Mitsubishi HC-SFS153K (HCSFS153K) — 1,5 kW silnik serwo AC, wał z wpustem, bez hamulca, 3000 obr./min, seria MELSERVO J2-Super

Przegląd produktu

Numer części: HC-SFS153K

Szukane również jako: HCSFS153K, HC SFS 153K, HC-SFS-153K

Seria: Mitsubishi MELSERVO HC-SFS (generacja J2-Super)

Klasyfikacja: Silnik serwo AC bezszczotkowy o średniej bezwładności — 1,5 kW, klasa 200V, 3000 obr./min, wał z wpustem, bez hamulca

Wstęp: Silnik o specyficznym przeznaczeniu

Istnieją silniki serwo zaprojektowane z myślą o elastyczności i silniki serwo zaprojektowane z myślą o konkretnym interfejsie mechanicznym. Mitsubishi HC-SFS153K skłania się ku temu drugiemu. Sufiks "K" jest kluczowym oznaczeniem — frezowany rowek na wpust na wale, który fundamentalnie zmienia sposób przenoszenia momentu obrotowego z silnika na napędzany element.

Przy mocy 1,5 kW i 3000 obr./min na kołnierzu 130 × 130 mm, HC-SFS153K mieści się w kompaktowym segmencie serwo o średniej mocy. Jego ciągły moment obrotowy 4,78 Nm i moment szczytowy 14,3 Nm mieszczą się w praktycznym zakresie dla osi pomocniczych obrabiarek, napędów przenośników o średniej prędkości i wszelkich mechanizmów, w których sprzęgło silnik-obciążenie musi być zarówno precyzyjne, jak i mechanicznie pewne. Wał z wpustem jest cechą, która sprawia, że jest on odpowiedni dla tych zastosowań, gdzie gładki prosty wał, niezależnie od niezawodności mocowania, wprowadza pewne wątpliwości co do integralności ścieżki momentu obrotowego przez cały okres eksploatacji silnika.

Za wałem: ten sam 17-bitowy absolutny enkoder szeregowy o rozdzielczości 131 072 ppr, który jest stosowany w całej rodzinie J2-Super HC-SFS, w połączeniu ze wzmacniaczem klasy MR-J2S-200.

Specyfikacje techniczne

Dlaczego wał z wpustem zmienia sytuację

Większość zastosowań serwo wykorzystuje gładki prosty wał i sprzęgło cierne. Działa dobrze, zakres sprzęgieł jest szeroki, a instalacja jest prosta. Kiedy więc zamiast tego odpowiednim rozwiązaniem jest wał z wpustem?

Odpowiedź dotyczy tego, co faktycznie robi interfejs sprzęgła ciernego. Sprzęgło z dzielonym piastą lub wciskane na gorąco przenosi moment obrotowy poprzez tarcie między otworem piasty a średnicą zewnętrzną wału. Tarcie to jest ustawiane przez siłę zacisku podczas instalacji — zazwyczaj przez śrubę dociskową lub śrubę przechodzącą przez dzieloną piastę — i musi być wystarczająco duża, aby oprzeć się szczytowemu momentowi obrotowemu bez poślizgu: w tym przypadku 14,3 Nm przy każdym przejściu przyspieszenia, cykl po cyklu, przez cały okres eksploatacji silnika.

W idealnych warunkach sprzęgła cierne przy mocy 1,5 kW radzą sobie z tym niezawodnie. W mniej idealnych warunkach — poluzowanie piasty spowodowane wibracjami przez tysiące godzin, cykle termiczne nieznacznie zmieniające geometrię zacisku, obciążenia udarowe od zazębienia łańcucha lub kontaktu zębów przekładni — margines bezpieczeństwa, który wydawał się wystarczający podczas instalacji, może ulec erozji. Kiedy tak się dzieje, poślizg jest zazwyczaj przerywany, a błąd śledzenia jest na tyle mały, że nie wyzwala alarmu. Oś rozwija problem powtarzalności pozycji, który jest naprawdę trudny do zdiagnozowania, ponieważ pojawia się tylko wtedy, gdy oś pracuje intensywnie.

