Guia de seleção de servo motor: torque, velocidade e precisão explicados

Escolher o servo motor certo para uma máquina industrial pode ser mais complicado do que simplesmente verificar a potência nominal do motor.

Um servo motor pode ter potência suficiente, mas ainda assim não consegue fornecer torque suficiente durante a aceleração. Pode atingir a velocidade máxima exigida, mas ter um desempenho ruim em baixa velocidade. Ele também pode ter um codificador de alta-resolução, mas a máquina completa ainda não consegue atingir a precisão de posicionamento exigida pela aplicação.

A razão é simples: torque, velocidade e precisão estão conectados.

Ao selecionar um servo motor, você precisa considerar o motor, o codificador, o servo acionamento, a transmissão mecânica e a carga real como um sistema completo de controle de movimento.

Este guia explica os três mais importantesservo motorfatores de seleção-torque, velocidade e precisão-e mostra como usá-los juntos ao escolher um motor para aplicações industriais.

Por que o torque, a velocidade e a precisão são importantes na seleção do servo motor

Máquinas diferentes impõem demandas diferentes aos seus servomotores.

Uma máquina de embalagem pode precisar de aceleração rápida e parada precisa.

Um transportador pode precisar de torque contínuo e estável e controle de velocidade.

Uma junta robótica pode precisar de alto torque em um pacote compacto.

Uma máquina CNC pode priorizar a precisão do posicionamento e uma operação suave em baixa-velocidade.

Portanto, não existe um único servo motor que seja “melhor” para cada aplicação.

O motor certo deve fornecer a combinação necessária de:

• Torque contínuo
• Torque máximo
• Velocidade operacional
• Velocidade máxima
• Aceleração
• Precisão de posicionamento
• Resolução do codificador
• Inércia de carga
• Ciclo de trabalho

Entre esses parâmetros, torque, velocidade e precisão são os três pontos de partida mais importantes.

1. Torque: o servo motor pode mover sua carga?

O torque determina quanta força rotacional o servo motor pode produzir.

Para equipamentos industriais, o torque geralmente é mais importante do que simplesmente observar a potência.

Um servo motor necessita de torque suficiente para superar a resistência mecânica da máquina e acelerar a carga.

O requisito de torque total pode incluir:

Torque de carga

Torque de fricção

Torque de aceleração

Torque relacionado-à gravidade

Perdas de transmissão

Isto significa que o motor não deve ser selecionado apenas de acordo com o peso da carga.

A estrutura mecânica da máquina é igualmente importante.

Torque Contínuo vs Torque de Pico

Esta é uma das distinções mais importantes ao selecionar um servo motor.

Torque Contínuo

Torque contínuo é a quantidade de torque que o motor pode fornecer durante a operação normal sem exceder seus limites térmicos.

É importante quando o motor precisa operar sob carga por longos períodos.

Por exemplo:

Um transportador pode exigir 5 N·m de torque continuamente.

Neste caso, o motor selecionado deverá ter torque contínuo suficiente para suportar a carga de 5 N·m sem operar continuamente no seu limite térmico.

Pico de Torque

O torque máximo é o torque mais alto disponível por curtos períodos.

Torna-se importante durante:

• Comece
• Aceleração
• Desaceleração rápida
• Mudanças de direção
• Mudanças repentinas de carga

Por exemplo, uma máquina pode exigir:

Torque contínuo de 5 N·m

mas

Torque máximo de 10 N·m

durante a aceleração.

Um motor com torque contínuo adequado, mas com torque de pico insuficiente, pode operar normalmente em velocidade constante, mas terá dificuldades sempre que a máquina precisar acelerar rapidamente.

É por isso que ambos os números devem ser verificados.

Quanto de margem de torque você deve deixar?

Um erro comum é escolher um motor cujo torque nominal seja exatamente igual à carga calculada.

Máquinas reais raramente operam em condições perfeitamente constantes.

As cargas podem mudar devido a:

• Peso do produto
• Fricção mecânica
• Temperatura
• Vestir
• Aceleração
• Eficiência de transmissão
• Condições de produção
• Uma margem de engenharia razoável é, portanto, útil.

