电机、驱动器

选择直线伺服电机为正确的应用

线性伺服电机有几种类型,了解每种类型的优缺点,以及它们最适合的应用是至关重要的。

由马特·佩尔蒂埃 2021年9月13日
礼貌:日本安川电气

学习目标

  • 直线伺服电机有很多种类型,每一种都有自己的优点。
  • 成本、环境、长度和负载质量是用户应该考虑的许多因素。
  • 长期的成本和性能是线性执行器的另一个关键因素。

了解什么时候以及如何应用直线伺服电机技术是很有好处的。这需要知道组成线性电机工作台的组件和用于制作其他线性执行器的组件,如滚珠丝杠、皮带、齿条和齿轮,它们依赖于旋转伺服电机。

在决定如何应用该技术时,每种机制的优点和局限性是至关重要的。使用此信息来确定给定应用程序的最有效机制。

四种直线执行机构类型

在运动控制行业中,线性作动器的种类繁多。然而,这四种是相当常见的:直线电机,滚珠丝杠,皮带,齿条和齿轮。

1.直线电机的阶段

让我们从线性运动阶段的定义开始。直线电机的特点是负载在没有任何机械功率转换的情况下运动。电机线圈所产生的线性力直接连接到负载上。在直线电机中,电机线圈沿着磁体轨道推动自己。电机线圈附在车厢上,有时称为“滑梯”。重物直接用螺栓固定在车厢上。小车由线性轴承固定,导轨固定在底座上。线性轴承是唯一的机械接触和摩擦磨损点,除了和电缆的弯曲。这个简单的事实导致了巨大的性能效益的线性电机阶段。小车的位置通过线性编码器报告给控制系统。 The encoder has two parts – the scale mounted to the base, and the moving read head. Other parts of a typical linear motor stage are the cable management system and end stops.

图1:直线电机级的例子。礼貌:日本安川电气

图1:直线电机级的例子。礼貌:日本安川电气

2.滚珠丝杆传动机构

滚珠丝杠是标准的用于各种应用的执行机构。它们也有在直线轴承和轨道上移动的马车。但移动它的力是从一个旋转的螺丝通过一个螺母传递的。这种螺母通常由一个封闭的循环滚珠轴承系统组成,以减少摩擦。螺杆由旋转电机驱动。电机中的编码器向控制系统提供位置反馈。螺杆由两端的轴承固定,并通过柔性联轴器与电机连接。

图2:滚珠丝杠执行机构的例子。礼貌:日本安川电气

图2:滚珠丝杠执行机构的例子。礼貌:日本安川电气

3.皮带传动装置

带式执行机构还具有在带有直线轴承的轨道上移动的小车。这种马车是通过与两个滑轮上的同步带直接连接而驱动的。滑轮用轴承固定在适当的位置,并用一个灵活的联轴器与电机连接。电机上的编码器向控制系统提供位置反馈。

图3:皮带执行器示例。礼貌:日本安川电气

图3:皮带执行器示例。礼貌:日本安川电气

4.齿条和齿轮

齿条和小齿轮系统通常由电动机驱动小齿轮沿着固定齿条移动,就像火车在轨道上运行。电机安装在马车上,通过齿轮减速驱动小齿轮来移动整个总成。

图4:齿条和齿轮。礼貌:日本安川电气

图4:齿条和齿轮。礼貌:日本安川电气

线性驱动的比较度量

现在,让我们看看这些技术在初始成本、速度和加速以及图5中列出的其他因素等指标上的比较。在讨论每种技术的优点和缺点之前,定义这些指标是很重要的。这不是一个评估,但它确实代表了一般的行业趋势。

图5:不同指标的机制比较。礼貌:日本安川电气

图5:不同指标的机制比较。礼貌:日本安川电气

直线执行器初始成本

让我们从底线开始——初始成本。直线电机通常具有最高的综合性能。因此,合情合理的初始成本也普遍高于其他技术。滚珠丝杠比直线电机便宜。然而,它们比皮带驱动器更贵,后者往往是低端的成本谱。齿条和小齿轮很难比较。这些往往用于具有更大和更重有效载荷的大型系统。齿轮齿条的成本比直线电机、滚珠丝杠和传动带的成本低。在较小的规模上,优势往往不那么明显。

