المشكلات الشائعة عند استخدام محركات السيرفو

تُعد أنظمة السيرفو مكوّناً أساسياً في المنتجات الكهروميكانيكية، إذ توفر أعلى مستويات الاستجابة الديناميكية وكثافة العزم. لذلك، يتجه تطوير أنظمة القيادة إلى استبدال أنظمة القيادة الهيدروليكية والتيار المستمر والمحركات الخطوية ومحركات التيار المتردد ذات التحكم بالتردد التقليدية بمحركات سيرفو تعمل بالتيار المتردد، لتحقيق مستوى جديد من أداء النظام، يشمل تقليل أزمنة الدورات، وزيادة الإنتاجية، وتحسين الموثوقية، وإطالة العمر التشغيلي. ولتحقيق أفضل أداء لمحركات السيرفو، لا بد من فهم خصائص استخدامها.

المشكلات الشائعة عند استخدام محركات السيرفو

المشكلة الأولى: الضوضاء وعدم الاستقرار

كثيراً ما يواجه العملاء ضوضاء مفرطة وتشغيلاً غير مستقر عند استخدام محركات السيرفو في الآلات. وغالباً ما يكون أول ما يتبادر إلى أذهان المستخدمين أن جودة محرك السيرفو رديئة، إذ إن استبداله أحياناً بمحرك خطوي أو محرك يعمل بتغيير التردد يؤدي إلى انخفاض ملحوظ في الضوضاء وعدم الاستقرار. وقد يبدو ظاهرياً أن محرك السيرفو هو سبب المشكلة، لكن التحليل الدقيق لمبدأ عمله يبيّن أن هذا الاستنتاج خاطئ تماماً.

يتكوّن نظام السيرفو بالتيار المتردد من مشغّل سيرفو ومحرك سيرفو ومستشعر تغذية راجعة (تحتوي محركات السيرفو عادةً على مُشفّر ضوئي مدمج). تعمل هذه المكوّنات جميعها ضمن نظام تحكم مغلق الحلقة: يستقبل المشغّل معلومات المعلمات من المصدر الخارجي، ثم يزوّد المحرك بتيار معين يحوّله المحرك إلى عزم لتشغيل الحمل. ويتحرك الحمل أو يتسارع أو يتباطأ وفقاً لخصائصه. تقيس المستشعرات موضع الحمل، ليقارن المشغّل قيمة الموضع الفعلية بالقيمة المحددة. ثم يضبط تيار المحرك للحفاظ على تطابق الموضع الفعلي مع القيمة المحددة. وعندما يؤدي تغير مفاجئ في الحمل إلى تغير السرعة، يرصد المُشفّر هذا التغير ويستجيب فوراً بإرسال إشارة إلى مشغّل السيرفو. ويعدّل المشغّل بدوره التيار المزوّد للمحرك لمواكبة تغير الحمل، ثم يعيد السرعة إلى القيمة المحددة. نظام السيرفو بالتيار المتردد نظام مغلق الحلقة بالكامل وسريع الاستجابة للغاية. فالزمن الفاصل بين تقلبات الحمل وتصحيح السرعة قصير جداً. لذلك، فإن العامل المحدِّد الحقيقي لاستجابة النظام هو زمن انتقال الحركة عبر وصلات نقل الحركة الميكانيكية.

المشكلة الثانية: مواءمة القصور الذاتي

تتكرر مشكلات القصور الذاتي أثناء اختيار أنظمة السيرفو وضبطها!

وتظهر هذه المشكلات على وجه التحديد في الحالات التالية:

1. عند اختيار نظام سيرفو، ينبغي إلى جانب مراعاة عوامل مثل عزم المحرك وسرعته المقدرة، حساب القصور الذاتي للنظام الميكانيكي بعد تحويله إلى عمود المحرك. ثم يُختار محرك بقيمة قصور ذاتي مناسبة، استناداً إلى متطلبات الحركة الميكانيكية الفعلية ومتطلبات جودة القطع المُشغّلة.