Entretanto, simplesmente escolher um motor que seja várias vezes maior que a carga calculada não é necessariamente melhor.

Um motor superdimensionado pode aumentar:

• Custo do motor
• Custo do servo acionamento
• Inércia do sistema
• Espaço de instalação
• Consumo de energia

O objetivo é fornecer capacidade de torque suficiente sem superdimensionar desnecessariamente o sistema.

2. Velocidade: Quão rápido o motor precisa para funcionar?

A velocidade é a segunda consideração principal.

Ao selecionar um servo motor, não olhe apenas para as RPM máximas.

Você deve determinar três pontos operacionais:

Velocidade mínima de operação

Velocidade normal de operação

Velocidade máxima de operação

A questão importante não é:

"Quão rápido esse motor pode girar?"

Isso é:

"Este motor pode fornecer o torque necessário na velocidade que minha máquina realmente precisa?"

Esta distinção é extremamente importante.

Um servo motor pode ter uma velocidade máxima de 5.000 RPM, mas isso não significa que possa fornecer seu torque máximo a 5.000 RPM.

Os servomotores têm características de torque{0}}velocidade que precisam ser consideradas durante a seleção.

Por que alta velocidade e alto torque podem ser difíceis de combinar

A velocidade e o torque do motor estão intimamente relacionados às características elétricas e mecânicas do motor.

Quando a velocidade aumenta, o motor pode entrar numa região onde o torque disponível diminui.

Isso cria uma importante questão de seleção:

Você precisa de alto torque, alta velocidade ou ambos ao mesmo tempo?

Por exemplo:

Aplicação A

Velocidade operacional: 1.000 RPM

Torque necessário: 10 N·m

Aplicação B

Velocidade operacional: 4.000 RPM

Torque necessário: 10 N·m

Embora ambas as aplicações exijam o mesmo torque, a Aplicação B é muito mais exigente porque o motor deve manter esse torque a uma velocidade muito mais alta.

Portanto, olhar apenas para a classificação de torque não é suficiente.

Sempre verifique a curva de{0}velocidade de torque do motor.

Velocidade também tem a ver com aceleração

Para aplicações servo, a velocidade máxima é apenas uma parte da equação.

A aceleração pode ser ainda mais importante.

Considere uma máquina que precisa passar de:

0 → 3.000 RPM em 0,2 segundos

Isso é muito diferente de uma máquina que leva:

10 segundos para atingir 3.000 RPM.

A primeira aplicação requer um desempenho dinâmico muito maior.

O motor deve fornecer torque suficiente para acelerar o rotor e a carga conectada dentro do tempo necessário.

É por isso que os requisitos de aceleração devem ser fornecidos ao fornecedor do motor durante a seleção.

3. Precisão: com que precisão o servo motor pode posicionar a carga?

A precisão é frequentemente mal compreendida na seleção de servo motores.

Muitos compradores presumem que uma alta resolução do codificador significa automaticamente que a máquina terá uma precisão de posicionamento extremamente alta.

Isso não é necessariamente verdade.

A precisão real do sistema depende de vários componentes:

• Resolução do codificador
• Algoritmo de controle servo
• Folga mecânica
• Rigidez do eixo
• Precisão da caixa de velocidades
• Flexibilidade de acoplamento
• Vibração da máquina
• Inércia de carga
• Tolerância de fabricação mecânica

O codificador é apenas uma parte do sistema completo.

Resolução do codificador versus precisão de posicionamento real

Esses dois termos não devem ser tratados como a mesma coisa.

Resolução do codificador

A resolução do codificador descreve com que precisão o codificador pode detectar alterações na posição do eixo.

Uma resolução mais alta fornece mais informações de feedback ao controlador.

Isso pode melhorar:

• Feedback de posição
• Suavidade em baixa-velocidade
• Controle de movimento
• Repetibilidade

Mas uma resolução mais alta não elimina automaticamente os erros mecânicos.

Precisão de posicionamento real

A precisão do posicionamento descreve o quão próxima a posição mecânica real está da posição comandada.

