyselnej sadzby. Pre prerušovanú prevádzku je to zanedbateľné. Skontrolujte, či dimenzovanie motora zohľadňuje účinnosť 90% (nie 96%).
Pri i=100 poskytuje 10 000-riadkový enkodér motora rozlíšenie 0,32″ na výstupe – čo je postačujúce pre väčšinu priemyselných polohovaní. Ak je potrebné kompenzovať vôľu (<8 arcmin = 480″) na hodnotu lepšiu ako 10% (48″), je potrebný enkodér s priamym výstupom.
Spoločnosť Korea Ever-Power, ktorá sa zaoberá aplikačným inžinierstvom, poskytuje podporu pri výbere vysokého prevodového pomeru vrátane overenia stropu výstupného krútiaceho momentu, analýzy obmedzení rýchlosti motora, výpočtu rozlíšenia enkodéra a odhadu nákladov na 3-stupňovú účinnosť. Poskytnite požadovaný výstupný krútiaci moment, výstupnú rýchlosť a toleranciu polohovania a získajte kompletné odporúčanie pre 3-stupňový rad EP v kórejčine a angličtine.
Redaktor: Cxm