线性驱动器的速度和加速度

运动控制系统有对速度的需求。更快、更好、更多意味着快速的投资回报。这不仅意味着最高速度,还意味着快速加速。

直线电机可以快速加速,达到高速度,通常在5米/秒左右。它是高速和加速机制的性能冠军。

图6:速度和加速度vs.时间。礼貌:日本安川电气

图6:速度和加速度vs.时间。礼貌:日本安川电气

螺旋驱动执行机构可以有很强的加速度,但在临界速度以上螺旋会振荡。这种关键的转速设计限制取决于螺杆的直径和长度。螺杆可设计为每一圈移动更远。这增加了相同的电机转速的线性速度。但这也意味着需要更多的电机扭矩来移动相同的负载。它还可能会对可重复性和准确性产生负面影响(稍后会详细介绍)。随着螺旋速度的加快,反射惯性也会增加,从而减少控制回路的稳定性和增加稳定时间。因此,可能需要更大、更贵的电机。偶尔这些约束会产生滚雪球效应,导致非常大的甚至不可能的解决方案。

皮带也可以是快速的,大约和直线电机一样。但正如我们稍后会看到的,它们的精确度远不及以前。齿条和齿轮系统可以达到非常高的速度,甚至高于直线电机。它们通常不能快速加速,因为它们被设计用于长距离移动大而重的货物。

线性执行器的长度

齿条和小齿轮驱动的大系统也可以很长,增加额外齿条段的长度是成本有效的,对性能的影响很小。

直线电机也可用于长行程的应用,但磁铁轨道和绝对编码器磁带的成本是显著的。然而,性能不受总长度的影响。

滚珠丝杠的长度再次受到丝杠临界速度的限制。较长的螺丝开始以较低的转速振荡,并通过降低共振频率对调谐产生负面影响。我们稍后会详细讨论这个问题。较大的螺杆直径有助于实现可用的速度。这意味着需要大的电机驱动较长的螺丝,即使负载很小,除非速度非常慢。

皮带传动设计,以最小的成本增加。然而,皮带拉伸的影响比例变差,导致精度和重复性降低。和滚珠丝杠一样,随着长度的增加,刚度降低,谐振频率降低。

直线执行机构的垂直负载

水平方向的运动是最常见的,但在许多应用中需要垂直或倾斜轴。这意味着重力在不断地把负载往下推。当轴移动或保持位置时,电机必须克服这种力。当机器断电时,刹车系统可防止垂直轴下落。

图7:垂直直线电机工作台和滚珠丝杠作动器上的重力。礼貌:日本安川电气

图7:垂直直线电机工作台和滚珠丝杠作动器上的重力。礼貌:日本安川电气

旋转保持制动器通常发现在伺服电机设计锁定电机轴时,断电。这使得滚珠丝杠或皮带是垂直负载的最佳选择。基于同样的原因,垂直齿条和小齿轮也能很好地工作。

直线电机在垂直负载时稍微复杂一些。应始终使用平衡或线性制动。线性制动可以安装在外部或安装在车厢下面,以便对着轨道进行制动。

线性执行器的刚度

了解机器的刚性或刚度及其相反的顺应性是很重要的。每一个机械连接的元件都有一定程度的刚性——一个弹簧常数。这个刚度,连同每个元素的质量,定义了系统振荡的固有频率。如果这些频率过低,能量的释放会对电机造成严重的干扰。这就会干扰控制系统的算法来定位负载。

皮带传动系统通常具有最低的刚性,因此自然频率最低。皮带就像一个弹簧,在马车和滑轮之间有固有频率。另一种刚性损失发生在驱动皮带轮和电机联轴器之间。当电机开始转动时,首先联轴器根据其弹簧常数偏转。然后在负载移动之前,皮带偏转。刚度是进一步复杂的,因为它取决于马车的位置和由此产生的长度的皮带在力的方向施加通过皮带轮。

滚珠丝杠具有更高的刚性,但同样的原理适用。电机转动联轴器,联轴器转动螺杆,螺杆也产生一定程度的偏转。长而薄的螺丝比短而宽的螺丝刚性要低。

齿条和齿轮有点不同。无论负载位置如何,在机械连接点保持恒定和高刚性。如果载荷大而复杂,振荡很可能起源于载荷本身。

所有这些执行器技术中最严格的是直线电机。没有联轴器或机械连杆来偏转。负载通过小车连接到电机上。如果有任何振动频率,它们将来自负载本身,而不是机械系统。

线性执行器的负载质量

刚度和谐振频率与载荷质量有关。这可以总结为一个关键的性能指标,称为负载与电机惯性比。伺服系统的尺寸通常为负载与电机惯性比小于10:1,以便电机通过柔性联轴器对负载进行可接受的控制。载荷质量是机械系统选择中最重要的因素之一,因此正确理解载荷质量是非常重要的。

