Прямой привод - гарантия производительности *

В предлагаемых решениях к известным преимуществам серводвигателей добавляется отсутствие механических трансмиссий.

Значительная часть современного полиграфического оборудования оснащается традиционными сервомоторами с механической трансмиссией — редуктором или ременной зубчатой передачей. Такой механизм соединения с серводвигателем, сам по себе не требующий технического обслуживания, заставляет выполнять дополнительные операции — смазку редуктора или регулировку/замену ремня.

Хотя стандартные серводвигатели отлично работают в таких схемах, люфты или упругая деформация шестерён (зубчатых ремней) приводят к биениям внутри передач или сложностям их настройки. Избыточные упругие деформации и связанные с ними проблемы возникают даже там, где нет редукторов и ремней, — в соединительных муфтах между серводвигателем и валом исполнительного механизма.

Оценивая стоимость подобных систем, часто не учитывают дополнительные затраты на интеграцию двигателя в печатную машину, разработку дополнительных элементов конструкции и незапланированные расходы при простоях — на запчасти, сервисные услуги, убытки из-за падения производительности.

Альтернатива для полиграфии: ротационные системы с прямым приводом (РСПП) — двигателем с большим крутящим моментом и постоянными магнитами, напрямую соединённым с валом исполнительного механизма. Здесь нет механических передач, что даёт разработчикам полиграфического оборудования и печатникам существенные выгоды.

В статье рассмотрены аспекты применения традиционных серводвигателей, РСПП закрытого и открытого исполнения, новых кассетных РСПП, преимущества и недостатки всех вариантов.

Традиционные сервосистемы

В стандартных системах с сервомотором бесщёточный электродвигатель соединён с валом исполнительного механизма посредством муфты или трансмиссии (редуктора или зубчатой ременной передачи). Как правило, электродвигатель оснащён встроенным датчиком обратной связи (преобразователь, датчик углового положения, датчики Холла и т. д.). Для питания двигателя требуется усилитель мощности, работающий под управлением системы обратной связи. Когда связь валов электродвигателя и исполнительного механизма осуществляется только через муфту, требования к техническому обслуживанию минимальны. Но для нормального функционирования важна жёсткость соединения: если она слишком велика, сборка работает с максимальной скоростью, но сложна в настройке. Пониженная жёсткость упрощает настройку, но — за счёт потерь в скорости вращения.

Что используется в качестве трансмиссии печатной машины — редуктор или ременной зубчатый привод — зависит от её скорости и требуемого крутящего момента. Ременные приводы, как и соединительные муфты, часто имеют невысокую жёсткость соединения. Ремни требуют регулярного технического обслуживания и могут явиться источником непредвиденных простоев.

Типичная проблема редукторов — люфт шестерён, усложняющий настройку и снижающий допустимую частоту вращения вала. Прецизионные шестерни решают вопрос, но существенно повышают стоимость оборудования. Помимо проблем со скоростью передачи, не стоит забывать о регулярном техобслуживании — редуктор не самый надёжный компонент системы.

Главная причина, по которой стандартные сервоприводные схемы используются в полиграфическом оборудовании, — цена. Сервомотор с механической трансмиссией, как правило, дешевле сопоставимой системы с прямым приводом.

Ситуация кардинально меняется, когда речь заходит об интеграции компонентов, обеспечении стабильной работы передачи и техобслуживании.

Традиционные электродвигатели не в состоянии конкурировать по скорости с РСПП — её величиной приходится жертвовать из-за невысокой жёсткости соединений и наличия люфтов. А цена скоростного шестерёнчатого редуктора сопоставима с прямоприводной системой.

Прямой привод компактнее, не шумит и оптимален там, где важен размер оборудования (удалённость узлов привода от рабочей зоны машины) или низкий уровень шума (немаловажный эргономический фактор современных производств).

Использовать традиционные сервосистемы рекомендуется для привода механизмов, изначально не требующих механических трансмиссий, т. е. небольших или второстепенных.

РСПП

Ротационные системы с прямым приводом (англ. DDR, Direct-Drive Rotary) обладают всеми преимуществами бесщёточных серводвигателей, одновременно снимая проблемы с упругой деформацией муфт, люфтами зубчатых соединений и их обслуживанием.

Прямое соединение электродвигателя с исполнительным механизмом исключает потребность в трансмиссии. Устраняя необходимость в техобслуживании, РСПП не требуют динамической балансировки, точность центровки и удержания заданной частоты вращения возрастает в 50 раз, уровень шума падает до 20 дБ.

Отсутствие трансмиссий уменьшает размеры машины, а её производительность выше, работа бесшумна, техобслуживание привода не нужно.

Электрические «кубики»

Именно электродвигатели открытого исполнения положили начало технологии прямого привода. Как правило, их разрабатывают с учётом особенностей оборудования, и это оптимальное решение при жёстких требованиях к машине по габаритам и массе.

Ряд моделей даже включён в каталоги и поставляется на рынок «как есть». Хотя они не поолучили широкого распространения, у них есть преимущества: доступность, соответствие требованиям техники безопасности, готовые блоки обратной связи.

РСПП открытого исполнения (англ. Frameless DDR) — отдельные ротор и статор, без подшипников. Их особенность — выбор компонентов системы обратной связи и проектирование законченной системы управления предоставлены разработчику машины, а не поставляются в виде готового решения в составе двигателя.

Все компоненты проектируются с учётом конструкции машины и становятся её неотъемлемой частью. В машину встраивается и устройство обратной связи, электронный усилитель мощности обеспечивает работу двигателя и обратной связи. Конструктор может приобретать все компоненты у одного поставщика или заказать усилитель мощности и устройство обратной связи отдельно.