Rowek na wpust eliminuje ten tryb awarii. Wpust zajmuje dopasowane szczeliny zarówno w wale, jak i w piaście, przenosząc moment obrotowy poprzez swoją powierzchnię ścinania, a nie poprzez tarcie. Ścieżka momentu obrotowego jest mechanicznie pewna — nie zależy od siły zacisku, nie pogarsza się pod wpływem wibracji i nie poluzowuje się pod wpływem cykli termicznych. Obciążenia cykliczne, odwracanie i obciążenia udarowe, które stanowiłyby wyzwanie dla interfejsu ciernego, nie wpływają na połączenie z wpustem.

Dla silnika o mocy 1,5 kW przy 3000 obr./min, gdzie napędzany element — koło zębate rozrządu, wejście przekładni ślimakowej, koło pasowe paska synchronicznego lub piasta przekładni — ma otwór na wpust, albo z założenia, albo z wymagań klienta, HC-SFS153K jest właściwym i naturalnym wyborem. Nie ma żadnych kompromisów w zakresie wydajności. Znamionowy moment obrotowy 4,78 Nm i moment szczytowy 14,3 Nm są identyczne jak w przypadku HC-SFS153 z prostym wałem.

1,5 kW przy 3000 obr./min: Punkt pracy

Cztery przecinek siedemdziesiąt osiem niutonometrów przy 3000 obr./min to specyficzne połączenie, które pasuje do dobrze zdefiniowanego zestawu typów osi.

Jest to większy moment obrotowy niż w przypadku HC-SFS103 o mocy 1 kW (3,18 Nm przy tej samej prędkości), co staje się istotne, gdy oś utrzymuje umiarkowane obciążenie w całym zakresie pracy, a nie tylko podczas przejściowych przyspieszeń. Silnik o mocy 1 kW, którego oś regularnie wymaga blisko 3,18 Nm w sposób ciągły, pracuje blisko swojego limitu termicznego z niewielkim marginesem. HC-SFS153K przy 4,78 Nm ciągłego momentu obrotowego zapewnia tej samej osi około 50% większą zdolność do przenoszenia momentu obrotowego — zapas, który objawia się niższą temperaturą pracy, dłuższą żywotnością uzwojeń i zmniejszoną częstotliwością alarmów przeciążenia podczas wymagających cykli produkcyjnych.

Znamionowa prędkość 3000 obr./min służy temu samemu celowi, co w całej gamie HC-SFS 3000 obr./min: umożliwia bezpośrednie sprzężenie z mechanizmami wymagającymi prędkości wału, a nie momentu obrotowego wału. Śruba kulowa o skoku 5 mm napędzana z prędkością 3000 obr./min osiąga prędkość liniową 15 m/min — wystarczająco szybko dla wielu osi pomocniczych CNC bez żadnego stopnia redukcji. Napęd paskiem zębatym o przełożeniu 2:1 zamienia to na 1500 obr./min na wale napędzanym, podwajając dostępny moment obrotowy, zbliżając punkt pracy do miejsca, gdzie wiele mechanizmów sprzężonych przekładnią lub napędzanych paskiem faktycznie go potrzebuje.

Maksymalna prędkość 4500 obr./min rozszerza zakres pracy powyżej punktu znamionowego w obszarze stałej mocy, gdzie dostępny moment obrotowy maleje proporcjonalnie. Ten rozszerzony zakres jest przydatny do szybkich faz ruchu na osiach pozycjonujących, gdzie obciążenie jest niewielkie, a zapotrzebowanie na moment obrotowy podczas ruchu jest znacznie poniżej wartości znamionowej.

Położenie między 103 a 203

Gama HC-SFS 3000 obr./min na kołnierzu 130 × 130 mm obejmuje moc od 500 W (HC-SFS53) do 2000 W (HC-SFS203) w czterech krokach. HC-SFS153K znajduje się na trzecim stopniu — powyżej HC-SFS103 o mocy 1 kW, poniżej HC-SFS203 o mocy 2 kW i dzieli tę samą fizyczną ramę i interfejs montażowy z oboma.

