Silniki serwo Festo

Silniki serwo Festo to elektryczne silniki synchroniczne przeznaczone do precyzyjnej regulacji położenia, prędkości obrotowej i momentu obrotowego. W odróżnieniu od zwykłego silnika indukcyjnego pracują jako część zamkniętej pętli regulacji. Enkoder mierzy aktualne położenie wirnika, sterownik porównuje wartość rzeczywistą z wartością zadaną, a następnie odpowiednio koryguje prąd dostarczany do uzwojeń. Serie EMMT-AS, EMME-AS, EMMS-AS oraz EMMB-AS różnią się zakresem mocy, dynamiką, wymiarami kołnierza, rodzajem enkodera, sposobem podłączenia, dostępnymi uzwojeniami i poziomem integracji z nowszymi sterownikami Festo. EMMT-AS jest rozwiązaniem ukierunkowanym na wymagające, dynamiczne aplikacje i rozbudowaną integrację z CMMT-AS. EMME-AS obejmuje kompaktowe i średnie napędy do typowych zadań automatyki. EMMB AS jest ekonomiczną serią przeznaczoną do standardowych aplikacji pozycjonujących. EMMS-AS występuje w bardzo szerokim zakresie wielkości i był projektowany między innymi do współpracy z rodziną sterowników CMMP-AS. Dobór konkretnej serii powinien wynikać z obliczeń momentu, prędkości, bezwładności, obciążeń wału, cyklu pracy i wymagań bezpieczeństwa, a nie wyłącznie z nominalnej mocy silnika.

EMMT-AS jest najbardziej zaawansowaną z wymienionych rodzin. Oferuje między innymi rozwiązanie jednokablowe OCP, elektroniczne dane silnika, różne rodzaje uzwojeń, enkodery jedno- i wieloobrotowe oraz wybrane wersje z enkoderami bezpieczeństwa. Sprawdza się w szybkich osiach, układach wieloosiowych, aplikacjach interpolowanych i zadaniach wymagających dobrej jakości ruchu przy małej prędkości. EMME-AS jest serią o klasycznej budowie, dostępną między innymi z kołnierzami 40, 60, 80 i 100 mm. Obejmuje wersje z enkoderem absolutnym jednoobrotowym, wieloobrotowym oraz wybrane wykonania z enkoderem bezpieczeństwa. Jest często stosowana w standardowych osiach liniowych, obrotowych, podajnikach, transporterach i modułach manipulacyjnych. EMMB-AS jest rozwiązaniem kompaktowym i ekonomicznym. Aktualne dane obejmują klasy mocy 100, 200, 400 i 750 W, kołnierze 40, 60 i 80 mm oraz enkodery absolutne jedno- lub wieloobrotowe. EMMS-AS charakteryzuje się szerokim zakresem gabarytów i mocy. W dokumentacji występują kołnierze od 40 do 190 mm, różne warianty uzwojeń, resolver lub enkoder absolutny oraz opcjonalny hamulec. W przypadku nowych projektów należy dokładnie zweryfikować aktualną kompatybilność wybranego wariantu ze sterownikiem.

EMMT-AS jest przeznaczony przede wszystkim do aplikacji o wysokich wymaganiach dotyczących dynamiki, dokładności regulacji i powtarzalności. Typowe zastosowania obejmują szybkie osie liniowe, układy pick-and-place, manipulatory, maszyny montażowe, systemy pakujące, etykieciarki, maszyny drukarskie, podajniki indeksujące, stoły obrotowe oraz aplikacje z ruchem interpolowanym. Seria jest szczególnie korzystna tam, gdzie występują krótkie czasy przyspieszania i hamowania, częste zmiany kierunku, wysoka liczba cykli oraz konieczność płynnego ruchu przy niewielkiej prędkości. Mały moment zaczepowy i dobra sterowalność ułatwiają uzyskanie równomiernego ruchu w aplikacjach wymagających dokładnego prowadzenia po trajektorii. EMMT-AS dobrze wpisuje się również w architekturę maszyn wykorzystujących sterowniki CMMT-AS, Festo Automation Suite i rozwiązanie jednokablowe. Pozwala to ograniczyć liczbę przewodów między szafą a silnikiem, uprościć uruchomienie oraz zmniejszyć ryzyko błędów podczas parametryzacji. Nie oznacza to jednak, że największy dostępny EMMT-AS zawsze będzie najlepszym wyborem. Zbyt duży silnik zwiększa bezwładność wirnika, koszty, wymiary i obciążenie energetyczne układu. Konieczne pozostaje przeprowadzenie obliczeń całego cyklu ruchowego.

EMME-AS jest dobrym wyborem do klasycznych zadań serwonapędowych, w których potrzebna jest wysoka precyzja, ale nie zawsze są wymagane wszystkie funkcje integracyjne najnowszej rodziny EMMT-AS. Seria może być stosowana w osiach śrubowych i paskowych, urządzeniach montażowych, systemach pozycjonowania, podajnikach, mechanizmach regulacji formatu, napędach obrotowych i transporterach. Warianty EMME-AS obejmują różne gabaryty, długości korpusu i uzwojenia. Przykładowo silniki z kołnierzem 40 mm osiągają wysokie prędkości znamionowe, natomiast większe wykonania 60, 80 i 100 mm są ukierunkowane na wyższy moment obrotowy. Dostępność wału gładkiego lub wału z wpustem, hamulca oraz enkoderów jedno- i wieloobrotowych ułatwia dopasowanie silnika do mechaniki maszyny. EMME-AS należy dobierać szczególnie uważnie pod względem napięcia obwodu pośredniego, rodzaju uzwojenia i zgodności enkodera ze sterownikiem. Aktualny sterownik CMMT-AS oficjalnie obsługuje rodzinę EMME-AS, ale zawsze trzeba sprawdzić dokładny kod zamówieniowy silnika, obsługiwany system pomiarowy, wymagany przewód i wersję oprogramowania sterownika. W modernizacjach istniejących maszyn EMME-AS może być korzystny, gdy ważne jest zachowanie określonych wymiarów kołnierza, parametrów wału lub istniejącego układu mechanicznego.

EMMB-AS jest przeznaczony do aplikacji, w których potrzebna jest zamknięta pętla regulacji i dokładne pozycjonowanie, ale priorytetem pozostają kompaktowe wymiary, prostota oraz korzystny koszt inwestycji. Seria dobrze sprawdza się w niewielkich maszynach montażowych, podajnikach, przenośnikach, prostych osiach liniowych, mechanizmach zmiany formatu, napędach rolek, stołach obrotowych i modułach pozycjonujących. Rodzina obejmuje klasy mocy 100, 200, 400 i 750 W. Dostępne są kołnierze 40, 60 i 80 mm, prędkość znamionowa 3000 obr./min oraz – zależnie od wariantu – maksymalna prędkość 5000 lub 6000 obr./min. Moment znamionowy mieści się w przybliżeniu od 0,32 do 2,39 Nm, a moment szczytowy od 0,96 do 7,17 Nm. EMMB-AS może być wyposażony w absolutny enkoder jednoobrotowy albo wieloobrotowy oraz opcjonalny hamulec. Dzięki temu może pracować zarówno w prostych aplikacjach indeksujących, jak i w osiach wymagających zachowania informacji o położeniu po odłączeniu zasilania. Ekonomiczny charakter silnika nie zwalnia z wykonania pełnych obliczeń. Należy sprawdzić moment skuteczny, moment szczytowy, stosunek bezwładności, prędkość, obciążenie wału, temperaturę i wymaganą rezerwę dynamiczną.

EMMS-AS jest rodziną obejmującą szeroki zakres wielkości mechanicznych i parametrów napędowych. W dokumentacji występują między innymi kołnierze 40, 55, 70, 100, 140 i 190 mm. Pozwalało to budować zarówno niewielkie osie o wysokiej prędkości, jak i napędy o dużym momencie, stosowane w cięższych maszynach. Silniki EMMS-AS można spotkać w osiach elektrycznych Festo, urządzeniach montażowych, maszynach pakujących, portalach, systemach podawania, prasach elektrycznych, napędach śrubowych, mechanizmach obrotowych oraz dużych systemach manipulacyjnych. W zależności od wykonania dostępny był enkoder absolutny jednoobrotowy, wieloobrotowy lub resolver, różne uzwojenia oraz opcjonalny hamulec. Przykładowe dane pokazują dużą rozpiętość rodziny. Małe warianty osiągały bardzo wysokie prędkości, natomiast wykonania z kołnierzem 190 mm oferowały moc znamionową liczona w kilowatach oraz szczytowy moment dochodzący w wybranych wersjach do 120 Nm. W nowych projektach nie należy automatycznie przenosić założeń z istniejącego układu EMMS-AS. Trzeba sprawdzić dostępność konkretnego wariantu, zgodność z obecnym sterownikiem oraz zasadność zastosowania nowszej rodziny EMMT-AS lub EMME-AS.