Поскольку электродвигатели открытого исполнения встраивают в машины, они занимают минимум места. Но создание таких интегрированных решений наиболее затратно, требует много времени и большого опыта. При неполадках встроенную систему очень сложно ремонтировать.

РСПП с электродвигателями открытого исполнения — оптимальное решение, когда ценовой фактор не является определяющим и требуется максимально снизить размер и вес оборудования, не жертвуя производительностью.

Подшипники — в комплекте

В РСПП, базирующихся на электродвигателях закрытого исполнения, ротор, статор и отрегулированное на заводе устройство обратной связи собраны в одном корпусе с прецизионными подшипниками. Хотя для них тоже необходим специализированный усилитель мощности, машины чаще всего оснащают именно такими двигателями, поскольку их проще подбирать, устанавливать и обслуживать, чем двигатели открытого исполнения.

РСПП закрытого исполнения (англ. Housed DDR) оптимальны для тех полиграфических машин, где вал исполнительного механизма базируется на подшипниках электродвигателя.

Если подшипники уже установлены, ведущий вал двигателя напрямую соединяют с исполнительным, в противном случае потребуется регулировка нескольких подшипниковых групп — сложная и длительная процедура, сводящая на нет преимущества корпусных прямоприводных систем.

Популярность данного типа РСПП растёт — ряд производителей уже применили их в своих первых разработках машин с прямым приводом. Хотя технология нова, этот шаг демонстрирует понимание преимуществ РСПП. В итоге, стоимость систем этого класса сопоставима с традиционными решениями на базе электродвигателей с механической трансмиссией.

РСПП с электродвигателями закрытого исполнения компактнее традиционных сервоприводов и поставляются в виде единой сборки (ротор, статор, блок обратной связи, подшипники и корпус), что снижает стоимость их интеграции в машину, — она ниже, чем у РСПП открытого типа. Последние, однако, гибче и компактнее.

РСПП закрытого исполнения, как правило, используются в исполнительных механизмах без собственных подшипников, например, в устройствах позиционирования. Характерные особенности — быстрая и простая установка, отрегулированное на заводе устройство обратной связи, встроенные подшипники и значительно меньшая стоимость по сравнению с прямыми приводами открытого типа.

Кассетные РСПП

Кассетные системы — новое слово в технологиях РСПП. По сути, это аналог систем закрытого типа, но без подшипников, благодаря чему их удобно встраивать в подшипниковые опоры. Уникальные компрессионные муфты, соединяющие ротор с валом исполнительного механизма, и новая система механических фиксаторов позволяют произвести монтаж и подготовку к работе менее чем за 30 минут.

Как и системы закрытого типа, их кассетные аналоги — единое устройство и легко интегрируются в оборудование, имея гибкость РСПП открытого типа из-за отсутствия подшипников. Это оптимальное по стоимости решение для агрегатов с подшипниковыми опорами, способное, в зависимости от размера (требуемого крутящего момента), конкурировать по цене с традиционными сервосистемами.

Касетные РСПП (англ. Cartridge DDR) широко используются в полиграфическом оборудовании. Адаптируются практически к любому подшипниковому узлу, обеспечивая все преимущества прямого привода при минимальной цене, быстрой и простой установке.

Заключение

Особенности всех РСПП — отсутствие техобслуживания и люфтов, сокращение простоев, стабильность работы, абсолютная жёсткость соединения с исполнительным механизмом, высокая точность передачи, малые габариты и уровень шума, простор регулировки частоты вращения.

Многие конструкции с прямым приводом доступны в конфигурациях с «полым валом» — когда электрические, пневматические линии и другие компоненты машины можно проводить через двигатель, экономя внутреннее пространство.

Не все производители предлагают полный набор типов РСПП. Более того, разные варианты исполнения их электромагнитной части подразумевают различия в эксплуатационных характеристиках, стоимости (зависит от величины крутящего момента) и скоростных параметрах.

Электродвигатели с переменным магнитным сопротивлением по эксплуатационным параметрам, вращающему моменту и скорости несопоставимы с бесщёточными высокоэффективными электродвигателями с постоянным магнитом. Для них требуется специально подобранный усилитель мощности, что ограничивает свободу выбора двигателя и усложняет сервисное обслуживание.

Некоторые печатные машины только выиграют, если типы РСПП их исполнительных механизмов будут разными. В идеале, они должны быть от одного производителя — можно применять одинаковые усилители мощности, что упростит работу сервисной службы и операторов.

Цена РСПП зачастую выше стоимости традиционных сервомоторов. Разница — 30% для кассетных решений и 4:1 для систем открытого типа (полная стоимость, включая проектирование и интеграцию).

Но если учесть затраты на обслуживание, картина станет иной. Стандартная пятилетняя эксплуатация РСПП обойдется в 3–10 раз дешевле, чем традиционного серводвигателя.

Для конструкторов технология прямого привода означает упрощённые схемы интеграции двигателей в машины, а для потребителей — увеличенную скорость, минимум техобслуживания и незапланированных простоев, — то есть максимальную производительность при минимальных эксплуатационных расходах и потерях рабочего времени.

Об авторе: Крис Редли (Chris.radley@danahermotion.com, www.danahermotion.com), старший менеджер по производству подразделения Motion Control корпорации Danaher, отвечает за разработку и маркетинг серводвигателей с прямым ротационным и линейным приводами.

Редакция выражает благодарность Дмитрию Ширенову, техническому директору компании «Варио-Сервис», за консультации при переводе статьи.

* Печатается с разрешения редакции журнала Converting magazine. Copyright © 2004_Reed Business Information, a division of Reed Elsevier Inc. All rights reserved.