Mitsubishi Electric Wat is servotechniek?

Asbesturingen Servotechniek wordt bij asbesturingen steeds vaker gebruikt. De vraag voor hogere kwaliteit in combinatie met een hogere productiesnelheid resulteert al snel in oplossingen die met servotechniek behaald kunnen worden. Ook het aanpassen van de applicatie wordt automatisch gedaan door de servobesturing. Handmatige aanpassingen zijn dus niet meer nodig nadat de applicatie éénmalig is ingesteld en geprogrammeerd.

Terugkoppeling proceswaarde Y Aandrijfsystemen Open-loop - geen terugkoppeling Closed-loop - terugkoppeling Servosystemen - herkenbaar aan variabel setpoint Setpoint Regelaar Versterker Motor Bij een open-loop systeem is er geen terugkoppeling tussen de proceswaarde Y en de energievoorziening van de motor. Een elektrisch aangedreven ventilator of pomp is een voorbeeld van een open-loop systeem zonder terugkoppeling. Bij een closed-loop systeem wordt de proceswaarde Y teruggevoerd naar de besturing; we spreken dan van regelen. De proceswaarde Y bij een aandrijfsysteem kan het toerental of het aandrijfkoppel zijn. De grootte van de proceswaarde ondergaat weinig veranderingen. Een voorbeeld van een closed-loop aandrijfsysteem is de aandrijving van de antenne van een satelietontvanger. Een servosysteem is eigenlijk een closed-loop systeem, maar dan één waarin het setpoint voortdurend veranderd. De opdracht bij een servosysteem is meestal het plaatsen of positioneren van een object of een bewerking van een object. Terugkoppeling proceswaarde Y

Wat is servotechniek Het voorvoegsel servo komt van het latijnse servus, dat slaaf of dienaar betekent Het volgen of uitvoeren van een opdracht Het leger is een prachtig voorbeeld om het fenomeen servotechniek duidelijk te maken. Eén onderdeel zoals bijvoorbeeld president Bush stelt dat er een actie moet worden ondernomen. Hij geeft de gewenste waarde aan. Bush geeft dit door aan zijn controller in de vorm van het Pentagon. Deze controller zorgt ervoor dat de gewenste waarde wordt vertaald in een hapklare brok informatie. Vervolgens geeft de controller deze informatie door aan de aanvoerders van de diverse benodigde legerdivisies. De aanvoerders zijn de versterkers van het geheel. Zij veranderen niets inhoudelijks aan de informatie, maar zorgen ervoor dat de divisies zonder meer de bevelen opvolgen. De divisies uiteindelijk zorgen dat de klus geklaard wordt. Dit is de drijvende kracht en kan worden gezien als de motor. De divisies krijgen wel een stroom van informatie terug van het proces (feedback). Deze informatie kan terug gecommuniceerd worden aan de controller die de acties hierop aanpast. Zo kan continu de kwaliteit en effectiviteit van het handelen van de motor worden verbeterd aan de hand van de feedback van het veranderende proces.

Servus Het volgen of uitvoeren van een opdracht Gewenste waarde Servoversterker Positioneer module Servomotor De vraag blijft in deze opzet of de gewenste waarde en de motion controller niet verkeert om staan!

Aandrijfsystemen Tandriemaandrijving Spindelaandrijving Aandrijving via reductor op de as Spindelaandrijving Aandrijving met reductor of direct op de as Combinatie maakt baanbesturing Bewegingen in X – Y – Z richting Bij een servosysteem komen we verschillende soorten aandrijvingen tegen, zoals bijvoorbeeld transportband- en spindelaandrijvingen. Bij een spindelaandrijving wordt de roterende beweging van de servomotor omgezet in een horizontale verplaatsing. Spindelaandrijvingen passen we toe als grote nauwkeurigheid vereist is en bij grote krachten. Bij aandrijven van een transportband maken we gebruik van een reductiekast. Een reductiekast reduceert het toerental van de servomotor naar de aandrijving van de last. Als meerdere bewegingen tegelijk moeten plaatsvinden in een gecoördineerd verband, spreken we van baanbesturing. Baanbesturingen treffen we onder andere bij robotarmen en freesmachines aan. Deze applicaties vragen om een verplaatsing van links naar rechts (X-as), van boven naar beneden (Y-as) en de mogelijkheid om bijvoorbeeld de freeskop in een bepaalde hoek te zetten (Z-as). We spreken in dit geval van een drie-assige besturing.