Silnik serwo nie powinien być traktowany jak zwykły silnik trójfazowy, który można podłączyć bezpośrednio do sieci. Do jego prawidłowej pracy potrzebny jest sterownik serwonapędu, który wytwarza odpowiednio modulowane prądy fazowe, analizuje sygnał enkodera oraz realizuje regulatory prądu, prędkości i położenia. Najbardziej wewnętrzna pętla reguluje prąd, który jest bezpośrednio związany z wytwarzanym momentem. Pętla prędkości porównuje prędkość zadaną z rzeczywistą i generuje odpowiednie zadanie momentu. Pętla położenia analizuje błąd pozycji i wyznacza wymaganą prędkość ruchu. Taka kaskadowa struktura pozwala szybko reagować na zmianę obciążenia i zakłócenia mechaniczne. Sterownik odpowiada również za kontrolę temperatury, ograniczenie prądu, obsługę hamulca, hamowanie regeneracyjne, wykrywanie błędów enkodera i realizację funkcji bezpieczeństwa. CMMT-AS zapewnia precyzyjną regulację momentu, prędkości i położenia, automatyczne strojenie oraz obsługę cyfrowych enkoderów stosowanych w silnikach Festo. Nieprawidłowe połączenie silnika i sterownika może prowadzić do niestabilnej regulacji, przegrzewania, błędnej komutacji, nadmiernych drgań, utraty pozycji lub uszkodzenia komponentów.

Aktualna dokumentacja sterownika CMMT-AS wskazuje bezpośrednie wsparcie dla silników EMMT-AS, EMME-AS i EMMB-AS. Sterownik obsługuje synchroniczne silniki z magnesami trwałymi oraz różne cyfrowe systemy pomiarowe, w tym EnDat, Hiperface i Nikon A-format. Dokładną kompatybilność trzeba jednak zawsze potwierdzić dla pełnego kodu zamówieniowego. EMMT-AS jest naturalnym partnerem CMMT-AS, szczególnie w konfiguracji z połączeniem jednokablowym. Pozwala to wykorzystać automatyczne wczytywanie danych silnika, Festo Automation Suite i uproszczone uruchomienie. EMME-AS może współpracować z CMMT-AS, lecz należy zweryfikować rodzaj enkodera, wersję uzwojenia i wymagane okablowanie. Starsze instalacje z EMME-AS mogą również wykorzystywać wcześniejsze sterowniki Festo. EMMS-AS był szeroko łączony ze sterownikami CMMP-AS. Dokumentacja tej serii opisuje interfejsy, przewody i funkcje odnoszące się do tej platformy. Nie należy zakładać, że każdy EMMS-AS można bezpośrednio podłączyć do CMMT-AS. Niezbędne jest sprawczenie rodzaju sprzężenia zwrotnego, napięcia uzwojenia, danych silnika i dostępności odpowiedniego pliku konfiguracyjnego. Festo zaznacza, że silniki i sterowniki są projektowane jako dopasowane zestawy, a bezproblemowe działanie z przypadkowymi sterownikami innych producentów nie może być z góry zagwarantowane.

Doboru nie należy rozpoczynać od samej mocy znamionowej. Najpierw trzeba określić profil ruchu: masę przemieszczanego elementu, drogę, czas przejazdu, prędkość maksymalną, przyspieszenie, hamowanie, czas postoju, liczbę cykli oraz siły zewnętrzne. W osi pionowej trzeba uwzględnić ciężar, a w osi poziomej tarcie, opory prowadnic i siły procesowe. Następnie wyznacza się moment wymagany do przyspieszania wszystkich mas i bezwładności. Do tego dodaje się moment wynikający z tarcia, siły roboczej, grawitacji oraz strat w przekładni lub śrubie. Największa chwilowa wartość musi być mniejsza od dopuszczalnego momentu szczytowego silnika i sterownika. Kolejnym krokiem jest obliczenie momentu skutecznego dla całego cyklu. To właśnie moment skuteczny decyduje o obciążeniu cieplnym silnika. Musi pozostawać poniżej dopuszczalnego momentu ciągłego dla danych warunków montażu i temperatury. Sprawdza się również prędkość silnika, bezwładność obciążenia sprowadzoną do wału, obciążenia promieniowe i osiowe, możliwości hamowania oraz rezerwę na zmiany procesu. Festo udostępnia narzędzie Electric Motion Sizing, które pomaga dobrać zestaw osi, silnika i sterownika na podstawie danych aplikacji.

Moment znamionowy jest wartością, którą silnik może wytwarzać w sposób ciągły w określonych warunkach termicznych, bez przekroczenia dopuszczalnej temperatury uzwojeń. Moment szczytowy jest natomiast dostępny tylko przez ograniczony czas i służy głównie do przyspieszania, hamowania, pokonywania krótkotrwałych przeciążeń oraz realizacji dynamicznych zmian ruchu. Przykładowo EMMB-AS-80 o klasie mocy 750 W ma moment znamionowy 2,39 Nm i moment szczytowy 7,17 Nm. Nie oznacza to jednak, że może stale pracować z momentem 7,17 Nm. Długotrwałe obciążenie takim momentem spowodowałoby przekroczenie dopuszczalnego prądu i temperatury. W praktyce trzeba spełnić dwa warunki. Maksymalny moment występujący w profilu ruchu nie może przekraczać krzywej momentu szczytowego, a moment skuteczny całego cyklu musi mieścić się w zakresie pracy ciągłej. Dodatkowo trzeba uwzględnić prędkość, ponieważ dostępny moment zmienia się wraz z prędkością obrotową. Częstym błędem jest dobór silnika tylko na podstawie największej siły występującej w aplikacji. Taki dobór nie uwzględnia czasu trwania przeciążenia, powtarzalności cyklu ani obciążenia cieplnego.

Moment skuteczny jest cieplnym odpowiednikiem zmiennego obciążenia silnika. Oblicza się go na podstawie kwadratów momentów występujących w kolejnych fragmentach cyklu oraz czasu trwania tych fragmentów:

Msk = pierwiastek z ilorazu sumy iloczynów M² · t przez całkowity czas cyklu. Oznacza to, że krótkie okresy wysokiego momentu mają większy wpływ na nagrzewanie niż wynikałoby ze zwykłej średniej arytmetycznej. Jeżeli silnik przez 0,2 sekundy przyspiesza z wysokim momentem, następnie przez 1 sekundę pracuje z małym obciążeniem, a przez kolejne 0,8 sekundy pozostaje w postoju, wszystkie te fazy należy ująć w obliczeniu. Do momentu silnika trzeba włączyć nie tylko moment wynikający z obciążenia technologicznego, ale również moment przyspieszający wirnik silnika, sprzęgło, przekładnię, śrubę, koła pasowe i ruchome elementy maszyny. Obliczony moment skuteczny porównuje się z dopuszczalnym momentem ciągłym dla konkretnej prędkości i warunków chłodzenia. W osi pionowej moment podtrzymujący ciężar może występować także podczas postoju, co znacząco zwiększa obciążenie cieplne. W praktyce warto pozostawić rezerwę na wzrost tarcia, zmianę masy produktu, temperaturę otoczenia oraz zużycie mechaniki.

Moment bezwładności określa, jak trudno zmienić prędkość obrotową danego elementu. Im większa bezwładność obciążenia sprowadzona do wału silnika, tym większego momentu potrzeba do uzyskania określonego przyspieszenia. Jeżeli bezwładność obciążenia jest wielokrotnie większa od bezwładności wirnika, układ może być trudniejszy do strojenia. Mogą pojawiać się oscylacje, wydłużony czas ustalania, duży błąd nadążania, gwałtowne reakcje regulatora i problemy z osiągnięciem zakładanej dynamiki. Nie istnieje jedna uniwersalna dopuszczalna wartość stosunku bezwładności dla wszystkich zastosowań. W sztywnej mechanice z dobrze dobranym sterownikiem możliwa jest praca z większym stosunkiem. W elastycznych układach paskowych, długich wałach, przekładniach z luzem lub konstrukcjach podatnych wymagany jest bardziej zachowawczy dobór. Przekładnia redukcyjna zmniejsza bezwładność obciążenia widziana przez silnik proporcjonalnie do kwadratu przełożenia. Dzięki temu może poprawić sterowalność układu, choć jednocześnie wprowadza własną bezwładność, straty, podatność i ewentualny luz. Dane Festo podają moment bezwładności wirnika dla konkretnych wersji, często osobno dla wykonania z hamulcem i bez hamulca. Wartości tych nie wolno zastępować przybliżeniem na podstawie samej mocy.

