Penggerak langsung vs. servomotor putar bergigi: Kuantifikasi keunggulan desain: Bagian 1

Tujuan pembelajaran

• Sistem servo putar di dunia nyata tidak mencapai kinerja ideal karena keterbatasan teknis.
• Beberapa jenis servomotor putar dapat memberikan manfaat bagi pengguna, tetapi masing-masing memiliki tantangan atau keterbatasan tertentu.
• Motor servo putar penggerak langsung menawarkan kinerja terbaik, tetapi harganya lebih mahal daripada motor roda gigi.

Selama beberapa dekade, servomotor roda gigi telah menjadi salah satu peralatan yang paling umum dalam kotak peralatan otomasi industri. Servomotor roda gigi menawarkan aplikasi pemosisian, pencocokan kecepatan, penjepitan elektronik, penggulungan, penegangan, pengencangan, dan secara efisien mencocokkan daya servomotor dengan beban. Hal ini menimbulkan pertanyaan: apakah servomotor roda gigi merupakan pilihan terbaik untuk teknologi gerak putar, atau adakah solusi yang lebih baik?

Dalam dunia yang sempurna, sistem servo putar akan memiliki peringkat torsi dan kecepatan yang sesuai dengan aplikasi sehingga motor tidak terlalu besar atau terlalu kecil. Kombinasi motor, elemen transmisi, dan beban harus memiliki kekakuan torsi tak terbatas dan reaksi balik nol. Sayangnya, sistem servo putar di dunia nyata tidak mencapai ideal ini dalam berbagai tingkatan.

Dalam sistem servo yang umum, backlash didefinisikan sebagai hilangnya gerakan antara motor dan beban yang disebabkan oleh toleransi mekanis elemen transmisi; ini mencakup hilangnya gerakan di seluruh kotak roda gigi, sabuk, rantai, dan kopling. Saat mesin pertama kali dinyalakan, beban akan mengambang di suatu tempat di tengah toleransi mekanis (Gambar 1A).

Sebelum beban itu sendiri dapat dipindahkan oleh motor, motor harus berputar untuk mengatasi semua kelonggaran yang ada pada elemen transmisi (Gambar 1B). Ketika motor mulai melambat di akhir gerakan, posisi beban sebenarnya dapat menyalip posisi motor karena momentum membawa beban melampaui posisi motor.

Motor harus kembali mengambil alih kelonggaran di arah yang berlawanan sebelum menerapkan torsi ke beban untuk memperlambatnya (Gambar 1C). Kehilangan gerak ini disebut reaksi balik, dan biasanya diukur dalam menit busur, sama dengan 1/60 derajat. Gearbox yang dirancang untuk digunakan dengan servo dalam aplikasi industri sering kali memiliki spesifikasi reaksi balik mulai dari 3 hingga 9 menit busur.

Kekakuan torsi adalah resistansi terhadap puntiran poros motor, elemen transmisi, dan beban sebagai respons terhadap penerapan torsi. Sistem yang sangat kaku akan mentransmisikan torsi ke beban tanpa defleksi sudut terhadap sumbu rotasi; namun, bahkan poros baja padat akan sedikit terpuntir di bawah beban berat. Besarnya defleksi bervariasi dengan torsi yang diterapkan, bahan elemen transmisi, dan bentuknya; secara intuitif, bagian yang panjang dan tipis akan lebih banyak terpuntir daripada yang pendek dan gemuk. Resistansi terhadap puntiran inilah yang membuat pegas koil bekerja, karena kompresi pegas sedikit memelintir setiap lilitan kawat; kawat yang lebih gemuk membuat pegas yang lebih kaku. Apa pun yang kurang dari kekakuan torsi tak terbatas menyebabkan sistem bertindak sebagai pegas, yang berarti energi potensial akan disimpan dalam sistem saat beban menahan rotasi.

Bahasa Indonesia: Bila digabungkan bersama, kekakuan torsi terbatas dan serangan balik dapat menurunkan kinerja sistem servo secara signifikan. Serangan balik dapat menimbulkan ketidakpastian, karena enkoder motor menunjukkan posisi poros motor, bukan tempat serangan balik memungkinkan beban untuk menetap. Serangan balik juga menimbulkan masalah penyetelan saat beban berpasangan dan terlepas dari motor sebentar saat beban dan motor membalikkan arah relatif. Selain serangan balik, kekakuan torsi terbatas menyimpan energi dengan mengubah sebagian energi kinetik motor dan beban menjadi energi potensial, melepaskannya nanti. Pelepasan energi yang tertunda ini menyebabkan osilasi beban, menginduksi resonansi, mengurangi perolehan penyetelan yang dapat digunakan secara maksimal, dan berdampak negatif pada responsivitas dan waktu penyelesaian sistem servo. Dalam semua kasus, mengurangi serangan balik dan meningkatkan kekakuan sistem akan meningkatkan kinerja servo dan menyederhanakan penyetelan.

Konfigurasi servomotor sumbu putar

Konfigurasi sumbu putar yang paling umum adalah servomotor putar dengan enkoder internal untuk umpan balik posisi dan kotak roda gigi untuk menyesuaikan torsi dan kecepatan motor yang tersedia dengan torsi dan kecepatan beban yang dibutuhkan. Kotak roda gigi adalah perangkat daya konstan yang merupakan analog mekanis dari transformator untuk pencocokan beban.

Konfigurasi perangkat keras yang ditingkatkan menggunakan servomotor putar penggerak langsung, yang menghilangkan elemen transmisi dengan langsung menyambungkan beban ke motor. Sementara konfigurasi motor roda gigi menggunakan sambungan ke poros berdiameter relatif kecil, sistem penggerak langsung memasang beban langsung ke flensa rotor yang jauh lebih besar. Konfigurasi ini menghilangkan serangan balik dan sangat meningkatkan kekakuan torsi. Jumlah kutub yang lebih tinggi dan lilitan torsi tinggi dari motor penggerak langsung sesuai dengan karakteristik torsi dan kecepatan motor roda gigi dengan rasio 10:1 atau lebih tinggi.