直驅(qū)電機(jī)選型與應(yīng)用指南（三）

12、準(zhǔn)確性和可重復(fù)性

間隙和剛性也有助于機(jī)構(gòu)的定位精度和可重復(fù)性。精度是衡量偏離理想狀況的指標(biāo)。例如，如果命令機(jī)器移動(dòng)90度，它是否正好移動(dòng)90.000 度?或者如果你從外部測(cè)量，它是否只移動(dòng)了89.999度?通常更重要的是可重復(fù)性，也稱(chēng)為精度。

如果指令為90.000時(shí)，機(jī)器可以重復(fù)移動(dòng)89.999，那么就調(diào)整指令，直到重復(fù)移動(dòng)到所需的位置。

控制系統(tǒng)測(cè)量編碼器的位置。剛性和間隙給這些測(cè)量增加了不確定性因素。此外，齒輪箱或皮帶系統(tǒng)的制造過(guò)程也會(huì)影響精度和可重復(fù)性。只有采用自然設(shè)計(jì)的直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，才能直接測(cè)量負(fù)載并移動(dòng)負(fù)載，而不會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)變速器中存在的間隙和柔性問(wèn)題。

13、全閉環(huán)運(yùn)行

如果應(yīng)用需要，為什么不通過(guò)在負(fù)載上添加旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)補(bǔ)償齒輪箱或皮帶傳動(dòng)裝置的間隙和剛性?是的，這是可能的，業(yè)內(nèi)使用的一個(gè)術(shù)語(yǔ)是全閉環(huán)。

全閉環(huán)運(yùn)行允許旋轉(zhuǎn)電機(jī)的位置環(huán)，通過(guò)直接安裝在負(fù)載上的附加旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)閉合。這提高了可重復(fù)性和精確性，但對(duì)提高剛性、穩(wěn)定時(shí)間和磨損沒(méi)有太大作用。由于會(huì)顯著增加成本和復(fù)雜性，所以很少會(huì)像這樣添加外部旋轉(zhuǎn)編碼器。

▲全閉環(huán)允許旋轉(zhuǎn)電機(jī)的位置環(huán)，通過(guò)直接安裝在負(fù)載上的附加旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)閉合。這提高了可重復(fù)性和準(zhǔn)確性，但對(duì)提高剛性、穩(wěn)定時(shí)間和磨損沒(méi)有太大作用。

14、穩(wěn)定時(shí)間對(duì)機(jī)器的影響

實(shí)際上，機(jī)器可能會(huì)由于穩(wěn)定時(shí)間性能不佳而浪費(fèi)錢(qián)，在伺服電機(jī)選型過(guò)程中很少會(huì)考慮這一點(diǎn)。在圖 14所示的裝置中，具有相似功率容量的直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)和齒輪電機(jī)，以相同的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)運(yùn)行相同的負(fù)載。

行星齒輪減速比為 50:1，額定間隙小于5弧分。移動(dòng)曲線(xiàn)要求兩個(gè)電機(jī)在接近其峰值扭矩額定值時(shí)加速和減速，并且 RMS 扭矩剛好低于連續(xù)額定值。兩臺(tái)電機(jī)都經(jīng)過(guò)調(diào)諧，直到電機(jī)編碼器測(cè)量的穩(wěn)定時(shí)間接近 50 毫秒。在兩個(gè)裝置中，外部環(huán)形編碼器都安裝在負(fù)載上，以從外部測(cè)量負(fù)載位置以進(jìn)行分析。這揭示了由齒輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載中的振蕩，否則電機(jī)的編碼器看不到這些。

在直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，兩個(gè)編碼器報(bào)告的位置始終基本相同。在齒輪電機(jī)上，您會(huì)看到負(fù)載在最終減速期間位于編碼器之前，并在移動(dòng)結(jié)束時(shí)振蕩。

這種低頻振蕩源于齒輪箱的間隙和柔性，而不是負(fù)載本身的振蕩。直到大約 130 毫秒，它才會(huì)穩(wěn)定在 0.05 度以?xún)?nèi)。電機(jī)編碼器不會(huì)顯示這種振蕩，因此在編程序列中需要額外的延遲來(lái)等待它穩(wěn)定下來(lái)。