Benodigdheden servosysteem Klemmenstrook Ingangen Uitgangen Limit switch Servoversterker PLC besturing Controller PC met servo setup software Reductor Encoder Spindelapplicatie met geleider Servomotor

Positioneermodulen Analoge besturing Puls besturing Netwerkmodulen Analoog Positioneer module Servo versterker Pulstrein Netwerk Commando’s

Externe I/O      Bediening als Start, Stop, Pauze etc Bedieningspaneel  Bediening als Start, Stop, Pauze etc Sensor   Eindschakelaars, benaderingsschakelaars etc Lichtscherm gekoppeld aan de noodstop   Beveiligingen als Noodstop, Terugloop etc Sensor   Signalen als Ready, Cycle End etc Boormachine Servo motor Product In bovenstaande productielijn zijn een aantal voorbeelden van externe I/O te zien. In eerste instantie zal er een bedieningspaneel  o.i.d. zijn waar de start, stop, pauze etc signalen te bedienen zijn. De producten worden gedetecteerd door de sensor  en binnen een bepaalde tijd of afstand gepositioneerd bij de boormachine. Om de boormachineinstallatie die bediend wordt door een tweede servo-as is een lichtscherm geplaatst. Dit lichtscherm is voor de beveiliging van de werknemers gekoppeld aan de noodstop . Aan het einde van de productielijn is een tweede sensor  die het aantal producten detecteert en kan bepalen of de cyclus beëindigt is.

Servoversterker Zorgt voor omzetten positioneersignaal Zet pulstrein of commando’s via een netwerk om in een geschikte voedingsspanning voor de servomotor Controleert acties d.m.v. - Encodersignaal - Spanning- / stroommeting - Autotuning (automatische parameterinstelling) - Notch filters (onderdrukken machinetrillingen) Als aan het einde van een afgelegde weg het eindpunt wordt bereikt moet de servomotor stoppen. Ideaal zou zijn als de as van volle snelheid in 0 seconden exact op het gewenste punt stilstaat. Dit is helaas niet mogelijk, maar kan wel met slimme technologie benaderd worden. Deze functie wordt ook wel ‘Autotuning’ genoemd. De as heeft afhankelijk van de kracht van de servomotor en het gewicht van het te verplaatsen object (inertia) de neiging om bij plotselinge stilstand door te draaien. Er kan gesproken worden van een vliegwiel principe. Om dit tegen te gaan meet de servoversterker de benodigde gegevens van de servomotor en bepaalt wat er moet gebeuren voor de deceleratie. De servoversterker hoeft dit slechts éénmaal in te leren om het vervolgens bij een volgende gelijke cyclus te herhalen. Bij het veranderen van bijvoorbeeld de te verplaatsen last zal de servoversterker opnieuw met behulp van de meetgegevens de parameters veranderen.