Por exemplo, se uma máquina for comandada para se mover para 100,00 mm, mas a posição final for 100,08 mm, o erro de posicionamento será de 0,08 mm.

Esse erro pode vir de:

• Folga da caixa de velocidades
• Elasticidade do cinto
• Erro de avanço do parafuso
• Deformação mecânica
• Montagem do codificador
• Movimento de carga

Portanto, quando um cliente diz: "Preciso de um servo motor-de alta precisão", a pergunta correta é:

De que precisão a máquina completa realmente precisa?

Repetibilidade vs Precisão

Esses também são conceitos diferentes.

Uma máquina pode parar repetidamente quase exatamente na mesma posição, mas ainda assim estar ligeiramente afastada da posição comandada.

Por exemplo:

• Posição alvo: 100,00 mm
• Resultados reais:
• 100,08 milímetros
• 100,08 milímetros
• 100,07 milímetros
• 100,08 milímetros

O sistema tem boa repetibilidade, mas baixa precisão absoluta.

Essa distinção é importante em aplicações como:

• Equipamento CNC
• Robótica
• Máquinas de inspeção
• Equipamento semicondutor
• Montagem de precisão
• Sistemas de posicionamento automatizados

Inércia de carga: o fator oculto por trás do desempenho do servo

Torque, velocidade e precisão não podem ser avaliados separadamente da inércia da carga.

Um servo motor pode ter torque nominal suficiente, mas ainda assim funcionar mal se a carga conectada tiver uma inércia muito alta.

A alta inércia pode causar:

• Aceleração lenta
• Ultrapassar
• Vibração
• Longo tempo de acomodação
• Erros de posicionamento
• Instabilidade servo

Cargas comuns de alta-inércia incluem:

• Rolos grandes
• Mesas rotativas
• Volantes
• Engrenagens grandes
• Braços robóticos pesados
• Conjuntos giratórios-de alta massa

Por esta razão, o fornecedor do motor deve conhecer a inércia aproximada da carga sempre que possível.

Por que o Servo Drive é importante

O servo motor é apenas uma parte do sistema.

O servoacionamento determina como a energia elétrica é fornecida ao motor e como o sinal de feedback é processado.

Antes de selecionar um motor, verifique a compatibilidade entre:

• Tensão do motor
• Corrente do motor
• Codificador
• Servo acionamento
• Controlador
• Interface de comunicação

Um motor com especificações excelentes ainda pode fornecer resultados ruins se o inversor não for compatível corretamente.

O motor e o inversor devem, portanto, ser selecionados como um sistema.

Escolhendo o Servo Motor Certo por Aplicação

Diferentes aplicações priorizam especificações diferentes.

É por isso que simplesmente pedir “um servo motor de 2 kW” não fornece informações suficientes para uma seleção adequada.

Servomotores 24V vs 48V vs 220V

A tensão é outro fator de seleção importante.

Servomotor 24V

Servo motores de 24 V são comumente considerados para:

AGVs

RAM

Robôs móveis

Máquinas-alimentadas por bateria

Equipamento de automação compacto

Eles são particularmente convenientes quando a máquina já utiliza uma arquitetura elétrica de 24 Vcc.

Servomotor 48V

Os sistemas de 48 V podem fornecer mais potência com corrente mais baixa em comparação com os sistemas de 24 V.

Isso pode ser útil para:

Robôs móveis

Equipamento elétrico

Automação-de potência média

Sistemas industriais-alimentados por bateria

A corrente mais baixa também pode ajudar a reduzir o tamanho do cabo e as perdas elétricas.

Servomotor 220V

Os servomotores 220V são amplamente utilizados em automação industrial onde é necessária maior potência.

As aplicações típicas incluem:

Máquinas CNC

Robôs industriais

Máquinas de embalagem

Equipamento de produção automatizado

A tensão apropriada depende da arquitetura elétrica completa da máquina e não apenas da preferência do motor.

Quando você precisa de uma caixa de câmbio?

Uma caixa de engrenagens pode ser necessária quando a aplicação precisar de:

Alto torque de saída

Baixa velocidade de saída

Alta precisão de posicionamento

Melhor correspondência de inércia

Por exemplo, um servo motor pode operar eficientemente a vários milhares de RPM, enquanto a máquina necessita apenas de algumas centenas de RPM.