Przełożenie powinno umożliwić jednoczesne spełnienie wymagań dotyczących momentu, prędkości, dynamiki i dokładności. Przekładnia redukcyjna zwiększa moment dostępny po stronie wyjściowej, pomniejszony o sprawność przekładni, oraz zmniejsza prędkość wyjściową. Przykładowo przy przełożeniu 5:1 silnik obraca się pięć razy szybciej niż wał wyjściowy. Teoretyczny moment wyjściowy jest około pięć razy większy, ale należy uwzględnić sprawność, ograniczenia mechaniczne i maksymalny moment przekładni. Jednocześnie bezwładność obciążenia widziana przez silnik zmniejsza się około 25 razy. Zbyt małe przełożenie może powodować przeciążenie momentem i trudności w sterowaniu dużą bezwładnością. Zbyt duże przełożenie ograniczy prędkość maszyny, zwiększy liczbę obrotów silnika i może pogorszyć rzeczywistą dokładność przez luz oraz podatność przekładni. Trzeba sprawdzić moment nominalny i szczytowy przekładni, dopuszczalną prędkość wejściową, luz skrętny, sztywność, smarowanie, warunki montażu i przewidywaną trwałość. Festo oferuje przekładnie oraz zestawy montażowe przeznaczone do współpracy z wybranymi serwosilnikami i osiami. Narzędzie Electric Motion Sizing pomaga zweryfikować kompletny układ napędowy.

Absolutny enkoder jednoobrotowy określa bezwzględne położenie kątowe wirnika w obrębie jednego pełnego obrotu. Po przekroczeniu 360° informacja o liczbie wykonanych obrotów musi być zliczana przez sterownik. Po wyłączeniu zasilania wartość kąta w obrębie jednego obrotu pozostaje dostępna, ale informacja o pełnych obrotach może zostać utracona. Enkoder wieloobrotowy zapisuje zarówno położenie kątowe w obrębie jednego obrotu, jak i liczbę wykonanych pełnych obrotów w określonym zakresie. Jest szczególnie przydatny w osiach liniowych, mechanizmach śrubowych i stołach obrotowych, w których po ponownym uruchomieniu maszyny trzeba znać rzeczywistą pozycję bez wykonywania pełnego bazowania. W EMMT-AS dostępne są warianty jedno- i wieloobrotowe, a także wybrane wersje z enkoderami bezpieczeństwa. EMME-AS oraz EMMB-AS również występują z absolutnymi systemami jedno- i wieloobrotowymi. Enkoder wieloobrotowy nie eliminuje wszystkich czynności uruchomieniowych. Po pierwszym montażu nadal trzeba ustalić zależność między pozycją mechaniczną maszyny a wartością enkodera. Należy również uwzględnić możliwość poślizgu sprzęgła, przestawienia mechaniki lub wymiany silnika.

Enkoder wieloobrotowy może wyeliminować konieczność wykonywania bazowania po każdym standardowym włączeniu zasilania, ale tylko wtedy, gdy układ mechaniczny nie został rozłączony, przesunięty ani zmodyfikowany. Sterownik musi znać wcześniej ustalone przesunięcie między wartością enkodera a rzeczywistym układem współrzędnych maszyny. Bazowanie lub ponowne ustawienie punktu odniesienia będzie potrzebne po pierwszym uruchomieniu, wymianie silnika, wymianie sterownika bez odtworzenia danych, rozłączeniu sprzęgła, poślizgu mechanicznym, zmianie przełożenia albo ręcznym przestawieniu elementu bez rejestracji ruchu przez enkoder. Należy również odróżnić położenie wirnika od rzeczywistego położenia elementu roboczego. Luzy przekładni, elastyczność paska, skok śruby, ugięcie konstrukcji i poślizg mogą sprawić, że prawidłowy odczyt enkodera silnika nie będzie dokładnie odpowiadał pozycji końcówki roboczej. W aplikacjach o wysokim poziomie bezpieczeństwa po uruchomieniu można wykonywać ruch kontrolny do niezależnego czujnika referencyjnego. Pozwala to zweryfikować, czy zapamiętana pozycja odpowiada rzeczywistej konfiguracji mechanicznej. Dokumentacja EMMT-AS wskazuje, że dla enkodera wieloobrotowego bazowanie jest zasadniczo wymagane po jego zainstalowaniu w aplikacji, a nie po każdym odłączeniu zasilania.

Elektroniczna tabliczka znamionowa przechowuje dane identyfikacyjne i parametry silnika w formie odczytywanej przez kompatybilny sterownik. Dzięki temu CMMT-AS może rozpoznać podłączony silnik i automatycznie załadować odpowiednie dane potrzebne do regulacji. Rozwiązanie ogranicza ryzyko ręcznego wprowadzenia błędnych wartości, takich jak stała momentu, prąd znamionowy, prąd szczytowy, liczba par biegunów, parametry enkodera czy dane termiczne. Ułatwia również wymianę komponentu, ponieważ część konfiguracji może zostać odtworzona automatycznie po podłączeniu nowego silnika. Elektroniczna identyfikacja nie zastępuje jednak pełnego uruchomienia osi. Sterownik nadal musi znać parametry mechaniki: przełożenie, skok śruby, średnicę koła pasowego, masę obciążenia, kierunek ruchu, ograniczenia pozycji i wartości przyspieszenia. Po rozpoznaniu silnika należy przeprowadzić strojenie regulatorów oraz sprawdzić ruch z bezpiecznie ograniczoną prędkością i momentem. Automatyczne dane silnika zmniejszają liczbę błędów, ale nie potwierdzają poprawności montażu mechanicznego, kolejności działania hamulca ani konfiguracji funkcji bezpieczeństwa. Festo wskazuje elektroniczne dane silnika jako jeden z elementów ułatwiających szybkie i bezpieczne uruchomienie EMMT-AS z CMMT-AS.

OCP, czyli one cable plug, oznacza połączenie zasilania silnika, sygnałów enkodera oraz obsługi hamulca w jednym systemie kablowym. Zamiast oddzielnego przewodu mocy i przewodu sprzężenia zwrotnego stosuje się przewód hybrydowy. Najważniejszą korzyścią jest uproszczenie instalacji. W prowadniku kablowym znajduje się mniej przewodów, zmniejsza się liczba złączy, łatwiejsze jest prowadzenie tras kablowych, a montaż zajmuje mniej czasu. Ograniczenie liczby przewodów jest szczególnie istotne w wieloosiowych maszynach, portalach i systemach o dużej liczbie ruchomych osi. Rozwiązanie jednokablowe może także zmniejszyć ryzyko pomylenia przewodu enkodera z przewodem innej osi. Nie zwalnia jednak z przestrzegania zasad kompatybilności elektromagnetycznej. Przewód musi być prawidłowo ekranowany, zamocowany, odciążony mechanicznie i prowadzony z odpowiednim promieniem gięcia. Dokumentacja EMMT-AS opisuje przewód hybrydowy łączący zasilanie i enkoder oraz obrotowe przyłącza, których pozycję można dopasować do ułożenia instalacji. Należy używać przewodów przeznaczonych do konkretnego silnika, sterownika, długości i warunków pracy w prowadniku.

Nie. Połączenie jednokablowe jest charakterystycznym rozwiązaniem stosowanym przede wszystkim w odpowiednich wersjach EMMT-AS współpracujących z kompatybilnym sterownikiem CMMT-AS. W starszych lub bardziej klasycznych rodzinach często występują osobne połączenia dla zasilania silnika, enkodera i hamulca. EMME-AS i EMMS-AS wykorzystują warianty przyłączy zależne od konkretnego wykonania, a dokumentacja przewiduje oddzielne przewody silnikowe i enkoderowe. W EMMB-AS również można występować oddzielne złącze silnika, enkodera i hamulca. Przed zamówieniem trzeba sprawdzić pełny kod typu, rodzaj złącza, orientację wtyczki oraz numery odpowiednich przewodów. Nie można dobierać kabla wyłącznie na podstawie wielkości kołnierza. Dwa silniki o podobnej mocy mogą mieć odmienne systemy pomiarowe, konfiguracje styków lub wymagania dotyczące ekranu. Podczas modernizacji maszyny przejście na EMMT-AS i OCP może zmniejszyć liczbę przewodów, ale zwykle wymaga jednoczesnej zmiany sterownika, okablowania i parametrów projektu elektrycznego. Nie jest to mechanicznie i elektrycznie równoważna wymiana jeden do jednego. OCP należy więc traktować jako cechę kompletnego systemu napędowego, a nie uniwersalny standard wszystkich silników serwo Festo.

