12、準確性和可重復(fù)性

間隙和剛性也有助于機構(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。例如，如果命令機器移動90度，它是否正好移動90.000 度?或者如果你從外部測量，它是否只移動了89.999度?通常更重要的是可重復(fù)性，也稱為精度。

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

控制系統(tǒng)測量編碼器的位置。剛性和間隙給這些測量增加了不確定性因素。此外，齒輪箱或皮帶系統(tǒng)的制造過程也會影響精度和可重復(fù)性。只有采用自然設(shè)計的直接驅(qū)動電機，才能直接測量負載并移動負載，而不會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動變速器中存在的間隙和柔性問題。

13、全閉環(huán)運行

如果應(yīng)用需要，為什么不通過在負載上添加旋轉(zhuǎn)編碼器來補償齒輪箱或皮帶傳動裝置的間隙和剛性?是的，這是可能的，業(yè)內(nèi)使用的一個術(shù)語是全閉環(huán)。

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

▲全閉環(huán)允許旋轉(zhuǎn)電機的位置環(huán)，通過直接安裝在負載上的附加旋轉(zhuǎn)編碼器來閉合。這提高了可重復(fù)性和準確性，但對提高剛性、穩(wěn)定時間和磨損沒有太大作用。

14、穩(wěn)定時間對機器的影響

實際上，機器可能會由于穩(wěn)定時間性能不佳而浪費錢，在伺服電機選型過程中很少會考慮這一點。在圖 14所示的裝置中，具有相似功率容量的直接驅(qū)動電機和齒輪電機，以相同的運動曲線運行相同的負載。

行星齒輪減速比為 50:1，額定間隙小于5弧分。移動曲線要求兩個電機在接近其峰值扭矩額定值時加速和減速，并且 RMS 扭矩剛好低于連續(xù)額定值。兩臺電機都經(jīng)過調(diào)諧，直到電機編碼器測量的穩(wěn)定時間接近 50 毫秒。在兩個裝置中，外部環(huán)形編碼器都安裝在負載上，以從外部測量負載位置以進行分析。這揭示了由齒輪電機驅(qū)動負載中的振蕩，否則電機的編碼器看不到這些。

在直接驅(qū)動電機上，兩個編碼器報告的位置始終基本相同。在齒輪電機上，您會看到負載在最終減速期間位于編碼器之前，并在移動結(jié)束時振蕩。

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

讓我們將這個案例研究置于真實應(yīng)用場景中，看看帶來的實際效益情況(以美元表示)。假設(shè)這臺機器代表一個生產(chǎn)小部件的 8 站分度工作臺。理論上，每一個45 度分度，都在 200 毫秒內(nèi)完成移動，位置公差為 0.05 度。然后在每個站，有一個持續(xù)2 秒的外部工作過程。在最后一站，生產(chǎn)一個小部件，帶來 50 美分的收入。

直接驅(qū)動系統(tǒng)的周期為 2225 毫秒，每小時產(chǎn)生 809 美元的收入。由于穩(wěn)定時間較長，齒輪電機需要兩個 2305 毫秒，每小時產(chǎn)生 772 美元的收入。每小時 37 美元的差異，似乎并不大。但再仔細算一算，8小時輪班的差價為 293 美元，每周工作 5 天的差價接近 1500 美元，每年的差價超過 73,000 美元。即使每個小部件的收入只有 10 美分，這臺機器仍然可以在相同的運營時間內(nèi)每年多產(chǎn)生近15,000美元的收入。本案例研究說明：在為應(yīng)用選型和選擇伺服電機時，考慮可實現(xiàn)的穩(wěn)定時間的影響是多么重要。

15、直驅(qū)電機的磨損和維護

磨損和維護也是機器性能需要考慮的一部分因素。在直接驅(qū)動電機中，主電機軸承是唯一的摩擦和磨損點。這些電機軸承的規(guī)格通常適用于極重的負載。齒輪箱和皮帶傳動裝置的其它運動部件都會磨損，可能需要潤滑或其它定期維護。

與直接驅(qū)動電機相比，可聽見的噪音也更大。隨著它們的磨損，這些基于傳動機構(gòu)的性能開始下降。間隙和剛性每天都會變得更糟。期望的位置穩(wěn)定時間、準確性和可重復(fù)性也會隨著時間的推移而不斷下降。

16、低速旋轉(zhuǎn)伺服應(yīng)用的設(shè)計注意事項

一般在設(shè)計低速、旋轉(zhuǎn)伺服應(yīng)用時，強烈建議考慮直接驅(qū)動電機。前期成本很容易被性能的提高、設(shè)計的簡單性和維護的便利性所抵消。以下是設(shè)計時的一些注意事項。

首先，請記住直接驅(qū)動電機上的軸承很堅固，可以支撐整個負載的重量。不需要額外的軸承，就像使用齒輪箱或皮帶傳動時一樣。這節(jié)省了整個系統(tǒng)的部件成本、設(shè)計、工程和維護。

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

轉(zhuǎn)接板和框架結(jié)構(gòu)件必須盡可能堅固。在直接驅(qū)動電機施加的極端扭矩下，看起來剛性的東西，可能也會彎曲和偏轉(zhuǎn)。在任何應(yīng)用中，不僅僅是直接驅(qū)動電機，安裝框架和負載板都可能成為機器振動的來源。

最后，考慮采用超大齒輪電機解決方案來降低直接驅(qū)動電機的初始成本，目的是通過編程實現(xiàn)更快的移動來補償較長的穩(wěn)定時間，這種方案可能很誘人。

但請記住，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，還可能需要改變機器的框架。確保不要超過負載本身或運動中零件和組件的限制。雖然在相同負載下更大的電機會導(dǎo)致更低的慣量比，但諧振和反諧振頻率會降低，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)動電機解決低速旋轉(zhuǎn)伺服應(yīng)用，可避免隱藏的初始成本，同時可以在機器的整個生命周期內(nèi)提供卓越和穩(wěn)定的性能，從長遠來看可以節(jié)省成本。