Uma caixa de engrenagens pode reduzir a velocidade enquanto aumenta o torque de saída.

No entanto, as caixas de velocidades também apresentam:

Retaliação

Perdas mecânicas

Custo adicional

Manutenção adicional

Para aplicações de precisão, a folga da caixa de engrenagens deve ser incluída na análise de precisão.

Quando você deve escolher um servo motor de alto torque?

Vale a pena considerar um servo motor de alto torque quando a aplicação envolve:

Cargas pesadas

Aceleração rápida

Partidas e paradas frequentes

Alta inércia

Elevação vertical

Grande equipamento rotativo

Robótica-de serviço pesado

No entanto, alto torque não deve ser confundido com “melhor”.

Se a sua máquina precisar apenas de uma pequena quantidade de torque, o uso de um motor de alto torque significativamente superdimensionado poderá aumentar o custo do sistema sem melhorar o desempenho.

O motor deve ser dimensionado de acordo com o perfil de movimento real.

Um processo prático de seleção de servomotores

Um bom processo de seleção pode ser reduzido às seguintes etapas.

Etapa 1 - Definir a carga

Determinar:

Peso da carga

Tipo de carga

Atrito

Efeitos de gravidade

Transmissão mecânica

Etapa 2 - Calcular Torque

Determinar:

Torque contínuo

Torque máximo

Torque inicial

Torque de aceleração

Etapa 3 - Definir velocidade

Identificar:

Velocidade mínima

Velocidade normal

Velocidade máxima

Tempo de aceleração

Etapa 4 - Calcular a Inércia

Avalie a inércia de:

Motor

Acoplamento

Caixa de velocidades

Polia

Rolo

Carregar

Etapa 5 - Definir precisão

Determine se o aplicativo requer:

Precisão de posição

Repetibilidade

Suavidade em baixa-velocidade

Feedback de alta-resolução

Etapa 6 - Selecionar codificador

Escolha um codificador com base no desempenho de controle necessário.

Etapa 7 - Combine o Servo Drive

Verifique os requisitos de tensão, corrente, codificador, comunicação e controle.

Etapa 8 - Avaliar o ambiente

Verifique temperatura, umidade, poeira, vibração e outras condições operacionais.

Etapa 9 - Revise o perfil de movimento completo

Certifique-se de que o motor selecionado possa lidar com o ciclo real-e não apenas com um ponto operacional.

Lista de verificação de seleção de servo motor para compradores

Antes de solicitar um orçamento, prepare as seguintes informações:

Mecânico

Peso da carga

Inércia de carga

Tipo de transmissão

Relação de transmissão

Requisitos do eixo

Dimensões de montagem

Desempenho

Torque contínuo

Torque máximo

Velocidade nominal

Velocidade máxima

Tempo de aceleração

Tempo de desaceleração

Ciclo de trabalho

Precisão

Precisão de posicionamento necessária

Repetibilidade necessária

Preferência do codificador

Requisitos de folga

Elétrica

Tensão disponível

Corrente contínua

Corrente de pico

Tipo de controlador

Protocolo de comunicação

Ambiente

Temperatura ambiente

Pó

Umidade

Vibração

Condições de instalação

Quanto mais completa for esta informação, mais fácil será para o fornecedor recomendar o motor correto.

Erros comuns na seleção de servomotores

Escolhendo apenas por potência

A potência é importante, mas não informa o suficiente sobre o torque em uma velocidade específica.

Ignorando o pico de torque

Um motor pode atender à carga contínua, mas falhar durante a aceleração.

Assumindo que a resolução do codificador é igual à precisão

A folga mecânica e a deformação ainda podem limitar a precisão do posicionamento final.

Ignorando a Inércia

A alta inércia da carga pode dificultar o controle de um motor alimentado corretamente.

Superdimensionando o motor

Um motor maior não é automaticamente mais confiável ou mais eficiente.

Selecionando o motor antes do inversor

O motor e o inversor precisam ser compatíveis desde o início.