Hamulec silnika służy głównie do utrzymania nieruchomego wału po zatrzymaniu napędu lub odłączeniu energii. Ma szczególne znaczenie w osiach pionowych, w których ciężar mógłby spowodować samoczynne opadnięcie mechanizmu. W normalnej pracy serwosilnik powinien zatrzymać oś za pomocą kontrolowanego momentu elektromagnetycznego. Dopiero po osiągnięciu odpowiedniej prędkości i pozycji sterownik załącza hamulec. Podczas uruchamiania kolejność jest odwrotna: silnik wytwarza moment podtrzymujący, następnie hamulec zostaje zwolniony i dopiero wtedy rozpoczyna się ruch. Hamulec nie powinien być regularnie wykorzystywany do dynamicznego zatrzymywania obracającego się wału. Powoduje to zużycie powierzchni ciernych, wzrost temperatury i skrócenie trwałości. Dokumentacja EMMT-AS wyraźnie wskazuje, że hamulec podtrzymujący nie powinien być traktowany jako samodzielny hamulec bezpieczeństwa. Przy doborze trzeba sprawdzić moment trzymający hamulca, napięcie zasilania, czas otwarcia i zamknięcia, dopuszczalną energię tarcia oraz wpływ hamulca na bezwładność wirnika. Moment hamulca musi uwzględniać obciążenie, przełożenie, sprawność oraz wymaganą rezerwę bezpieczeństwa.

Sam standardowy hamulec podtrzymujący silnika nie powinien być automatycznie uznawany za pełny hamulec bezpieczeństwa. Jego podstawowym zadaniem jest utrzymanie osi w postoju po zatrzymaniu przez układ sterowania, a nie gwarantowane zatrzymanie dynamiczne w każdej sytuacji awaryjnej. W aplikacji bezpiecznej należy przeanalizować cały łańcuch: sterownik, funkcję STO lub SS1, sterowanie hamulcem, diagnostykę, mechanikę osi, ryzyko opadania oraz skutki pojedynczej awarii. W osi pionowej często potrzebne jest bezpieczne sterowanie hamulcem, kontrola jego stanu albo dodatkowe urządzenie mechaniczne. Sterownik CMMT-AS oferuje między innymi funkcję STO oraz bezpieczne sterowanie hamulcem SBC w odpowiedniej konfiguracji. Funkcje te muszą być prawidłowo włączone do obwodu bezpieczeństwa i zwalidowane zgodnie z wymaganą kategorią, poziomem PL lub SIL. Nawet funkcja SBC nie zmienia standardowego hamulca w dowolnie obciążany hamulec roboczy. Należy sprawdzić charakterystykę konkretnego hamulca, dopuszczalną energię hamowania oraz prawdopodobieństwo zużycia. Ocena musi wynikać z analizy ryzyka maszyny. Szczególnie niebezpieczne jest założenie, że odłączenie momentu silnika automatycznie unieruchomi pionową oś.

Wał gładki jest zwykle łączony ze sprzęgłem zaciskowym lub tuleją cierną. Połączenie opiera się na sile tarcia powstającej po zaciśnięciu piasty na wale. Taki układ zapewnia dobrą współosiowość, brak luzu wynikającego z wpustu oraz równomierny rozkład naprężeń. Wał z wpustem umożliwia przenoszenie momentu przez połączenie kształtowe. Jest stosowany między innymi w kołach pasowych, piastach i przekładniach przygotowanych do połączenia wpustowego. Zapewnia zabezpieczenie przed poślizgiem, ale przy niedokładnym wykonaniu może wprowadzać lokalne naprężenia, niewspółosiowość lub mikroluz. W serwonapędach o wysokiej dynamice połączenie bezluzowe jest bardzo ważne. Nawet niewielki luz może powodować pogorszenie dokładności, drgania podczas zmiany kierunku i trudności w strojeniu regulatora. EMMT-AS, EMME-AS i EMMS-AS występują w wykonaniach z wałem gładkim lub z wpustem, zależnie od kodu typu. EMMB-AS również należy dobierać do sposobu przeniesienia napędu wskazanego w dokumentacji konkretnej wersji. Nie wolno montować piasty przez uderzanie młotkiem. Siły montażowe mogą zostać przeniesione na łożyska i enkoder. Należy używać właściwych narzędzi, zachować tolerancje i momenty dokręcania producenta sprzęgła.

Stopień ochrony IP określa odporność obudowy na wnikanie ciał stałych i wody w określonych warunkach badawczych. Nie oznacza ogólnej odporności na wszystkie pyły, chemikalia, oleje, chłodziwa i metody mycia. W wielu silnikach stopień ochrony obudowy jest wyższy niż stopień ochrony strefy wału. Przykładowo EMMB-AS ma obudowę klasyfikowaną jako IP65 bez uwzględnienia techniki przyłączeniowej, natomiast wał bez uszczelniacza może odpowiadać poziomowi IP40, a z uszczelniaczem IP54. EMMT-AS może osiągać IP67 w odpowiedniej konfiguracji z pierścieniem uszczelniającym. Dokumentacja wskazuje jednak konieczność okresowej wymiany elementu uszczelniającego zależnie od warunków pracy. Podczas doboru trzeba analizować całą instalację: korpus, wał, złącze, przewód, przepust w szafie, przekładnię i powierzchnię montażową. Stopień ochrony może zostać obniżony przez niewłaściwe złącze, brak uszczelki, uszkodzony przewód lub nieprawidłowy montaż. W środowisku mycia ciśnieniowego, agresywnej chemii lub przemysłu spożywczego standardowy silnik IP65 albo IP67 nie zawsze będzie odpowiedni. Należy dodatkowo sprawdzić odporność materiałową i dopuszczalną metodę czyszczenia.

Uszczelnienie promieniowe wału zwiększa ochronę wnętrza silnika przed pyłem, wilgocią i zanieczyszczeniami wnikającymi od strony wału. Jest istotne w aplikacjach, w których silnik pracuje w pobliżu chłodziwa, mgły olejowej, pyłu technologicznego lub okresowo wilgotnego środowiska. Uszczelniacz wprowadza jednak dodatkowe tarcie. Może nieznacznie zwiększać moment oporowy, temperaturę w strefie wału i zapotrzebowanie na moment przy bardzo małej prędkości. W precyzyjnych aplikacjach o minimalnym momencie obciążenia wpływ ten powinien zostać uwzględniony. Pierścień uszczelniający jest elementem eksploatacyjnym. Jego trwałość zależy od prędkości obrotowej, temperatury, rodzaju medium, bicia wału, warunków smarowania i liczby godzin pracy. Zużyta krawędź uszczelniająca może utracić szczelność lub uszkodzić powierzchnię wału. Dokumentacja EMMT-AS wskazuje, że pierścień stosowany do uzyskania określonej ochrony powinien być wymieniany po maksymalnie określonym czasie pracy, zależnie od warunków. W EMMB-AS uszczelniacz wału jest także uwzględniony przy określaniu stopnia ochrony strefy wału. Uszczelnienie należy dobierać tylko wtedy, gdy jest potrzebne, i traktować jako część planu konserwacji.

Moc i moment ciągły serwosilnika są ograniczone zdolnością odprowadzania ciepła z uzwojeń do otoczenia. Wraz ze wzrostem temperatury otoczenia zmniejsza się różnica temperatur umożliwiająca chłodzenie, dlatego silnik może wymagać ograniczenia obciążenia. Przykładowo dla EMMB-AS standardowy zakres temperatury otoczenia podany w dokumentacji wynosi od –15 do 40°C. Praca do 60°C jest możliwa z redukcją parametrów o 1,5% na każdy stopień powyżej wartości bazowej. Oznacza to, że przy wysokiej temperaturze nie można bezpośrednio wykorzystywać pełnego momentu znamionowego. Znaczenie ma również sposób montażu. Duża metalowa płyta może skutecznie odbierać ciepło, podczas gdy montaż na cienkim wsporniku lub w zamkniętej obudowie pogarsza chłodzenie. Wspólna przestrzeń z rezystorem hamowania lub nagrzewającymi się sterownikami może dodatkowo podnieść temperaturę. Należy uwzględnić temperaturę rzeczywistą podczas najgorszych warunków produkcyjnych, a nie temperaturę zmierzoną przy otwartej szafie i zatrzymanej maszynie. Wysoka temperatura przyspiesza starzenie izolacji, smaru łożyskowego, uszczelnień i przewodów. Dobór termiczny powinien opierać się na momencie skutecznym, cyklu pracy i warunkach zabudowy.

Tak. Wraz ze wzrostem wysokości zmniejsza się gęstość powietrza, a przez to pogarsza się chłodzenie konwekcyjne silnika i urządzeń elektronicznych. Może być konieczne ograniczenie dopuszczalnej mocy, momentu lub prądu. Dla EMMB-AS dokumentacja podaje możliwość montażu do 4000 m, ale od wysokości 1000 m należy stosować redukcję parametrów wynoszącą 1% na każde kolejne 100 m. Przy wysokości 2000 m oznacza to już istotne ograniczenie możliwości cieplnych. Wysokość wpływa również na sterownik serwonapędu, odstępy izolacyjne, chłodzenie szafy, rezystor hamowania i aparaturę zabezpieczającą. Dlatego nie wystarczy sprawdzić wyłącznie danych silnika. W aplikacjach górskich, kopalniach odkrywkowych, obserwatoriach, wysokogórskich instalacjach transportowych lub zakładach położonych na dużej wysokości należy przyjąć rzeczywistą wysokość lokalizacji. Dodatkową rezerwę warto uwzględnić, jeżeli maszyna pracuje w zamkniętej obudowie albo przy podwyższonej temperaturze. Praca na dużej wysokości zwykle nie powoduje problemu z generowaniem krótkotrwałego momentu szczytowego, lecz ogranicza średnie obciążenie termiczne. Dlatego szczególnie ważne stają się moment skuteczny, czas cyklu oraz okresy odpoczynku silnika.

