Сервоприводы: что это и почему они важны для станков

В статье мы расскажем все про сервопривод, что это такое, зачем он нужен и какую роль играет в работе станка, о его видах в зависимости от конструкции и функционала. Рассмотрим сферы применения сервоприводов и отметим преимущества каждого типа этого устройства.

Что такое сервопривод

Эти устройства используются для точного управления движением в различных системах, будь то промышленные роботы, автомобили или даже бытовая электроника. Сервопривод играет ключевую роль в современной автоматизации и робототехнике.

Как работает сервопривод

Какие у сервопривода отличия от обычного электрического двигателя? Разница в том, что первый может задать точное положение вала. Практически любой привод, в конструкции которого имеется датчик и управляющий блок, можно называть сервоприводом, если он поддерживает необходимые параметры в режиме “автомат”.

Получение команды

Сервопривод получает команду от управляющего устройства, обычно это контроллер (например, PLC, CNC или другие системы), который задает желаемое положение, скорость или момент силы для приводного элемента.

Сравнение с текущим положением

Внутри сервопривода есть датчик положения (например, энкодер или резольвер), который отслеживает текущее положение или скорость вращения вала мотора. Этот датчик постоянно передает информацию о положении в систему управления.

Управление движением

Если текущее положение мотора отличается от требуемого, система управления вычисляет ошибку (разницу между желаемым и фактическим положением) и передает сигнал на усилитель, который регулирует питание мотора.

Использование мотора

Усилитель изменяет параметры питания мотора (например, напряжение или ток), что влияет на его скорость и вращение. В зависимости от задания, мотор может двигаться быстрее или медленнее, крутиться в одном или другом направлении.

Непрерывная обратная связь

Во время работы сервопривод постоянно проверяет положение с помощью датчиков, корректирует движение, если это необходимо, и поддерживает заданные параметры.
Сервопривод продолжает корректировать движение, пока не достигнет точного положения, заданного в команде. Например, это может быть точное перемещение робота или настройка угла наклона механизма.

Ключевые компоненты сервопривода

Мотор

Это может быть постоянный или переменный ток (DC или AC мотор), который осуществляет движение. Также могут использоваться шаговые или синхронные сервомоторы для достижения высокой точности.

Датчик положения

Обеспечивает систему обратной связи, контролируя положение или скорость мотора. Часто используется энкодер или резольвер.

Контроллер

Это устройство, которое принимает входные сигналы (например, от пользователя или системы управления) и генерирует команды для мотора, учитывая параметры, такие как скорость, положение и момент.

Усилитель

Устройство, которое регулирует питание мотора, чтобы достичь заданных характеристик, таких как скорость вращения или момент.

Характеристики сервоприводов

Из числа главных характеристик сервоприводов стоит выделить:

• усилие на валу;
• тип (цифровой или аналоговый);
• скорость поворота вала;
• питание;
• материал, из которого изготовлен редуктор;
• угол поворота вала.

Типы сервоприводов

В зависимости от конструкции и принципа работы сервоприводы можно разделить на несколько основных типов. Рассмотрим каждый из них, а также их применение.

Электрические сервоприводы

Наиболее распространены в промышленности и повседневной жизни. В их основе лежит электрический двигатель постоянного или переменного тока, который получает сигналы от контроллера и преобразует их в механическое движение. Эти устройства обычно оснащены системой обратной связи, которая позволяет точно регулировать положение, скорость и крутящий момент.

Сферы применения:

• Робототехника: электрические сервоприводы широко используются для управления манипуляторами роботов, которые требуют высокой точности.
• Авиация: в авионике они управляют стабилизаторами и закрылками для поддержания необходимых параметров полёта.
• Автомобильная промышленность: используются в системах рулевого управления, а также в приводах стеклоочистителей и зеркал.

Преимущества:

• высокая точность и отзывчивость;
• широкий диапазон применений;
• легкость интеграции с электронными системами управления.

Гидравлические сервоприводы

Они используют жидкость под давлением для создания силы и управления движением. Состоят из гидравлического насоса, цилиндра и системы клапанов. Жидкость передаёт давление на поршень, который, в свою очередь, создаёт движение.

Сферы применения:

• Строительная техника: гидравлические системы используются в экскаваторах, бульдозерах и кранах, где требуется большая сила.
• Авиация: гидравлика используется для управления крупными элементами, такими, как закрылки и шасси.
• Промышленные прессы: сервоприводы в гидравлических прессах обеспечивают высокое давление, необходимое для обработки металлов.

Преимущества:

• высокий крутящий момент при малых размерах;
• способность выдерживать большие нагрузки;
• надежность в тяжелых условиях эксплуатации.

Пневматические сервоприводы

Эти устройства используют сжатый воздух для управления движением: похожи на гидравлические, но вместо жидкости под давлением применяется воздух. Благодаря изменению давления воздуха в системе происходит управление движением.

Сферы применения:

• Манипуляторы в промышленности: пневматика активно применяется для управления простыми механизмами, например, на сборочных линиях.
• Автоматизированные клапаны: в системах управления потоками жидкостей и газов пневматические приводы обеспечивают надежное открытие и закрытие клапанов.
• Медицинское оборудование: применяются в аппаратах для искусственной вентиляции легких и других медицинских устройствах, где требуется точное управление давлением воздуха.

Преимущества:

• простота конструкции;
• безопасность в условиях риска взрыва (по сравнению с электрическими системами);
• низкая стоимость обслуживания.

Линейные сервоприводы

Преобразуют вращательное движение в поступательное. Это достигается с помощью винтовых передач или других механических систем. Линейные сервоприводы могут быть электрическими, гидравлическими или пневматическими, в зависимости от источника энергии.

Сферы применения:

• Медицинская техника: линейные приводы часто используются в больничных кроватях, инвалидных колясках и других устройствах для обеспечения точного и плавного перемещения.
• Промышленное оборудование: в станках и производственных линиях линейные приводы используются для высокоточного позиционирования деталей.
• Аэрокосмическая промышленность: используются для управления элементами конструкции, такими как панели и антенны.

Преимущества:

• высокая точность при выполнении линейных движений;
• надежность и долговечность;
• простота интеграции в различные системы.

Оптические сервоприводы

Используют световые сигналы для управления движением. Эти системы чаще всего встречаются в прецизионных системах управления, таких как оптические приборы и лазерные установки. В них используются датчики света и оптические линзы для получения информации о положении и скорости.

Сферы применения:

• Оборудование для производства полупроводников: в производстве микросхем, где требуется микронная точность, используются оптические приводы.
• Научные приборы: оптические сервоприводы часто используются в микроскопах, телескопах и других высокоточных оптических приборах.
• Лазерные резаки: управление лазерным лучом требует точности, которую обеспечивают оптические системы.

Преимущества:

• экстремальная точность;
• отсутствие механического износа;
• возможность работы в условиях вакуума и высоких температур.

Каждый тип сервопривода обладает уникальными характеристиками и преимуществами, которые определяют сферу его применения. Электрические сервоприводы используются для решения сложных задач, требующих высокой точности, в то время как гидравлические и пневматические системы подходят для работы в условиях высоких нагрузок и агрессивной среды. Линейные и оптические приводы находят применение в узкоспециализированных областях, где требуются предельная точность и надежность.