Jedna uwaga warta odnotowania: zarówno HC-SFS153K, jak i HC-SFS203K używają tego samego wzmacniacza MR-J2S-200. Kołnierz jest identyczny, montaż mechaniczny jest taki sam, a połączenie ze wzmacniaczem jest takie samo. Oznacza to, że rama maszyny zaprojektowana dla HC-SFS153K może pomieścić HC-SFS203K bez żadnych zmian mechanicznych ani elektrycznych w panelu — jedyną potrzebną regulacją parametrów jest ustawienie wzmacniacza tak, aby rozpoznał nowy silnik. W przypadku zastosowań, gdzie istnieje możliwość przyszłej rozbudowy mocy, jest to przydatna elastyczność projektowa.

Bez hamulca: Właściwy domyślny wybór dla poziomych osi z wałem z wpustem

HC-SFS153K nie posiada hamulca elektromagnetycznego. Jest to właściwa konfiguracja dla zdecydowanej większości poziomych i symetrycznie obciążonych osi, gdzie wał z wpustem ma sens.

Zastosowania z wałem z wpustem zazwyczaj obejmują sprzęgła mechaniczne — koła zębate, piasty przekładni, wały wejściowe ślimaków, koła pasowe — wszystkie są najczęściej spotykane w mechanizmach poziomych: napędy przenośników, systemy podawania materiału, obrotnice indeksujące na płaszczyznach poziomych, osie pomocnicze w zespołach maszyn zamontowanych poziomo. Na tych osiach blokada serwo poprzez zamkniętą pętlę pozycji wzmacniacza MR-J2S-200 jest całkowicie wystarczająca do utrzymania pozycji w spoczynku. 17-bitowy enkoder stale monitoruje kąt wału; wzmacniacz dostarcza prąd korygujący, aby utrzymać zerowy błąd śledzenia. Hamulec nie ma nic do dodania w przypadku poziomego, zbalansowanego mechanizmu.

Praktyczne zalety konfiguracji bez hamulca w tym rozmiarze silnika są realne. Brak obwodu hamulca 24V DC w panelu. Brak przekaźnika, brak tłumika przepięć. Brak blokady MBR w PLC. Brak okresowej kontroli zużycia hamulca w harmonogramie konserwacji. Silnik jest lżejszy i krótszy niż jego odpowiednik z hamulcem, co ma znaczenie w osiach, gdzie masa silnika przyczynia się do bezwładności ruchomej konstrukcji.

HC-SFS153K z wałem z wpustem i bez hamulca opisuje prosty interfejs mechaniczny: piasta jest z wpustem i zablokowana, silnik jest podłączony do MR-J2S-200, a oś działa czysto bez dodatkowego sprzętu mocującego. Tam, gdzie oś jest faktycznie pionowa lub obciążona grawitacyjnie, HC-SFS153BK (wał z wpustem plus hamulec sprężynowy) jest właściwą specyfikacją. W maszynie z kilkoma osiami tej mocy, celowe zastosowanie testu osi pionowej do każdej z nich i odpowiednie określenie specyfikacji prowadzi do czystszego projektu niż domyślne stosowanie hamulców wszędzie.

Kompatybilne wzmacniacze

HC-SFS153K jest sparowany z rodziną wzmacniaczy MR-J2S-200 — platformą J2-Super o mocy 2 kW. Pomimo że silnik ma moc 1,5 kW, zapotrzebowanie na prąd przy 3000 obr./min wymaga klasy wzmacniacza 2 kW, a nie MR-J2S-100 o mocy 1 kW. Jest to zgodne z całą gamą HC-SFS 3000 obr./min: zarówno HC-SFS153, jak i HC-SFS203 używają MR-J2S-200.

MR-J2S-200A obsługuje polecenia analogowe i impulsowe z systemów CNC, sterowników PLC i zewnętrznych kontrolerów ruchu. Dostępne są tryby sterowania pozycją, prędkością i momentem obrotowym, a także kombinacje trybów przełączanych P/S, S/T i T/P. RS-232C łączy się z oprogramowaniem konfiguracyjnym MR Configurator. Jest to standardowy wybór dla obrabiarek i ogólnych zastosowań automatyki.

MR-J2S-200B łączy się z kontrolerami ruchu Mitsubishi serii A i Q za pomocą magistrali szeregowej światłowodowej SSCNET. Wszystkie polecenia osi i sprzężenie zwrotne z enkodera przesyłane są przez sieć światłowodową. Wymagane dla maszyn wieloosiowych, gdzie skoordynowany ruch osi — przekładnia elektroniczna, konturowanie, synchronizowane posuwy — jest zarządzany przez kontroler ruchu Mitsubishi.

