齿轮箱与伺服电机配对

提交日期:2016年12月14日星期三
机器设计师越来越多地转向齿轮头,以利用伺服电机技术的最新进展。从本质上讲,齿轮箱将高速、低扭矩能量转换为低速、高扭矩输出。伺服电机提供了输出轴的高精度定位。当这两种设备相互配对时,它们可以增强彼此的优势,提供精确、健壮和可靠的受控运动。

随着伺服技术的发展,随着制造商生产更小,但更强大的电机,齿轮箱正在成为运动控制中越来越重要的合作伙伴。寻找最佳的配对必须考虑许多工程方面的考虑。在解决这些问题之前,对齿轮头基础知识的简短回顾可能会有所帮助。

计算机迷基础知识

那么齿轮头是如何为当今要求更高的应用提供所需的动力的呢?好吧,这一切都要回到齿轮的基本原理,以及它们改变施加力的大小或方向的能力。gearhead可以通过几种不同的方式实现这一点。

转矩乘法:齿轮和每个齿轮上的齿数形成一个比例。如果一个马达能产生20磅。的扭矩,和一个10:1的比例齿轮头附在其输出,产生的扭矩将接近200磅。随着不断强调开发更小的电机足迹及其驱动的设备,将较小的电机与齿轮箱配对以实现所需的扭矩输出的能力是非常宝贵的。

RPM减少:电机的额定转速可能为2000转/分钟,但您的应用程序可能只需要50转/分钟。试图运行电机在50转/分可能不是最佳的基于以下几点;
  1. 如果您正在以非常低的速度运行,例如50转/分钟,并且您的电机反馈分辨率不够高,则电子驱动器的更新速率可能会在应用程序中引起速度波动。例如,电机反馈分辨率为1000次/rev,在每0.357度轴旋转时都有可测量的计数。如果你用来控制电机的电子驱动器有一个0.125毫秒的速度循环,它将在50转/分(300度/秒)的每0.0375度轴旋转时寻找可测量的计数。当它看不到那个计数时,它会加速电机旋转来找到它。在速度,它发现下一个可测量的计数rpm将太快的应用程序,然后驱动器将减速电机rpm回落到50转,然后整个过程重新开始。转速的不断增加和减少会导致应用程序中的速度波动。
  2. 伺服电机转速低,运转效率低。涡流是在电机运行过程中产生的电流回路。涡流实际上会在电机内部产生阻力,并在较低转速时对电机性能产生更大的负面影响。
  3. 一个现成的电机的参数可能不适合在低转速下运行。当应用程序以50转/分钟的速度运行上述电机时,实际上它并没有使用所有可用的rpm。由于电机的电压常数(V/Krpm)设置为更高的rpm,与之直接相关的转矩常数(Nm/amp)低于所需的转速。因此,应用程序需要更多的电流来驱动它,如果应用程序有一个专门设计为50 rpm的电机。
齿轮头比例降低电机转速,这就是为什么齿轮头有时被称为齿轮减速器。使用齿轮箱与40:1的比例,电机转速在齿轮箱的输入将是2000转,转速在齿轮箱的输出将是50转。以更高的转速操作电机将允许您避免子弹1和2中提到的问题。对于子弹3,基于齿轮头的机械优势,它允许设计使用更少的电机扭矩和电流。

惯性匹配:今天的伺服电机产生更多的扭矩相对于框架尺寸。这是因为密实的铜线绕组、轻质材料和高能磁铁。这在伺服电机和它们试图移动的负载之间产生了更大的惯性不匹配。使用齿轮箱,以更好地匹配电机的惯性,以负载的惯性允许使用更小的电机和结果在一个更容易调整的响应系统。同样,这是通过齿轮箱的比率实现的,其中负载对电机的反射惯性减少了1/比率^2。

回想一下,惯性是物体对其运动变化的抵抗力的度量,是物体质量和形状的函数。物体的惯性越大,加速或减速所需的扭矩就越大。这意味着当负载惯量远大于电机惯量时,有时会引起过度超调或增加安定时间。这两种情况都会降低生产线的吞吐量。

另一方面,当电机惯量大于负载惯量时,电机将需要比特定应用所需的更多功率。这增加了成本,因为它需要为比必要的更大的电机支付更多的费用,而且因为增加的功耗需要更高的运行成本。解决方法是使用齿轮箱来匹配电机的惯性与负载的惯性。

系统成本节约

齿轮头允许使用更小的电机和驱动器,这有助于降低系统的成本。由于较小的伺服系统消耗较少的安培,它们降低了操作成本。当应用需要高扭矩和低速时,节省的功率最大,因为直接驱动伺服电机需要比耦合到齿轮头的伺服电机大得多。

齿轮头经常驱动长机构,如材料馈送系统,移动长度的电线,木材,或金属,其中高速不是必需的,但高扭矩和高度可重复的精度是至关重要的。在这种类型的应用中,将伺服电机与适当的齿轮箱配对可以提供传统直接驱动电机无法匹配的灵活性。该伺服齿轮箱组合将操作成本更低,占用更少的空间,并将提供更好的运动控制惯性匹配。