Obciążenie promieniowe działa prostopadle do osi wału, na przykład od napiętego pasa lub koła zębatego. Obciążenie osiowe działa wzdłuż osi wału i może powstawać w wyniku niewłaściwego montażu sprzęgła, pracy śruby lub zastosowania przekładni przenoszącej siłę osiową. Przekroczenie wartości dopuszczalnych może skrócić trwałość łożysk, zwiększyć hałas, wywołać bicie wału, pogorszyć dokładność enkodera, uszkodzić uszczelnienie i doprowadzić do awarii mechanicznej. Wartości dopuszczalne zależą od wielkości i wariantu silnika. Dla EMMB-AS dokumentacja podaje różne granice dla kołnierzy 40, 60 i 80 mm. Przykładowe dopuszczalne obciążenia promieniowe rosną wraz z wielkością silnika od około 120 do 335 N, a osiowe od około 60 do 167,5 N. Nie należy zakładać, że dopuszczalne obciążenie działa niezależnie od prędkości, punktu przyłożenia i trwałości. Koło pasowe wysunięte daleko od łożyska powoduje większy moment zginający niż element zamontowany blisko kołnierza. Przy dużych siłach korzystniejsze jest zastosowanie dodatkowego łożyskowania, przekładni lub wału pośredniego. Wał silnika powinien przede wszystkim przenosić moment, a nie zastępować łożyskowanie mechanizmu maszyny.

Połączenie powinno zapewniać współosiowość, odpowiednią sztywność skrętną, brak luzu oraz ograniczenie sił promieniowych i osiowych działających na wał. Najczęściej stosuje się sprzęgło w obudowie montażowej albo dedykowany zestaw osiowy. Sprzęgło musi przenosić zarówno moment ciągły, jak i moment szczytowy z uwzględnieniem współczynnika bezpieczeństwa. Powinno także mieścić się w dopuszczalnym zakresie prędkości i kompensować niewielkie błędy ustawienia, ale nie może być używane do korygowania dużej niewspółosiowości. Zbyt miękkie sprzęgło może ograniczać pasmo regulacji i powodować drgania. Zbyt sztywne przy niedokładnym montażu przeniesie siły na łożyska silnika i śruby. Luźne sprzęgło może z kolei powodować utratę pozycji, uderzenia przy zmianie kierunku i błędy nadążania. Festo oferuje zestawy EAMM przeznaczone do łączenia określonych silników z osiami elektromechanicznymi. Zestaw może obejmować obudowę sprzęgła, sprzęgło, kołnierz silnika i elementy mocujące. Po montażu należy ręcznie sprawdzić swobodę ruchu, wykonać test przy małej prędkości i obserwować prąd, temperaturę, drgania oraz błąd położenia.

Można, ale koło pasowe nie powinno nadmiernie obciążać wału i łożysk silnika. Napięcie pasa wytwarza obciążenie promieniowe, które musi pozostać poniżej dopuszczalnej wartości dla konkretnego silnika, prędkości i położenia koła. Koło pasowe powinno być zamontowane możliwie blisko kołnierza silnika, aby ograniczyć moment zginający. Należy dobrać średnicę zapewniającą właściwą prędkość liniową, moment i rozdzielczość pozycjonowania. Małe koło zwiększa siłę obwodową dla danego momentu, ale może powodować nadmierne zginanie pasa i skracać jego trwałość. W szybkich układach warto zwrócić uwagę na wyważenie koła, bicie promieniowe i sposób mocowania. Piasta zaciskowa zwykle zapewnia lepszą współosiowość niż przypadkowe połączenie śrubą dociskową. Jeżeli wymagane napięcie pasa przekracza dopuszczalne obciążenie wału, należy zastosować zewnętrzne łożyskowanie koła albo dedykowaną oś paskową, w której silnik jest połączony przez sprzęgło. Po uruchomieniu trzeba ocenić rezonanse pasa. Elastyczność długiego pasa może ograniczać możliwe wzmocnienia regulatora i powodować oscylacje przy gwałtownych zmianach prędkości.

Powierzchnia montażowa powinna być płaska, sztywna i odpowiednio masywna. Kołnierz musi przylegać równomiernie, a śruby powinny być dokręcone właściwym momentem w kolejności ograniczającej naprężenia montażowe. Silnik nie powinien być mocowany do cienkiej blachy bez usztywnienia. Elastyczny wspornik może działać jak sprężyna, obniżając częstotliwość rezonansową układu. Sterownik zaczyna wtedy wzmacniać drgania zamiast dokładnie korygować położenie. Należy zachować współosiowość z osią, przekładnią lub sprzęgłem. Nadmierne przesunięcie osiowe albo kątowe powoduje cykliczne obciążenia łożysk i generuje drgania zależne od prędkości. Przewody nie powinny wywierać siły na złącze silnika. Konieczne jest odciążenie mechaniczne i pozostawienie odpowiedniego zapasu przy ruchomym połączeniu. Wtyczki obrotowe EMMT-AS pozwalają dopasować kierunek wyprowadzenia przewodu do zabudowy. Po instalacji należy wykonać test w szerokim zakresie prędkości i zarejestrować prąd, błąd nadążania oraz sygnały regulatora. Drgania pojawiające się tylko przy określonej prędkości często wskazują rezonans mechaniczny, niewyważenie, uszkodzenie łożyska lub niewłaściwe strojenie.

Wiele serwosilników dopuszcza typowe pozycje montażowe, takie jak pozioma i pionowa, ale należy sprawdzić dokumentację konkretnej wersji. W przypadku EMMB-AS wskazane są między innymi wykonania montażowe odpowiadające pozycjom IM B5, IM V1 i IM V3 według EN 60034-7. Pozycja montażowa wpływa jednak na obciążenie łożysk, odprowadzanie ciepła, zachowanie uszczelnienia i sposób prowadzenia przewodów. W pionowej osi wał może być dodatkowo obciążony osiowo przez masę sprzęgła, koła lub przekładni. Silnik skierowany wałem do góry albo do dołu może być bardziej narażony na gromadzenie się cieczy w pobliżu uszczelnienia. Należy unikać sytuacji, w której woda lub chłodziwo pozostaje na kołnierzu albo spływa bezpośrednio do złącza. Wtyczka powinna być ustawiona tak, aby przewód nie był zagięty poniżej minimalnego promienia i nie tworzył naprężeń. W środowisku wilgotnym korzystne może być wykonanie pętli uniemożliwiającej spływanie cieczy w stronę złącza. Dla osi pionowej należy dodatkowo zweryfikować hamulec, procedurę zatrzymania awaryjnego i zachowanie obciążenia po wyłączeniu zasilania.

Sterownik otrzymuje pozycję zadaną z programu ruchu, sterownika PLC lub sieci komunikacyjnej. Następnie porównuje ją z pozycją zmierzoną przez enkoder i oblicza błąd położenia. Regulator położenia przekształca ten błąd na zadanie prędkości. Regulator prędkości porównuje prędkość zadaną z rzeczywistą i wyznacza potrzebny moment. Najszybszy regulator prądu wymusza odpowiednie prądy w uzwojeniach, aby wytworzyć wymagany moment elektromagnetyczny. Dzięki takiej strukturze serwonapęd reaguje nie tylko na komendę ruchu, lecz również na zakłócenia. Jeżeli podczas przejazdu wzrośnie tarcie lub pojawi się siła procesowa, sterownik zwiększy moment, aby utrzymać trajektorię. Jakość regulacji zależy od rozdzielczości enkodera, częstotliwości próbkowania, strojenia regulatorów, sztywności mechaniki, luzu, bezwładności i jakości profilu ruchu. Wysoka rozdzielczość enkodera nie zapewni wysokiej dokładności, jeśli konstrukcja jest podatna lub ma duży luz. CMMT-AS może realizować regulację momentu, prędkości i położenia oraz ruch od prostego pozycjonowania punkt-punkt do bardziej zaawansowanego ruchu interpolowanego.