Como Auric ajuda você a selecionar o servo motor certo

Para OEMs industriais, escolher um servo motor em um catálogo pode ser difícil porque o catálogo raramente descreve todos os detalhes da máquina real.

Áuricoaborda a seleção do servo motor do lado da aplicação.

Em vez de pedir apenas a potência do motor, o processo de seleção pode considerar:

Torque necessário

Torque máximo

Velocidade operacional

Aceleração

Inércia de carga

Requisitos do codificador

Tensão

Dimensões de montagem

Configuração do eixo

Requisitos de freio

Compatibilidade com servodrive

Isto é particularmente útil para fabricantes de equipamentos que precisam de um servo motor que se adapte a uma estrutura mecânica existente ou a um novo projeto de máquina.

Auric também pode avaliar requisitos personalizados para aplicações OEM onde as especificações padrão do catálogo não são suficientes.

O objetivo não é simplesmente fornecer um motor com especificações superiores.

É fornecer um motor que corresponda adequadamente aos requisitos reais de movimento da máquina.

Perguntas frequentes

Qual é a especificação mais importante ao selecionar um servo motor?

Não existe uma especificação mais importante. Torque, velocidade, aceleração, inércia da carga, precisão e ciclo de trabalho precisam ser considerados em conjunto.

Para a maioria das aplicações, o torque contínuo e o torque máximo são as primeiras especificações a serem calculadas.

Como calculo o torque necessário do servo motor?

Comece avaliando o torque da carga, o atrito, os requisitos de aceleração, a gravidade e as perdas mecânicas da transmissão. A pior-condição operacional deve ser incluída no cálculo.

Um servo motor com RPM mais alto oferece melhor desempenho?

Não necessariamente. Uma velocidade máxima elevada só é útil se a máquina realmente a exigir. Você também precisa verificar quanto torque o motor pode fornecer nessa velocidade.

Um codificador de alta-resolução torna a máquina mais precisa?

Não automaticamente. A resolução do codificador melhora a resolução do feedback, mas a precisão final da máquina também depende da folga mecânica, da precisão da transmissão, da rigidez, da vibração e do desempenho do controle.

Preciso de uma caixa de câmbio com meu servo motor?

Nem sempre. Uma caixa de engrenagens é útil quando você precisa de maior torque de saída em velocidades mais baixas ou melhor correspondência de carga. Os servomotores de acionamento-direto podem ser adequados quando a aplicação não requer redução de velocidade.

Como escolho entre servomotores de 24 V, 48 V e 220 V?

Comece com a arquitetura elétrica disponível e a potência necessária. 24V e 48V são comuns em sistemas de baixa-tensão e alimentados por bateria-, enquanto 220V é mais comum em máquinas industriais-de potência mais alta.

Considerações Finais

Selecionar um servo motor não significa encontrar o motor com o maior torque, maior RPM ou maior resolução do encoder.

Trata-se de encontrar o equilíbrio certo entre torque, velocidade e precisão.

O motor precisa de torque contínuo suficiente para lidar com a carga normal, pico de torque suficiente para lidar com a aceleração, velocidade suficiente para o ciclo necessário e feedback apropriado para atingir o desempenho de posicionamento necessário.

Ao mesmo tempo, a inércia da carga, a transmissão mecânica, o ciclo de trabalho, a compatibilidade do servoacionamento e o ambiente operacional também devem ser considerados.

O melhor servo motor não é necessariamente o modelo maior ou mais potente.

É o motor que pode fornecer o torque necessário, na velocidade necessária e com a precisão necessária, permanecendo ao mesmo tempo confiável e econômico durante a vida útil da máquina.

Para OEMs industriais e fabricantes de equipamentos de automação, definir esses requisitos antes da compra pode evitar substituições dispendiosas de motores e problemas de comissionamento posteriores.

Se você puder fornecer a carga real, velocidade, aceleração, precisão, ciclo de trabalho e requisitos de instalação, um fornecedor profissional de servo motor como a Auric pode ajudá-lo a passar de uma especificação geral do motor para uma solução de controle de movimento adequada.