负载与电机的惯性比更准确地称为质量比,在线性阶段不那么重要,因为电机直接与负载耦合。直线电机上的负载更像是小车本身的延伸。直线电机没有耦合,降低了系统的刚度。然而,负载质量对直线电机是重要的,因为它限制了加速度和减速率根据牛顿定律。它也影响线性轴承的寿命。低摩擦也意味着几乎所有的电力停止移动负载必须由电子驱动系统提供,这也会限制最大负载。

图8:载荷质量导致转动惯量比。礼貌:日本安川电气

图8:载荷质量导致转动惯量比。礼貌:日本安川电气

虽然它不是最快的加速,但在移动重负荷上明显的赢家是齿条和小齿轮。这些通常用于大型龙门系统。

滚珠丝杠的尺寸也可用于移动非常重的负载,通常适用于中等长度和速度要求的应用场合。然而,与重载相关的惯性比和低共振频率往往限制了应用。

皮带机构往往有较低的实际重量限制,如直线电机。加速度和最高速度可能会受到重载的限制。

线性执行器的间隙

线性执行器的性能会受到一种叫做间隙的影响。当机械装置倒转时,就失去了运动。滚珠丝杠在螺母和丝杠之间有一定的间隙。这可以通过预加载来降低,这反过来又会导致螺母磨损更快。对于皮带系统,齿隙发生在皮带和皮带轮之间。同样的情况也可能发生在齿条和小齿轮的齿间以及任何齿轮箱的齿内。

制造商已经开发出了减少执行器技术中的间隙的方法,并在控制系统中对其进行电子补偿。总会有一定程度的反弹,而且随着机械磨损,反弹会变得更糟。这也意味着负载的位置不能准确地由电机编码器的位置来确定。这也可能导致调谐不稳定和噪声操作,因为负载断开从电机短时间逆转。

线性电机是唯一的机制,可以要求零反弹。位置反馈是用线性尺度测量的。读头、车和装载件用螺栓固定在一起。

线性执行器的稳定时间

刚度、载荷质量、惯性比和侧隙都是影响机构位置稳定时间的相关因素。定位时间是指令移动结束到机构停止之间的时间延迟。减少这种延迟对于有许多短移动的应用程序尤其重要。等待机器停止可以代表一个周期时间的很大一部分。

由于其高刚性和零间隙,线性电机的稳定时间通常可以减少到零。可能有必要减轻由荷载本身引起的振动。滚珠丝杠和皮带的可实现的沉降时间通常跟随机械刚性和侧隙的水平,螺钉往往优于皮带。齿条和齿轮也是如此,尽管快速移动和低沉降时间通常不是这些大型机器的重点。

图9:实际移动结算时间。礼貌:日本安川电气

图9:实际移动结算时间。礼貌:日本安川电气

这些机构的位置是通过旋转伺服电机的编码器测量的。编码器可以用较低的稳定时间表明负载已经稳定。这意味着编码器停止了移动。载荷可能仍处于运动状态,尚未固定或经历振动和振荡。刚性和间隙干扰通过编码器的旋转伺服电机的沉降时间的测量。然而,在直线电机中,编码器是固定到负载本身,报告负载的真实稳定时间。

线性驱动器的准确性和重复性

间隙和刚度也有助于机构的定位精度和重复性。准确度是对理想偏差的量度;这里指的是位置。如果命令机器移动4毫米,它会准确移动4 000毫米吗?或者如果你从外部测量它,它只移动了3.999吗?通常更重要的是可重复性,也称为精度。因为如果在使用4.0命令时机器可以反复移动3.999,那么请调整命令直到机器移动到要求的位置。

与沉降时间一样,精度和重复性是机器刚性和侧隙的函数。控制系统在编码器处测量位置。刚性和后座力增加了这些测量的不确定性因素。

皮带、滚珠丝杠或齿轮齿条的制造过程会影响精度和重复性。只有线性电机通过自然的设计直接测量负载,并移动它,而不存在可能困扰机械执行器的间隙和合规问题。

全闭环线性驱动

因此,为什么不通过增加线性编码器来弥补滚珠丝杠、皮带和齿条和齿轮机构的缺点呢?这是可能的,在行业中有一个术语是全闭环操作。这允许旋转电机的位置环路被线性编码器反馈关闭。