Najczęściej wykorzystuje się tryb regulacji pozycji, prędkości i momentu. W trybie pozycyjnym sterownik realizuje zadany profil ruchu i dąży do osiągnięcia określonej pozycji. Jest to podstawowy tryb dla osi liniowych, stołów indeksujących i manipulatorów. Tryb prędkościowy służy do utrzymywania zadanej prędkości niezależnie od zmian obciążenia. Może być wykorzystywany w przenośnikach, rolkach podających, nawijarkach i napędach procesowych. Tryb momentowy reguluje prąd silnika, a tym samym wytwarzany moment. Stosuje się go w dociskaniu, napinaniu, nawijaniu, kontroli siły i aplikacjach, w których ważniejsze od dokładnej pozycji jest ograniczenie oddziaływania mechanicznego. W praktyce wiele aplikacji łączy tryby. Oś może dojechać pozycyjnie do elementu, następnie przejść do kontrolowanego docisku momentowego i po zakończeniu procesu wrócić do regulacji pozycji. Należy odróżnić regulację momentu silnika od dokładnej regulacji siły na narzędziu. Na wynik wpływają przełożenie, sprawność, tarcie, skok śruby i elastyczność mechaniki. W precyzyjnych procesach potrzebny może być zewnętrzny czujnik siły. CMMT-AS zapewnia precyzyjną regulację wszystkich trzech podstawowych wielkości.

Autotuning jest procedurą automatycznego wyznaczania parametrów regulatorów na podstawie reakcji silnika i mechaniki. Sterownik wykonuje kontrolowane pobudzenie osi, analizuje odpowiedź układu, ocenia bezwładność i dynamikę, a następnie dobiera wzmocnienia regulatorów. Procedura może znacząco skrócić uruchomienie, ale musi być wykonywana bezpiecznie. Oś może wykonać ruch, dlatego przestrzeń robocza powinna być wolna, limity pozycji prawidłowo ustawione, a mechanika przygotowana na nagłe zmiany momentu. Autotuning najlepiej działa w układach sztywnych i bezluzowych. Duży luz, podatny pas, długi wał, luźne mocowanie lub mechanizm o zmiennej konfiguracji mogą prowadzić do mniej optymalnych nastaw. Po automatycznym strojeniu należy sprawdzić zachowanie osi w pełnym cyklu produkcyjnym, z minimalnym i maksymalnym obciążeniem. Należy ocenić czas ustalania, przeregulowanie, błąd nadążania, hałas, drgania i temperaturę. W aplikacjach wymagających bardzo krótkiego czasu cyklu albo szczególnie łagodnego ruchu może być potrzebna ręczna korekta parametrów, filtrów i profilu przyspieszenia. CMMT-AS umożliwia konfigurację i autotuning z wykorzystaniem Festo Automation Suite.

Festo Automation Suite jest środowiskiem programowym przeznaczonym do konfiguracji, uruchamiania, parametryzacji i diagnostyki urządzeń automatyki Festo, w tym sterowników serwonapędów. W przypadku zestawu CMMT-AS i EMMT-AS oprogramowanie może ułatwić rozpoznanie silnika, wczytanie danych, konfigurację osi, ustawienie jednostek mechanicznych, ograniczeń ruchu, parametrów hamulca oraz wykonanie autotuningu. Program umożliwia również obserwowanie wartości rzeczywistych i diagnostycznych. Podczas uruchomienia można analizować pozycję, prędkość, prąd, moment, błąd nadążania, temperaturę i statusy funkcji bezpieczeństwa. Rejestracja przebiegów ułatwia rozpoznanie rezonansu, przeciążenia lub nieprawidłowej kolejności sterowania hamulcem. Ważną funkcją jest zarządzanie parametrami i tworzenie kopii konfiguracji. Przy wymianie sterownika pozwala to szybciej odtworzyć ustawienia, pod warunkiem zachowania właściwej wersji projektu i zgodności sprzętowej. Oprogramowanie nie zastępuje projektu mechanicznego i elektrycznego. Użytkownik nadal odpowiada za poprawne wprowadzenie skoku, przełożenia, limitów, masy, funkcji bezpieczeństwa i parametrów procesu. Festo przedstawia Automation Suite jako element ułatwiający uruchamianie kompletnych systemów napędowych.

Protokół zależy przede wszystkim od użytego sterownika, a nie od samego silnika. Silnik przekazuje do sterownika sygnał enkodera i otrzymuje z niego prąd zasilający, natomiast komunikacja z PLC odbywa się przez interfejs sterownika serwonapędu. CMMT-AS występuje w wersjach przeznaczonych do różnych środowisk sterowania i może być integrowany z sieciami przemysłowymi. Dokumentacja wskazuje także przygotowane pliki opisowe i bloki funkcyjne ułatwiające integrację z PLC. W starszych systemach z CMMP-AS spotyka się między innymi CANopen, PROFIBUS DP, PROFINET RT, EtherCAT, EtherNet/IP i DeviceNet, zależnie od wersji oraz zastosowanego modułu. Przy wyborze protokołu trzeba określić wymaganą synchronizację osi, czas cyklu, sposób zadawania ruchu, dostępność funkcji bezpieczeństwa przez sieć, diagnostykę i standard obowiązujący w zakładzie. Do prostego pozycjonowania punkt-punkt może wystarczyć sterowanie przez wejścia i wyjścia lub podstawową komunikację. Wieloosiowy ruch skoordynowany wymaga deterministycznej sieci i odpowiedniego sterownika ruchu. Należy również sprawdzić zgodność plików urządzenia, wersji firmware, bibliotek PLC i konfiguracji telegramów. Sam fakt obecności złącza Ethernet nie oznacza obsługi każdego protokołu Ethernet przemysłowego.

Dokładność całej osi nie jest równa rozdzielczości enkodera silnika. Enkoder może mierzyć położenie wirnika z bardzo dużą rozdzielczością, ale rzeczywista dokładność punktu roboczego zależy również od mechaniki. Na błąd wpływają: dokładność skoku śruby, luz przekładni, rozciąganie pasa, podatność sprzęgła, ugięcie konstrukcji, rozszerzalność cieplna, tarcie, obciążenie oraz sposób bazowania. W osi śrubowej może występować okresowy błąd skoku, a w osi paskowej zmiana długości pasa pod obciążeniem. Należy rozróżniać rozdzielczość, dokładność i powtarzalność. Rozdzielczość opisuje najmniejszy krok wykrywany przez układ pomiarowy. Dokładność mówi, jak blisko osi znajduje się pozycja rzeczywista względem zadanej. Powtarzalność określa, jak podobne są wyniki kolejnych najazdów do tego samego punktu. EMMB-AS wykorzystuje enkoder o rozdzielczości 20 bitów i ponad milionie wartości na obrót, ale nie oznacza to automatycznie dokładności mechanicznej rzędu jednej milionowej obrotu. W aplikacjach metrologicznych warto zastosować zewnętrzny liniał pomiarowy bezpośrednio na osi. Pozwala on kompensować błędy przekładni, śruby i sprzęgła.

Przy bardzo małych prędkościach szczególnie widoczne stają się pulsacje momentu, tarcie, niedokładność komutacji i moment zaczepowy. Mogą powodować nierównomierny ruch, mikrodrgania i pogorszenie jakości prowadzenia po trajektorii. EMMT-AS został zaprojektowany z myślą o dobrej synchronizacji i sterowalności również przy małych prędkościach. Niski moment zaczepowy ułatwia uzyskanie płynnego obrotu bez wyraźnego przechodzenia pomiędzy kolejnymi położeniami magnetycznymi wirnika. Jest to ważne w dozowaniu, klejeniu, obróbce konturowej, precyzyjnym skanowaniu, systemach wizyjnych, drukowaniu, znakowaniu oraz powolnym dosuwaniu narzędzia do produktu. Ostateczna jakość ruchu zależy jednak także od enkodera, sterownika, strojenia, przekładni i mechaniki. Silnik o dobrych właściwościach nie skompensuje dużego luzu, zacinających się prowadnic ani skokowo zmieniającego się tarcia. Przy bardzo małych prędkościach warto analizować przebieg prądu i pozycji. Powtarzalne oscylacje mogą wskazywać na tarcie statyczne, niewłaściwe wzmocnienia regulatora, bicie śruby lub pulsacje przekładni. Zaletę EMMT-AS należy więc wykorzystywać w ramach kompletnego, sztywnego i poprawnie dostrojonego układu napędowego.

Prędkość silnika wynika z przełożenia mechanizmu. W osi śrubowej zależy od prędkości liniowej i skoku śruby. Przykładowo przy skoku 10 mm jeden obrót wału przesuwa wózek o 10 mm. Aby osiągnąć 1000 mm/s, silnik musi wykonać 100 obrotów na sekundę, czyli 6000 obr./min. W osi paskowej prędkość zależy od obwodu koła napędowego i ewentualnej przekładni. Większe koło pozwala uzyskać większą prędkość liniową przy tej samej prędkości silnika, ale wymaga większego momentu dla uzyskania tej samej siły liniowej. Należy sprawdzić prędkość znamionową, maksymalną prędkość silnika, prędkość dopuszczalną hamulca, sprzęgła, przekładni, śruby i łożysk. Krótkotrwałe osiągnięcie prędkości maksymalnej nie oznacza, że układ może stale pracować w tym punkcie z pełnym momentem. Różne serie mają odmienne zakresy. EMMB-AS pracuje znamionowo przy 3000 obr./min, natomiast wybrane małe EMME-AS i EMMS-AS osiągają znacznie wyższe wartości znamionowe. Właściwy dobór powinien korzystać z pełnej charakterystyki moment–prędkość, a nie tylko dwóch wartości podanych w tabeli.

