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      提升伺服電機減速機性能關鍵看傳動機構

      2020-06-03 15:00:05

      提升伺服電機減速機性能關鍵看傳動機構

             目前大部分工業設備的運動控制和傳動系統中,在電動機動力源與負載運動部件之間,仍然經常需要使用中間機械傳動機構,比如:伺服電機減速機、行星減速機、同步帶、滾珠絲杠......盡管包括直線電機、直驅電機等直接驅動技術已經越來越成熟,而機械部件傳動在運控設備的驅動方式中將依然占據非常主流的地位。

             我們就來談談這些機械傳動機構的中間環節在運控設備中起到了哪些重要作用,以及選擇怎樣的傳動速比更合適。

      一、實現直線運動

             受到我們目前動力源技術能力的限制,很多直線運動的應用需要使用旋轉電機,并借助直線執行機構的轉換實現部件的直線運動。雖然市面上已經有非常成熟的直線電機技術,但從集成、成本和實施操作的技術門檻等各方面,旋轉電機與機械直線機構的集成組合對于目前大多數運控設備應用,仍然是更為現實的解決方案。

             比較常見的機械直線機構,如:滾珠絲杠、齒輪齒條、蝸輪蝸桿、機械凸輪、曲柄連桿等,各自有不同的特點,適應不同類型的應用場合,我們會在以后的內容中詳細聊。

      二、降低轉速

             直線運動需要機械傳動機構,是因為需要將電機的旋轉轉換為負載的直線運動;而旋轉運動需要機械傳動機構,則更多的是源自轉速匹配的要求。這一點和汽車很類似。汽車的發動機轉速往往幾千轉,而車速達到 100km/h 時,車輪的轉速也才一千多轉,因此在汽車發動機和車輪之間需要減速箱匹配轉速。

              運控設備也是一樣。如果了解伺服電機原理,就不難理解,電機的轉速是和繞組級數成反比例關系的,也就是說,電機繞組級數越多,電機轉速越低,換言之,如果希望電機輸出速度降低,需要在相同的體積內完成更密集的繞線,因此,低轉速的電機的制造難度更高。市面上的運控伺服電機,大部分的額定輸出轉速都在1000 rpm 以上,比較普遍的是在1500 ~ 2500 rpm 之間。


      伺服電機減速器

             生產設備中的旋轉運動應用中,轉速需求范圍是極大的,而且大部分都低于電機的轉速輸出能力,幾十轉、幾百轉是比較常見的要求,比如一臺高速柔版印刷機,線速度 400m/min, 印刷輥直徑為 300mm,其轉速需求僅為 424 rpm。因此為了匹配負載部件與電機的轉速,需要通過一些機械旋轉傳動機構將動力輸出轉速降到負載需要的范圍內,我們通常稱這類旋轉傳動機構為“減速”機構。

             比較常見的機械旋轉機構,主要有兩大類,一個是各類減速機(齒輪箱),另一類則是同步皮帶輪或鏈條(鏈輪),從運控系統的性能(尤其是剛性)的方面看,推崇使用伺服級別的減速機,會在以后的內容中詳細聊傳動系統的剛性。

      三、提升扭矩力輸出

             在旋轉運動中,機械旋轉傳動機構將較高的電機速度轉換為負載可用的較低的轉速,而功率是轉速和扭矩的乘積。

             P = M * β

             P:功率、M:扭矩、β:角速度轉速

             根據能量守恒的原理,既然傳動機構按照傳動減速比降低了旋轉輸出速度,那么也同時按照這樣的比例提升了旋轉輸出的扭矩。

      四、減輕系統慣量,匹配慣量比

             從負載側向電機側看,機械傳動機構將電機輸出速度按比例降低、同時將輸出扭矩按比例提升;而從電機側向負載側看,負載慣量在從被驅動側向驅動側傳遞時,其傳遞慣量是和過渡傳動比成反比例平方關系的,也就是和速比的平方成反比,也就是說,通過機械傳動機構,負載的轉動慣量按照速比的平方比例被極大的轉換降低了。

      五、優化設備性價比

             在對傳動結構沒有大的改動的情況下,通過調整傳動鏈中部件之間的減速比,降低負載側(被驅動側)的傳遞慣量,減小了系統負載;同時,通過機械傳動減速機構,又是可以幫助降低電機側扭矩需求的,電機的扭矩又是和其電流成正比的,因此,通過調整減速比,除了可以降低對電機扭矩的需求,同時可以幫助降低對驅動器電流的需求,同時與之匹配的一系列配電組件都可以得到一定程度的優化(比如電纜、開關、濾波器、變壓器......)。因此,其實機械傳動機構是可以幫助優化運控設備總體成本的。

             通過傳動機構,系統慣量得以降低,這一方面進一步降低了對伺服電機動力源扭矩輸出的要求,同時,負載慣量比也極大降低,這對于運控系統動態響應和性能的提升有著非常重要的意義。

             而無論是優化設備成本還是提升設備性能,正像文中反復提到的,這里面起到關鍵作用的就是機械傳動機構的減速比。

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