MR-J2S-200CP zawiera wbudowane pozycjonowanie jednoosiowe z maksymalnie 31 pozycjami punktowymi, aktywowanymi przez sygnały cyfrowe I/O lub sieć CC-Link. Dla samodzielnych osi pozycjonujących, które nie wymagają koordynacji z innymi osiami, CP eliminuje koszt dedykowanego kontrolera ruchu.

Uwagi dotyczące kompatybilności. HC-SFS153K wymaga wzmacniacza MR-J2S-200. Nie jest kompatybilny z pierwszą generacją MR-J2-200, który nie potrafi dekodować protokołu enkodera 17-bitowego J2-Super. W przypadku maszyn z oryginalnym sprzętem MR-J2-200, HC-SF153K (wał z wpustem, enkoder 14-bitowy, te same wymiary mechaniczne) jest właściwym silnikiem. Niekompatybilny ze wzmacniaczami MR-J3 lub MR-J4 bez zestawu adaptera odnowienia.

Typowe zastosowania

Główne osie napędu paskiem zębatym i synchronicznym. Oś maszyny, gdzie silnik napędza redukcję paska zębatego — bardzo powszechne rozwiązanie w silnikach serwo 3000 obr./min — wykorzystuje koła z wpustem jako standardową praktykę projektową. Naciąg paska wstępnie obciąża piastę koła promieniowo, a wpust zapobiega obracaniu się koła na wale pod łącznym obciążeniem promieniowym i stycznym napędu paskowego. Wał z wpustem HC-SFS153K jest dokładnie tym, czego wymagają te napędy.

Napędy z przekładnią ślimakową. Obrotnice indeksujące, wieżyczki napędzane serwo i mechanizmy pozycjonowania kątowego wykorzystujące reduktory ślimakowe łączą silnik z wałem ślimakowym za pomocą piasty sprzęgającej z wpustem. Odporność napędu ślimakowego na cofanie oznacza, że silnik często utrzymuje pozycję poprzez redukcję przekładni, a nie poprzez blokadę serwo, a interfejs z wpustem zapewnia, że połączenie silnik-ślimak jest mechanicznie pewne przez cały cykl pozycjonowania i fazę trzymania.

Napędy łańcuchowe na systemach przenośników i transportowych. Napędzane serwo sekcje przenośników i mechanizmy transportowe wykorzystujące napędy łańcuchowe montują koło łańcuchowe na wale silnika za pomocą otworu z wpustem. Napędy łańcuchowe generują przerywane obciążenia udarowe — każde zazębienie ogniwa łańcucha tworzy chwilowy skok momentu obrotowego — a interfejs z wpustem wytrzymuje te cykliczne obciążenia udarowe, podczas gdy zacisk cierny byłby stopniowo poddawany próbie.

Napędy osi pomocniczych obrabiarek CNC. Oś obrotu zmieniacza palet, napędy magazynów narzędzi obrotowych i napędy przenośników wiórów w centrach obróbczych CNC często wykorzystują sprzęgła z wpustem na styku silnika z mechanizmem, szczególnie tam, gdzie oś jest podłączona do istniejącego mechanizmu przekładniowego zaprojektowanego wokół wejścia z wałem z wpustem.

Rolki napędowe w maszynach tekstylnych i przetwórczych. Rolki podawania i napinania w maszynach do cięcia, liniach laminowania i urządzeniach do przetwarzania tekstyliów, gdzie piasta rolki jest połączona z wałem napędowym w całym zakresie produktów. Wymiana silnika w takich maszynach bez wymiany piasty rolki jest prosta, gdy silnik ma tę samą specyfikację rowka na wpust.

Często zadawane pytania

P1: Dlaczego HC-SFS153K używa wzmacniacza MR-J2S-200 zamiast MR-J2S-100, biorąc pod uwagę, że ma tylko 1,5 kW?