Najczęstszą przyczyną jest zbyt wysoki moment skuteczny. Silnik może poprawnie wykonywać każdy pojedynczy ruch, ale częstotliwość cykli jest tak duża, że nie ma czasu na oddanie ciepła. Inne przyczyny to nadmierne tarcie, zablokowana prowadnica, zbyt duże napięcie pasa, niewswpółosiowe sprzęgło, przeciążenie osi pionowej, zbyt agresywne przyspieszenia, zbyt duża masa produktu, wysoka temperatura otoczenia i niewystarczająca powierzchnia odprowadzająca ciepło. Przegrzewanie może być również skutkiem niestabilnej regulacji. Jeżeli silnik wykonuje szybkie mikrooscylacje w postoju, przepływa przez niego prąd mimo braku widocznego ruchu. Podobny efekt powstaje przy źle ustawionym hamulcu, który nie zwalnia całkowicie. Diagnostykę należy rozpocząć od rejestracji prądu, momentu, prędkości, temperatury i błędu nadążania. Następnie trzeba porównać obciążenie z obliczonym profilem oraz sprawdzić mechanikę po odłączeniu silnika. Nie wolno automatycznie zwiększać limitu temperatury lub prądu. Może to jedynie opóźnić alarm, a jednocześnie przyspieszyć degradację izolacji, łożysk i magnesów. Rozwiązaniem może być zmniejszenie przyspieszeń, wydłużenie cyklu, ograniczenie tarcia, zmiana przełożenia lub zastosowanie większego silnika.

Błąd nadążania jest różnicą pomiędzy pozycją zadaną a pozycją rzeczywistą. Podczas przyspieszania pewien błąd jest naturalny, ponieważ sterownik potrzebuje go do wygenerowania odpowiedniej reakcji. Problem pojawia się, gdy wartość przekracza ustawiony próg lub nie zanika po zakończeniu ruchu. Przyczyną może być zbyt mały moment silnika, ograniczenie prądu sterownika, nadmierna masa, gwałtowne przyspieszenie, zablokowana mechanika, zbyt duże tarcie, niewłaściwe strojenie albo błędne przeliczenie jednostek osi. Błąd może również powstać w wyniku poślizgu sprzęgła, uszkodzenia przekładni, utraty sygnału enkodera lub błędnego kierunku sprzężenia zwrotnego. W tym ostatnim przypadku regulator może gwałtownie zwiększać błąd zamiast go zmniejszać. Diagnostyka powinna obejmować zapis pozycji zadanej i rzeczywistej, prędkości, prądu, statusu ograniczenia momentu i sygnału hamulca. Jeżeli prąd osiąga limit, a oś pozostaje w tyle, problem jest zwykle związany z przeciążeniem lub mechaniką. Jeżeli prąd jest mały, przyczyną mogą być nastawy regulatora albo ograniczenia programu. Progu błędu nadążania nie należy nadmiernie zwiększać tylko po to, aby usunąć alarm. Może to ukryć pogarszający się stan mechaniki.

Drgania w postoju najczęściej wynikają z nadmiernego wzmocnienia regulatora pozycji lub prędkości w stosunku do sztywności mechaniki. Sterownik nieustannie koryguje minimalne odchylenia, a elastyczny układ odpowiada oscylacją. Przyczyną może być również luz przekładni, podatne sprzęgło, luźne mocowanie silnika, cienki wspornik, napięty przewód, uszkodzone łożysko albo tarcie statyczne prowadnic. W osi pionowej dodatkowym czynnikiem jest nieprawidłowa kompensacja grawitacji. Sterownik może cyklicznie zwiększać i zmniejszać moment, próbując utrzymać pozycję obciążenia. Należy sprawdzić, czy drgania występują przy zwolnionym lub załączonym hamulcu. Jeżeli hamulec częściowo ociera, może powodować nieregularny moment oporowy. Jeżeli drgania znikają po zmniejszeniu wzmocnień, trzeba następnie zoptymalizować strojenie i filtry rezonansowe. Nie należy tłumić problemu przez mechaniczne blokowanie osi lub zwiększanie luzu. Właściwe rozwiązanie obejmuje poprawę sztywności, usunięcie luzu, wyeliminowanie tarcia i ponowne strojenie. W środowisku Festo diagnostykę ułatwia rejestracja przebiegów w sterowniku i analiza sygnałów regulacji przez oprogramowanie uruchomieniowe.

Przed zwolnieniem hamulca silnik powinien wytworzyć moment równoważący ciężar osi. Dopiero po potwierdzeniu gotowości sterownika i wytworzeniu momentu można odłączyć zasilanie cewki hamulca w sposób powodujący jego zwolnienie. Po komendzie zwolnienia należy uwzględnić czas mechanicznego otwarcia hamulca. Zbyt wczesne rozpoczęcie ruchu może spowodować pracę silnika przeciwko zamkniętemu hamulcowi, wzrost prądu i zużycie okładzin. Podczas zatrzymywania silnik powinien najpierw wyhamować oś i utrzymać ją nieruchomo. Następnie załącza się hamulec, odczekuje czas zamknięcia, a dopiero potem można wyłączyć moment silnika. W sytuacji awaryjnej sekwencja zależy od analizy ryzyka. Natychmiastowe załączenie hamulca przy dużej prędkości może go uszkodzić, ale zbyt późne załączenie może dopuścić do opadnięcia osi. Sterownik CMMT-AS oferuje funkcje związane z bezpiecznym sterowaniem hamulcem. Ich użycie wymaga prawidłowego obwodu, konfiguracji oraz walidacji. Należy także okresowo testować skuteczność hamulca. W aplikacjach krytycznych samo załączenie wyjścia sterującego nie potwierdza, że hamulec rzeczywiście wytworzył wymagany moment.

Podczas hamowania silnik działa jak generator. Energia kinetyczna obciążenia jest zwracana do obwodu pośredniego sterownika. Jeżeli napięcie tego obwodu wzrośnie nadmiernie, sterownik musi przekazać energię do rezystora hamowania, wspólnego obwodu DC lub systemu regeneracyjnego. Ilość energii zależy od bezwładności i kwadratu prędkości. Podwojenie prędkości powoduje czterokrotny wzrost energii kinetycznej. W osi pionowej podczas opuszczania obciążenia dochodzi również energia potencjalna. Trzeba sprawdzić nie tylko pojedynczą energię hamowania, ale także średnią moc w całym cyklu. Rezystor może przyjąć duży impuls, ale przy częstych cyklach nie zdąży się schłodzić. CMMT-AS ma zintegrowany rezystor hamowania i możliwość podłączenia rezystora zewnętrznego, zależnie od wykonania i wymagań aplikacji. Dobór należy przeprowadzić na podstawie charakterystyki sterownika, dopuszczalnej energii, rezystancji i mocy rezystora. Objawem niedostatecznej zdolności hamowania są alarmy nadnapięcia podczas zwalniania. Zmniejszenie prędkości lub wydłużenie czasu hamowania może pomóc, ale właściwym rozwiązaniem jest obliczenie bilansu energetycznego całego układu.

CMMT-AS może realizować zintegrowane funkcje bezpieczeństwa, których dostępność zależy od wersji urządzenia i konfiguracji. Podstawową funkcją jest STO, czyli bezpieczne wyłączenie momentu. Uniemożliwia ona wytwarzanie momentu przez silnik, ale nie powoduje kontrolowanego hamowania i nie unieruchamia mechanicznie osi. Możliwa jest również realizacja SS1 w odpowiednim układzie, czyli kontrolowanego zatrzymania, po którym następuje bezpieczne wyłączenie momentu. Funkcja SBC służy do bezpiecznego sterowania hamulcem. W rozszerzonych wersjach występują również funkcje bezpiecznej prędkości, bezpiecznego postoju i monitorowania ruchu, takie jak SLS, SOS czy SS2. Wymagają one prawidłowej konfiguracji, odpowiednich sygnałów sprzężenia zwrotnego i weryfikacji całego układu. W wybranych EMMT-AS dostępne są enkodery bezpieczeństwa, które mogą być wykorzystywane w bardziej zaawansowanych funkcjach bezpiecznego ruchu. Sam enkoder bezpieczeństwa nie tworzy jednak kompletnej funkcji. Potrzebny jest odpowiedni sterownik, okablowanie, logika bezpieczeństwa i walidacja. Wymagany poziom PL lub SIL powinien wynikać z oceny ryzyka maszyny. Nie wolno utożsamiać STO z zatrzymaniem awaryjnym wszystkich zagrożeń, szczególnie w osi pionowej.