Opbouw Servoversterker L1 L2 L3 C Uz R V + - V1 V3 V5 V2 V4 V6 M Last Besturingselectronica Sturing / regeling / bewaking / communicatie Terugkoppeling Gewenste waarde Communicatie BUS Gelijkrichter Energie opslag Rem chopper DC-sturing Tussenkring

DC-sturing + - Iab Iac Ibc T1 T2 T3 T4 T5 T6 A B C N De drie spoelen van de stator worden via zes transistoren (Insulated Gate Bipolar Transistors IGBT) van stroom voorzien. Door de spoelen twee aan twee van stroom te voorzien is het mogelijk een roterend veld langs het oppervlak van de stator op te wekken. Omdat het opgewekte roterende veld d.m.v. gelijkspanning is opgewekt, spreken we van DC-sturing. Omdat de stroom door de statorwikkelingen een blokvorm bezit, spreken we ook wel van blokcommutatie. De stand van de rotor is rechtstreeks gekoppeld aan de sturing in de stator. De stator staat altijd onder spanning, waardoor de rotor wordt vastgehouden (geremd).

Servomotoren Stappenmotor DC servomotor AC servomotor eenvoudig - goedkoop - niet nauwkeurig - laag rendement DC servomotor Voorloper servotechniek - onderhoudsgevoelig - lage toerentallen AC servomotor hoog toerental/startkoppel - onderhoudsvrij - hoog thermisch te belasten

Stappenmotor Voordelen Nadelen Kleine afmetingen Goedkope aansturing (open-loop) Redelijke nauwkeurigheid Houdkoppel aanwezig Nadelen Laag rendement Beperkte snelheid en koppel Resonantie verschijnselen Last heeft invloed op nauwkeurigheid

DC Servomotor Geen voordelen meer Nadelen Was voor zeer grote vermogens Voorloper van servotechniek Nadelen Onderhoudsgevoelig Koolborstels Voeding voor gelijkspanning Dure motoren Geen hoge toerentallen mogelijk

AC Servomotor Voordelen Geen nadelen meer Kleine massatraagheid Hoog toerental mogelijk Snelle koppelopbouw Hoge thermische belasting mogelijk Weinig tot geen onderhoud Gedrag als synchrone motor Compacte uitvoering Geen nadelen meer - Kooiankermotoren - Sleepringankermotoren - Permanentmagneetmotoren Een AC-servomotor bestaat net als alle motoren uit een stator en een rotor. De stator bezit drie wikkelingen die ruimtelijk over 360º zijn verdeeld. De rotor is uitgerust met een aantal permanente magneten. Het materiaal van deze magneten kan bijvoorbeeld zijn: ferriet (goedkoop), samarium-cobalt of neodymium-ijzer-borium (NeFeBo). Dit laatste materiaal bezit een hoge magnetische dichtheid. De AC-servomotor is een synchrone motor. Een AC-servomotor wordt ook wel aangeduid als borstelloze servomotor.

Encoder Digitale opnemer Meerdere signalen mogelijk Snelheid etc Om de stand van de rotor, de draairichting en het toerental van de servomotor naar de besturing terug te koppelen worden encoders toegepast Digitale opnemer Meerdere signalen mogelijk Snelheid Richting Nulpunt of markeerpuls etc

Het bakfiets principe Accelereren Aanloopkoppel (piekkoppel) Bedrijfkoppel Decelereren Remkoppel Wie kent dit typische Amsterdamse vervoermiddel niet. Vreemd genoeg leent de oude techniek van de bakfiets zich uitstekend om de eigenschappen van een servosysteem duidelijk te maken. Zoals iedereen weet heeft de traditionele bakfiets geen rem zoals we die kennen op de huidige fietsen. Het tandwiel waar de trappers aan bevestigd zitten wordt met een ketting direct aan het tandwiel van het achterwiel gekoppeld. Acceleratie: Als de bakfiets van punt A naar punt B met een snelheid C moet gaan zal er in eerste instantie moeten worden geaccelereerd tot snelheid C. De acceleratie zal veel energie nodig hebben om de bakfiets tot snelheid C te brengen. De hoeveelheid energie bepaalt hoe snel de gewenste snelheid C is bereikt. Oftewel, we moeten zwaar trappen om de bakfiets op snelheid te krijgen. Constante snelheid: Wanneer snelheid C is bereikt kan met relatief weinig energie deze snelheid behouden blijven. De massa van het geheel zorgt ervoor dat we rustig aan kunnen trappen. Deceleratie: Voordat punt B bereikt wordt moet begonnen worden aan de deceleratie. De bakfiets heeft dezelfde energie nodig om tot stilstand te komen als bij het accelereren is toegevoegd. De hoeveelheid energie bepaalt hoe snel er geremd kan worden. Des te meer energie des te korter de afgelegde remweg. De kracht van de fietser bepaalt dus duidelijk hoe dynamisch het systeem is.