Klasa wzmacniacza jest określana przez zapotrzebowanie na prąd silnika, a nie tylko przez jego moc znamionową. Przy 3000 obr./min i 1,5 kW, HC-SFS153K pobiera prąd przekraczający moc znamionową MR-J2S-100. Tabele kompatybilności silnik-wzmacniacz firmy Mitsubishi potwierdzają MR-J2S-200 dla HC-SFS153 i HC-SFS203 przy 3000 obr./min. Jest to zgodne z HC-SFS152 (1,5 kW przy 2000 obr./min) również używającym MR-J2S-200 — zakres prądowy przy tej kombinacji mocy i prędkości wymaga większego wzmacniacza, niezależnie od mocy znamionowej silnika.

P2: Jaka jest praktyczna różnica między HC-SFS153K (z wpustem) a HC-SFS153 (z prostym wałem)?

Specyfikacje wydajności są identyczne — ten sam moment znamionowy 4,78 Nm, ten sam moment szczytowy 14,3 Nm, ten sam enkoder, ten sam wzmacniacz. Różnica dotyczy wyłącznie ścieżki przenoszenia momentu obrotowego wał-piasta. Frezowany rowek na wpust w HC-SFS153K przenosi moment obrotowy mechanicznie poprzez powierzchnię ścinania wpustu; prosty wał HC-SFS153 opiera się na zacisku ciernym piasty sprzęgła. Wariant z wpustem jest odpowiedni, gdy element napędzany ma otwór z wpustem, gdy mechanizm obejmuje cykliczne odwracanie lub obciążenia udarowe, lub gdy priorytetem projektowym jest długoterminowa integralność ścieżki momentu obrotowego pod wpływem wibracji. Dla precyzyjnych sprzęgieł z gładkim otworem na czystych osiach poziomych, prosty wał HC-SFS153 jest prostszy i równie niezawodny.

P3: Czy HC-SFS153K może zastąpić HC-SF153K w maszynie z wzmacniaczem pierwszej generacji MR-J2-200?

Nie. 17-bitowy enkoder HC-SFS153K jest niekompatybilny ze wzmacniaczem pierwszej generacji MR-J2-200. Tylko HC-SF153K (wał z wpustem, enkoder 14-bitowy) jest kompatybilny z oryginalnym sprzętem MR-J2-200. Jeśli maszyna została już zmodernizowana do wzmacniacza MR-J2S-200, HC-SFS153K jest bezpośrednim zamiennikiem mechanicznym, a wyższa rozdzielczość enkodera jest automatyczną korzyścią.

P4: Gdzie znajduje się bateria zapasowa enkodera absolutnego?

Bateria — litowa Mitsubishi A6BAT — znajduje się wewnątrz wzmacniacza serwo MR-J2S-200, a nie w silniku. Utrzymuje ona wieloobrotowy licznik absolutny podczas okresów wyłączenia zasilania. Wymień ją przy pierwszym alarmie niskiego poziomu baterii ze wzmacniacza. Nie zwlekaj: całkowicie rozładowana bateria resetuje licznik wieloobrotowy, wymagając cyklu powrotu do punktu odniesienia przy następnym uruchomieniu, zanim oś będzie mogła wrócić do produkcji. W maszynach o wysokiej dostępności alarm niskiego poziomu baterii należy traktować jako pilne zadanie konserwacyjne.

P5: HC-SFS153K został wycofany z produkcji. Jakie są opcje pozyskiwania i modernizacji?

HC-SFS153K pozostaje dostępny jako nadwyżka magazynowa i przetestowane jednostki po renowacji u specjalistów od komponentów serwo Mitsubishi, co czyni go praktyczną opcją do utrzymania istniejących maszyn z platformą J2-Super. W przypadku nowych projektów maszyn lub pełnych modernizacji platformy, odpowiednik obecnej generacji pochodzi z serii HG-KR lub HF-KP ze wzmacniaczami MR-J4 lub MR-JE — ale zarówno silnik, jak i wzmacniacz muszą być wymienione razem, ponieważ protokół enkodera jest niekompatybilny. W przypadku maszyn z wieloma jednostkami HC-SFS153K, gdzie wzmacniacze są nadal sprawne, utrzymanie istniejącej platformy J2-Super poprzez pozyskiwanie silników z nadwyżek jest często bardziej opłacalne niż pełna modernizacja systemu napędowego.