讓我們將這個(gè)案例研究置于真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中，看看帶來(lái)的實(shí)際效益情況(以美元表示)。假設(shè)這臺(tái)機(jī)器代表一個(gè)生產(chǎn)小部件的 8 站分度工作臺(tái)。理論上，每一個(gè)45 度分度，都在 200 毫秒內(nèi)完成移動(dòng)，位置公差為 0.05 度。然后在每個(gè)站，有一個(gè)持續(xù)2 秒的外部工作過(guò)程。在最后一站，生產(chǎn)一個(gè)小部件，帶來(lái) 50 美分的收入。

直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的周期為 2225 毫秒，每小時(shí)產(chǎn)生 809 美元的收入。由于穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，齒輪電機(jī)需要兩個(gè) 2305 毫秒，每小時(shí)產(chǎn)生 772 美元的收入。每小時(shí) 37 美元的差異，似乎并不大。但再仔細(xì)算一算，8小時(shí)輪班的差價(jià)為 293 美元，每周工作 5 天的差價(jià)接近 1500 美元，每年的差價(jià)超過(guò) 73,000 美元。即使每個(gè)小部件的收入只有 10 美分，這臺(tái)機(jī)器仍然可以在相同的運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)每年多產(chǎn)生近15,000美元的收入。本案例研究說(shuō)明：在為應(yīng)用選型和選擇伺服電機(jī)時(shí)，考慮可實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定時(shí)間的影響是多么重要。

15、直驅(qū)電機(jī)的磨損和維護(hù)

磨損和維護(hù)也是機(jī)器性能需要考慮的一部分因素。在直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)中，主電機(jī)軸承是唯一的摩擦和磨損點(diǎn)。這些電機(jī)軸承的規(guī)格通常適用于極重的負(fù)載。齒輪箱和皮帶傳動(dòng)裝置的其它運(yùn)動(dòng)部件都會(huì)磨損，可能需要潤(rùn)滑或其它定期維護(hù)。

與直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)相比，可聽(tīng)見(jiàn)的噪音也更大。隨著它們的磨損，這些基于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能開(kāi)始下降。間隙和剛性每天都會(huì)變得更糟。期望的位置穩(wěn)定時(shí)間、準(zhǔn)確性和可重復(fù)性也會(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷下降。

16、低速旋轉(zhuǎn)伺服應(yīng)用的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

一般在設(shè)計(jì)低速、旋轉(zhuǎn)伺服應(yīng)用時(shí)，強(qiáng)烈建議考慮直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。前期成本很容易被性能的提高、設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性和維護(hù)的便利性所抵消。以下是設(shè)計(jì)時(shí)的一些注意事項(xiàng)。

首先，請(qǐng)記住直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的軸承很堅(jiān)固，可以支撐整個(gè)負(fù)載的重量。不需要額外的軸承，就像使用齒輪箱或皮帶傳動(dòng)時(shí)一樣。這節(jié)省了整個(gè)系統(tǒng)的部件成本、設(shè)計(jì)、工程和維護(hù)。

到目前為止，關(guān)于剛性的討論僅僅限于傳動(dòng)部件。然而，機(jī)器本身的剛性也發(fā)揮了作用。直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的穩(wěn)定性，取決于負(fù)載和轉(zhuǎn)子之間的剛性連接，以及從定子到機(jī)器底座的剛性連接。

轉(zhuǎn)接板和框架結(jié)構(gòu)件必須盡可能堅(jiān)固。在直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)施加的極端扭矩下，看起來(lái)剛性的東西，可能也會(huì)彎曲和偏轉(zhuǎn)。在任何應(yīng)用中，不僅僅是直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，安裝框架和負(fù)載板都可能成為機(jī)器振動(dòng)的來(lái)源。

最后，考慮采用超大齒輪電機(jī)解決方案來(lái)降低直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的初始成本，目的是通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)更快的移動(dòng)來(lái)補(bǔ)償較長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間，這種方案可能很誘人。

但請(qǐng)記住，更快的加速需要更大的扭矩，因此需要更大的放大器、聯(lián)軸器和變速器，還可能需要改變機(jī)器的框架。確保不要超過(guò)負(fù)載本身或運(yùn)動(dòng)中零件和組件的限制。雖然在相同負(fù)載下更大的電機(jī)會(huì)導(dǎo)致更低的慣量比，但諧振和反諧振頻率會(huì)降低，并且更有可能導(dǎo)致振蕩和調(diào)諧復(fù)雜化。

使用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)解決低速旋轉(zhuǎn)伺服應(yīng)用，可避免隱藏的初始成本，同時(shí)可以在機(jī)器的整個(gè)生命周期內(nèi)提供卓越和穩(wěn)定的性能，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看可以節(jié)省成本。