2. أثناء الضبط (في الوضع اليدوي)، يُعد ضبط معامل نسبة القصور الذاتي على نحو صحيح شرطاً أساسياً للاستفادة الكاملة من الأداء الأمثل للنظامين الميكانيكي ونظام السيرفو. ويكتسب ذلك أهمية خاصة في الأنظمة التي تتطلب سرعة ودقة عاليتين (تتراوح إعدادات نسبة القصور الذاتي لسيرفو Delta بين 1 و37، JL/JM).

التأثير: يؤثر القصور الذاتي لنظام نقل الحركة في دقة نظام السيرفو واستقراره واستجابته الديناميكية. ويؤدي القصور الذاتي الكبير إلى زيادة الثابت الميكانيكي وبطء الاستجابة وانخفاض التردد الطبيعي للنظام، ما يجعله أكثر عرضة للرنين. وهذا يحد من نطاق تردد السيرفو ويؤثر في دقته وسرعة استجابته. ولا تفيد زيادة القصور الذاتي إلا في تحسين الزحف عند السرعات المنخفضة. لذلك، ينبغي تقليل القصور الذاتي إلى أدنى حد ممكن في التصميم الميكانيكي، من دون التأثير في صلابة النظام.

كيفية تحديد الخصائص الديناميكية للنظام الميكانيكي: عند قياس الخصائص الديناميكية لنظام ميكانيكي، كلما قلّ القصور الذاتي تحسنت الاستجابة الديناميكية للنظام؛ وكلما زاد، زاد الحمل على المحرك وأصبح التحكم أصعب. ومع ذلك، يجب أن يتوافق القصور الذاتي للنظام الميكانيكي مع القصور الذاتي للمحرك. وتختلف آليات الحركة في مبادئ مواءمة القصور الذاتي المناسبة لها، كما تختلف آثار هذه المبادئ.

على سبيل المثال، عندما ينفذ مركز تشغيل CNC عمليات قطع عالية السرعة باستخدام محرك سيرفو، تؤدي زيادة قصور الحمل الذاتي إلى ما يلي:

1. عند تغير أوامر التحكم، يستغرق المحرك وقتاً أطول للوصول إلى السرعة التي يتطلبها الأمر الجديد؛

2. عند تنفيذ أداة الماكينة قطعاً قوسياً سريعاً على محورين، تظهر أخطاء كبيرة. وبوجه عام، في الظروف العادية، إذا كانت JL≦JM، فلن تظهر المشكلات المذكورة أعلاه؛

3. عندما تكون JL≧3×JM، تنخفض قابلية التحكم بالمحرك بشكل ملحوظ، ويظهر ذلك بوضوح خاصةً أثناء القطع المنحني عالي السرعة.

تحدد طبيعة الحركة الميكانيكية ومتطلبات جودة التشغيل العلاقة المناسبة بين JL وJM. وينبغي تحديد مواءمة القصور الذاتي بناءً على خصائص العملية الميكانيكية ومتطلبات جودة التشغيل.

السؤال الثالث: اختيار محرك السيرفو

بعد اختيار مخطط نظام نقل الحركة الميكانيكي، يجب تحديد طراز محرك السيرفو وحجمه واعتمادهما.

(1) شروط الاختيار

بوجه عام، يجب استيفاء الشروط التالية عند اختيار محرك سيرفو:

1. يجب أن تتجاوز السرعة القصوى للمحرك أقصى سرعة يتطلبها النظام.

2. يجب أن يتوافق قصور دوّار المحرك الذاتي مع قصور الحمل الذاتي.

3. يجب أن يكون عزم التشغيل المستمر للحمل أقل من≤ العزم المقنن للمحرك.

4. يجب أن يتجاوز أقصى عزم خرج للمحرك أقصى عزم يتطلبه النظام (عزم التسارع).

(2) حسابات الاختيار

1. حساب مواءمة القصور الذاتي (JL/JM)

2. حساب السرعة الدورانية (سرعة طرف الحمل وسرعة طرف المحرك)

3. حساب عزم الحمل (عزم التشغيل المستمر للحمل وعزم التسارع)