Eigenschappen van een servosysteem Massatraagheidsmoment (inertia) J in kgm2 Acceleratie- en deceleratietijd t in seconden Benodigd koppel Τ in Nm De reductie overbrenging i in aantal stappen Asbelasting M in Nm

Massatraagheidsmoment (Inertia) Stel: Beide voorwerpen hebben een massa van 125 kg Massatraagheid A = ½ x m x r2 = ½ x 125 kg x (0,5 m)2 = 15,6 kgm2 Massatraagheid B = ½ x m x r2 = ½ x 125 kg x (0,25 m)2 = 3,9 kgm2 Aandrijfschijf A Aandrijfschijf B 100 cm 50 cm 8 cm 2 cm Uit dit voorbeeld blijkt duidelijk dat de massatraagheid afhankelijk is van vorm van de motor. Servomotoren met een lage inertia zijn daarom lang en slank. In de datasheets van servomotoren wordt naast de elektrische gegevens ook het massatraagheidsmoment (inertia) opgegeven.

Acceleratie en deceleratie Piekkoppel Tp = Taandrijf + Tversnelling n = aantal omwentelingen per minuut J = massatraagheidsmoment in kgm2 ta = aanlooptijd of versnellingstijd in sec Taandrijf = Koppel dat de wrijving overwint (Nm) Tversnelling = 2 x π x n x J (Nm) 60 x ta Het verschil tussen het aandrijven van een transportband en een servosysteem is het dynamisch gedrag. Het dynamisch gedrag van een proces zegt iets over de snelheid waarmee de proceswaarde Y de gewenste waarde X volgt. Daarbij dient opgemerkt te worden dat bij servosystemen speciale motoren (servomotoren) worden toegepast. Servomotoren komen zeer snel op toeren en bezitten een hoog piekkoppel. De eisen die aan een servosysteem worden gesteld kunnen zeer uiteenlopen. Zo moet een arm van een robot snel op de juiste plaats gebracht worden om de productietijd zo kort mogelijk te houden. Bij het handelen van planten bijvoorbeeld zal altijd rekening gehouden moeten worden met lange acceleratie- en deceleratietijden om eventuele beschadigingen tegen te gaan.

Tpiek = Taandrijf + Tversnelling Voorbeeld piekkoppel Stel: Een servosysteem moet in een aanlooptijd ta = 2,1 sec een totale massatraagheid J = 0,05 kgm2 versnellen van 0 omw/min naar 2000 omw/min. Het aandrijfkoppel Ta is 1,5 Nm Wat is het piekkoppel Tp? Tpiek = Taandrijf + Tversnelling Tversnelling = 2 x π x n x J = 2 x 3,14 x 2000 x 0,05 = 5 Nm 60 x ta 60 x 2,1 Tp = Ta + Tv = 1,5 + 5 = 6,5 Nm