伺服齿轮箱组合特别适合的其他应用通常属于相同的高扭矩,低速类材料进给系统。例如,工业机器人严重依赖齿轮头。摘放系统广泛应用于汽车制造、注塑成型和重型设备制造等领域,都需要伺服电机提供高精度输出。在电机上增加齿轮箱,可以提供所需的扭矩,以应对这些要求苛刻的应用程序所涉及的惯性。

应用齿轮头:如此多的选择

机器设计人员有多种选择时,评估齿轮头的应用程序。

内嵌齿轮迷:这些通常用于运动控制应用,因为它们具有较低的反弹和成本低于直角齿轮头。直列齿轮箱有一个输出轴是在直线和中心与电机轴。

直角的齿轮迷:这种类型通常用于伺服电机必须适合在一个狭窄的空间。齿轮箱的输出轴与电机轴呈90度角;因此,大多数齿轮箱外壳,所有的电机外壳,是平行于机器的一边,提供了一个更小的机器外壳。

独立的电机和齿轮头:大多数采用齿轮装置的运动控制系统使用独立的电机和齿轮头。这样就可以选择最适合应用的电机和齿轮箱,即使它们来自不同的制造商。通常,齿轮头可以安装到几乎任何伺服电机。所需要的是一个安装套件,这通常是由齿轮箱制造商提供的,以将齿轮箱连接到电机法兰和轴上。这种配置比集成减速电机更灵活,更容易维护。

综合齿轮电动机:这是某些应用程序的最佳选择。一个优点是,总成的总长度可以相当短的总成与一个独立的齿轮头和电机。系统设计也更简单,因为只需要一个速度和扭矩曲线来确定减速电机是否将提供必要的性能,为运动控制系统提供动力。

法兰面齿轮迷:一个较新的趋势是使用法兰面齿轮头。被驱动的机器直接安装在法兰上,这消除了对柔性偶的需要及其所有相关问题。

选择正确的齿轮传动

在今天的市场上有几种齿轮技术。他们包括正刺,行星,蠕虫,谐波,摆线齿轮头。在选择过程中要考虑的一些主要标准是扭矩密度、间隙、扭转刚度和效率。

扭矩密度越高,相对于齿轮头的尺寸产生的扭矩(旋转力)就越大。行星,谐波,摆线齿轮箱相互比较,可以有扭矩密度高达5倍大于蜗杆或正刺设计。该值以每体积的扭矩单位表示,如每立方英寸的英寸-磅力。

间隙是在输入固定时在齿轮箱输出轴上产生的运动量,以弧分(1弧分= 1/60度)指定。通常,它是通过在输入锁定时将2%的额定输出扭矩应用到其输出轴来测量的。对于高精度,齿隙越小越好。谐波驱动齿轮箱额定为零间隙,由于预紧力存在于其柔性花键和外圈齿轮之间。行星,蜗杆和摆线设计可实现1至3弧的高精度模型。一些蜗轮制造商也预负荷零间隙能力。

扭转刚度测量输出轴和轮系的扭转稳定性(旋转位移),而输入是固定的,并且在消除间隙后(在上述间隙定义中称为额定扭矩的2%之后的任何持续位移)。对于抗扭刚度,数值越高越好,因为这将是将轴位移额外弧分所需的扭矩量。抗扭刚度越高,在驱动应用程序时,齿轮头启动和停止时的稳定时间越短。这有助于支持更高的吞吐量。行星和摆线线设计提供了最高的价值相对于齿轮头的大小。蜗杆和正齿轮设计提供较低的值,谐波齿轮头提供低刚度,由于其弹性花键。该值的测量单位为in-lb/arc min。

效率是通过齿轮头传输的损失功率的测量,通常以输入功率的百分比表示。如果齿轮箱在额定转矩下的效率为95%,那么当它到达负载驱动的输出轴时,电机输入转矩的5%将丢失。如果齿轮箱太低效,那么它可能需要一个更大的电机来弥补这一损失。直齿轮和行星齿轮箱的效率通常为90%到95%。蜗轮齿轮的效率范围从70%在较高的比率(50:1)到90%在较低的比率(5:1)。摆线齿轮箱的效率通常在65%到80%之间。谐波齿轮头也可能在效率上受到影响,这也是由于对其环齿轮的弯曲花键的恒定预载荷。

启动你的工程技术

事实上,任何需要高扭矩和低速度的控制运动应用都可以通过伺服电机和齿轮箱的正确组合得到改善。结合这两种技术通常比直接驱动电机提供更低的运行成本,更小的尺寸和更高的可靠性。

随着伺服电机变得越来越小和强大,齿轮头也将不断发展。它们将共同提供未来应用所需要的可控运动。

文章刊登于电子驱动杂志杂志。

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