Typowe objawy to błędy sprzężenia zwrotnego, nagła utrata pozycji, niestabilna prędkość, gwałtowne szarpnięcie przy załączeniu, brak możliwości komutacji, nielogiczne wartości pozycji albo alarm po przekroczeniu określonej prędkości. Przyczyną nie zawsze jest sam enkoder. Problem może wynikać z uszkodzonego przewodu, niedokręconej wtyczki, zanieczyszczenia złącza, nieprawidłowego ekranu, zakłóceń elektromagnetycznych, błędnego zasilania enkodera albo niezgodności protokołu. Diagnostykę należy rozpocząć od odczytania dokładnego kodu błędu sterownika. Następnie sprawdza się ciągłość przewodu, stan pinów, mocowanie ekranów oraz zgodność kabla z typem silnika. W aplikacjach z prowadnikiem częstym problemem jest pęknięcie żyły po dużej liczbie cykli zginania. Nie należy wykonywać przypadkowych pomiarów rezystancji na liniach cyfrowego enkodera bez znajomości jego budowy. Nieodpowiednie napięcie pomiarowe może uszkodzić elektronikę. Jeżeli błąd zależy od położenia przewodu albo występuje podczas ruchu, najbardziej prawdopodobne jest uszkodzenie kabla. Jeżeli pojawia się stale po wymianie przewodu, trzeba sprawdzić silnik, sterownik i parametry konfiguracji.

Najpierw należy określić, czy dźwięk zależy od prędkości, momentu, kierunku ruchu czy konkretnej pozycji osi. Jednostajny szum elektryczny może być normalnym skutkiem modulacji prądu, natomiast stukanie, zgrzytanie lub rytmiczne wycie wymaga analizy. Hałas rosnący wraz z prędkością może wynikać z łożysk, niewyważenia, bicia sprzęgła, koła pasowego lub wału. Dźwięk pojawiający się przy zmianie kierunku często wskazuje luz przekładni albo sprzęgła. Pisk i wysokoczęstotliwościowe drgania w postoju mogą świadczyć o zbyt wysokich wzmocnieniach regulatora. Niski, okresowy dźwięk przy małej prędkości może wynikać z tarcia, momentu zaczepowego lub nierówności przekładni. Warto rozłączyć mechanikę i uruchomić silnik bez obciążenia w bezpiecznych warunkach. Jeżeli hałas znika, źródło znajduje się prawdopodobnie w osi, przekładni lub sprzęgle. Jeżeli pozostaje, należy skontrolować silnik, hamulec i parametry regulacji. Nie należy długo eksploatować silnika z narastającym hałasem łożyskowym. Dalsza praca może doprowadzić do wzrostu bicia, uszkodzenia enkodera lub zakleszczenia wału.

Serwosilniki są zasadniczo urządzeniami o ograniczonych wymaganiach obsługowych, ponieważ nie mają szczotek komutatora wymagających okresowej wymiany. Nie oznacza to jednak całkowitego braku konserwacji. Należy regularnie kontrolować mocowanie silnika, stan złączy, przewodów, ekranów, uszczelnień, sprzęgieł, przekładni i hamulca. W prowadnikach kablowych trzeba sprawdzać zużycie płaszcza, promień gięcia i prawidłowe odciążenie. Ważne jest monitorowanie temperatury, hałasu i drgań. Stopniowy wzrost prądu potrzebnego do wykonania tego samego ruchu może wskazywać pogarszający się stan prowadnic, śruby albo łożysk. Dla EMMB-AS dokumentacja podaje orientacyjną trwałość łożysk w warunkach znamionowych wynoszącą 20 000 godzin. Nie jest to gwarantowany czas pracy w każdej aplikacji. Obciążenia wału, temperatura, drgania, prędkość i zanieczyszczenia mogą znacząco zmienić trwałość. Pierścienie uszczelniające należy traktować jako elementy eksploatacyjne. Dokumentacja EMMT-AS podaje okres wymiany pierścienia używanego do osiągnięcia określonego stopnia ochrony. Hamulec należy okresowo testować, szczególnie w osiach pionowych. Plan konserwacji powinien wynikać z warunków pracy i analizy ryzyka.

Zastąpienie jest możliwe w ramach modernizacji, ale zwykle nie jest wymianą jeden do jednego. Trzeba porównać wymiary kołnierza, średnicę i długość wału, rozstaw otworów, całkowitą długość silnika, położenie złączy oraz dopuszczalne obciążenia wału. Następnie porównuje się parametry elektryczne i dynamiczne: moment ciągły, moment szczytowy, prędkość, bezwładność wirnika, rodzaj uzwojenia, napięcie, prąd, system enkodera i hamulec. EMMS-AS mógł współpracować z CMMP-AS i wykorzystywać resolver lub starszy enkoder. EMMT-AS jest ukierunkowany na współpracę z CMMT-AS i rozwiązaniem jednokablowym. Wymiana silnika może więc wymagać także wymiany sterownika, kabli, zestawu montażowego, konfiguracji PLC i dokumentacji elektrycznej. Zmiana bezwładności wirnika wpływa na strojenie oraz dynamikę. Nawet silnik o podobnym momencie może inaczej zachowywać się w krótkich cyklach. Trzeba również zweryfikować funkcje bezpieczeństwa. Zmiana sterownika lub enkodera może wymagać ponownej walidacji STO, SBC, SS1 i innych funkcji. Modernizację warto potraktować jako ponowny dobór kompletnego napędu, a nie poszukiwanie silnika o najbardziej zbliżonej mocy znamionowej.

Pierwszym błędem jest dobór wyłącznie na podstawie mocy znamionowej. Moc nie opisuje bezpośrednio zdolności do realizacji konkretnego profilu ruchu. Dwa silniki o tej samej mocy mogą mieć zupełnie inny moment, prędkość, bezwładność i przeciążalność. Drugim błędem jest pomijanie momentu skutecznego i analizowanie tylko momentu szczytowego. Silnik może wykonać pojedynczy cykl, ale przegrzewać się podczas ciągłej produkcji. Często nie uwzględnia się bezwładności śruby, sprzęgła, przekładni, koła pasowego i samego wirnika. Pomijane są także siły tarcia, grawitacji oraz zmienna masa produktu. Kolejny problem to założenie, że hamulec służy do regularnego zatrzymywania ruchu albo automatycznie spełnia funkcję bezpieczeństwa. Błędem jest również dobór kabla „na oko”, brak kontroli rodzaju enkodera, niezgodność uzwojenia ze sterownikiem i pomijanie wymagań EMC. Po stronie mechanicznej często występują niewswpółosiowość, zbyt duże napięcie pasa, przekroczenie obciążenia wału, podatny wspornik i luźne sprzęgło. Ostatnim typowym błędem jest ustawianie zbyt agresywnej dynamiki bez sprawdzenia energii hamowania, temperatury i rezonansów. Prawidłowy dobór obejmuje silnik, sterownik, przewody, mechanikę, bezpieczeństwo i cały cykl technologiczny.

Do doboru należy przygotować dokładny opis ruchu: rodzaj osi, pozycję montażową, drogę, czas przejazdu, prędkość, przyspieszenie, hamowanie, czas postoju, liczbę cykli na minutę i wymaganą powtarzalność. Potrzebne są dane mechaniczne: masa ruchoma, moment bezwładności elementów obrotowych, siła procesowa, tarcie, skok śruby, średnica koła pasowego, przełożenie przekładni, sprawność i luz. W osi pionowej trzeba podać kierunek działania grawitacji oraz konsekwencje opadnięcia. Należy określić środowisko: temperaturę, wysokość instalacji, wilgotność, pył, olej, chłodziwo, metodę czyszczenia, wymagany stopień ochrony i warunki pracy przewodów. Po stronie elektrycznej istotne są: napięcie zasilania, dostępny sterownik, protokół komunikacyjny, typ PLC, długość przewodów, wymagany enkoder, hamulec i funkcje bezpieczeństwa. Trzeba również podać, czy jest to nowa maszyna, czy modernizacja. W modernizacji potrzebne są kody istniejącego silnika, sterownika, kabli, przekładni i osi oraz dokumentacja mechaniczna. Na podstawie tych danych można porównać EMMT-AS, EMME-AS, EMMB-AS i ewentualne rozwiązania dla istniejących systemów EMMS-AS. Electric Motion Sizing pozwala zweryfikować odpowiednią kombinację osi, silnika i sterownika, ale wynik powinien być jeszcze oceniony pod kątem całej aplikacji i wymaganej rezerwy eksploatacyjnej.