Effectief koppel 6 5 T Nm Acceleratie 4 3 2 In bedrijf 1 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 -1 t sec Deceleratie -2 De servomotor zal het piekkoppel in zeer korte tijd moeten leveren. Het effectieve koppel van de servomotor is echter afhankelijk van de tijdsintervallen tussen het versnellen en vertragen. De grafiek laat een ideaal voorbeeld zien van een koppelprofiel. Na 2 seconden is het benodigde koppel dat de servomotor moet leveren slechts 1,5 Nm. Dit is het aandrijfkoppel dat de wrijving moet overwinnen. Bij het decelereren werkt de wrijving mee. Het uitloopkoppel is dan 5 Nm – 1,5 Nm = 3,5 Nm. Deze waarde nemen we negatief: -3,5 Nm. Na 14 seconden herhaalt de bewegingscyclus zich. Als het koppelprofiel bekend is, kunnen we het effectieve koppel Mrms van de servomotor bepalen (rms is de afkorting van root mean square). Dit wordt ook wel het continu koppel genoemd. -3 -4 t1 t2 t3 ttotaal

Effectief koppel Trms = T12 x t1 + T22 x t2 + T32 x t3 ttotaal Het effectieve koppel Trms van de servomotor berekenen we met de volgende formule: T1 = koppel gedurende de tijd t1; T2 = koppel gedurende de tijd t2 T3 = koppel gedurende de tijd t3 Trms = T12 x t1 + T22 x t2 + T32 x t3 ttotaal

Voorbeeld effectief koppel Stel: Een servosysteem heeft een koppelprofiel zoals afgebeeld in de grafiek. Wat is het effectieve koppel Trms? ttotaal T12 x t1 + T22 x t2 + T32 x t3 Trms = 14 = 3,34 Nm 6,52 x 2 + 1,52 x 4 + -3,52 x 2 Trms =

Reductor Omzetten toerental en koppel Uitgaande as draait x maal trager Positioneren wordt x maal nauwkeuriger Cyclo Planetair Coaxiaal Servomotoren hebben een hoog nominaal toerental. Een mechanische transmissie, reductiekast genoemd, zal de uitgaande as n maal trager doen draaien en tegelijkertijd zal het beschikbaar koppel aan de uitgaande as n maal groter worden. Hierdoor is het mogelijk om met een kleine motor een hoog koppel te krijgen. Het is als een fiets met versnellingen. Bij een grote overbrenging (klein tandwiel voor en een groot tandwiel achter) hebben we weinig kracht nodig om het achterwiel aan te drijven. De speling in een reductiekast wordt uitgedrukt in minuten (1 omwenteling = 360º, 1º komt overeen met 60 minuten). De speling, backlash genoemd, ontstaat bij het veranderen van de draairichting.

Voorbeeld reductor Stel: Het aandrijfkoppel van een servomotor is 6 Nm en het toerental is 1000 omw/min. De reductieverhouding is 5:1. Wat is het toerental en het koppel van de uitgaande as? Toerental = Toerental = 1000 200 omw/min i 5 Koppel = i x T 5 x 6 30 Nm

Reductie mogelijkheden Naast tandwiel- en cyclokasten zijn er ook Andere manieren om het toerental te reduceren. Oplossingen kunnen zijn: Diameter A is 2 maal diameter B 4 omwentelingen van B is 1 omwenteling van A Verhouding i = 4 : 1 Snaar- of tandriemaandrijvingen Overbrengverhouding is afhankelijk van de spoed van de spindel Spindelaandrijvingen

Verhouding tussen massatraagheid aandrijvingen : last Bij een servo-aandrijving moet er tussen de massatraagheid van de aandrijving (plus eventuele reductiekast) en de last een bepaalde verhouding bestaan, afhankelijk van de toepassing. 1 : 1 Extreem hoog dynamisch gedrag (Ultra-low inertia) Robots, ponsapparaten etc 1 : 5 Middel dynamisch gedrag (Low inertia) Verpakkings- en bewerkingsmachines 1 : 10 Laag dynamisch gedrag (Medium/flat inertia) Handling van delicate producten zoals planten etc

Asbelasting Radiale belasting De kracht die loodrecht op de as staat Axiale belasting De kracht die in de lengterichting van de as optreedt Bij het overschrijden van één van deze maxima zal beschadiging optreden. Radiale belasting Axiale belasting As

Vragen?

Plain Talk Practical Solutions