然而,添加线性编码器会增加巨大的成本和复杂性。线尺必须放置准确。读头间隙与线性刻度必须精确对齐。在车厢上需要有电缆管理用的电缆轨道。如果没有额外的硬件成本,大多数伺服放大器不支持第二编码器输入。伺服调谐也会受到影响,必须再次完成。

图10:滚珠丝杠上的全闭环线性编码器。礼貌:日本安川电气

图10:滚珠丝杠上的全闭环线性编码器。礼貌:日本安川电气

如果必须改善现有系统的性能,那么全闭环控制是一个可行的选择。与使用直线电机相比,它通常不是一个显著的成本节约。增加全闭环控制将提高重复性和精度,但对改善刚度、沉淀时间和磨损没有太大作用。对于新的应用,重要的是考虑在皮带上的线性编码器,滚珠丝杠或齿条和齿轮将真正节省资金在长期运行。

线性执行机构的磨损和维护

所有的机械装置都会磨损。这是不可避免的。用户应该了解机制的哪个部分损耗,以及系统性能会发生什么变化。在线性伺服中,只有线性轴承磨损。但在它们完全失败之前,这个阶段将会精确定位,至少是在线性方向上。俯仰、偏航和滚转不能被线性编码器检测到,并且会随着时间的推移而恶化。

一些直线轴承需要定期润滑,但自润滑直线轴承通常可用。同样的原理适用于滚珠丝杠、皮带或齿轮齿条上的直线轴承。然而,这些机构有其他磨损的运动部件。即使定期润滑,螺杆本身、螺母、螺杆上的轴承、电机轴承、皮带、齿条、小齿轮和齿轮箱最终都会磨损。

从第一天开始,这些机械系统的性能开始下降。反弹和僵硬程度一天比一天差。因此,预计定位时间、精度和重复性会随着时间的推移而不断降低。直线电机轴承最终磨损,但相当优雅的比较。

线性执行器的环境

不同的机制最适合不同的工业环境。考虑可能吸引磁性粒子的直线电机的磁体轨道的磁场。一个波纹管保护系统将有助于防止粒子远离磁铁轨道。虽然直线电机不需要一个洁净的房间,他们做他们最好的清洁环境,没有过多的灰尘和油。线性比例尺在有一些干扰的情况下仍然可以工作。然而,对于非常脏的环境,用户应该考虑带感应或磁性线性编码器的直线电机。

滚珠丝杠常用在机床等脏污环境中,虽然丝杠也必须加以保护。皮带和齿轮齿条在许多环境中也工作得很好。

洁净室则是另一种情况,在这种情况下,减少执行器释放的微观颗粒数量至关重要。

直线电机更容易使洁净室兼容,因为直线轴承的磨损是唯一的污染源。滚珠丝杠、皮带、齿轮齿条或其他机械传动机构的磨损点通常不适合用于洁净室操作,因为在操作过程中喷射出的粒子数量较多。

选择正确的执行机构

在为应用选择合适的执行机构时,重要的是要考虑长期的成本和性能。有些应用具有特定的约束条件,从逻辑上排除了线性电机的考虑。其他应用长期以来一直是线性电机的强度-长行程或高速,快速加速,精度和准确性。

有一个中间地带,线性电机经常被忽视,有利于滚珠丝杠,皮带,或齿条和齿轮的传统解决方案。用直线电机解决这些应用可以在长期运行中节省资金,同时在机器的寿命中提供卓越和稳定的性能。

马特·佩尔蒂埃,产品培训工程师,日本安川电气美国公司。由Chris Vavra编辑,网页内容经理,控制工程, CFE Media and Technology,cvavra@cfemedia.com

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什么是你的在选择直线伺服电机或其他执行器时,最大的考虑因素是什么?

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日本安川电气提供了一个视频版本详细介绍线性驱动器的选择。


马特·佩尔蒂埃
作者简介:马特·佩尔蒂埃(Matt Pelletier)拥有威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin - Madison)的电气工程学位,自1999年以来一直在安川美国公司(Yaskawa America)工作。马特与产品工程广泛合作,开发伺服调谐,IEC 61131, PLCopen的交互式动手培训,以及旋转刀,PackML,机器人和输送机跟踪的高级编程讲习班。马特还创建了一个图书馆的培训视频与实践访问远程伺服和控制器设备。这些课程可以在安川的网站(www.yaskawa.com)上免费获得。也被称为“Matt Servo”,他是安川伺服和运动控制器在各种行业的应用的专家,在各种出版物上撰写了几篇文章。