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精密轉(zhuǎn)矩電機(jī)定位平臺(tái)原理及應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間：2022-04-20 16:42:29

摘要：簡(jiǎn)述精密轉(zhuǎn)矩電機(jī)的原理、優(yōu)點(diǎn)、以及應(yīng)用領(lǐng)域級(jí)選項(xiàng)步驟。
關(guān)鍵詞：精密轉(zhuǎn)矩電機(jī)、DD馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)定位。
1、前言
　　近年來(lái)，隨著機(jī)械設(shè)備、工具機(jī)等向更高速、更精密、更可靠的方向發(fā)展，采用直接驅(qū)動(dòng)(direct-driven)電機(jī)?的成功案例有越來(lái)越多的趨勢(shì)，尤其國(guó)外一些電子、半導(dǎo)體、面板、甚至太陽(yáng)能行業(yè)的加工設(shè)備都已經(jīng)大量采用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為其主要傳動(dòng)單元，國(guó)內(nèi)的一些激光加工設(shè)備、半導(dǎo)體、PCB廠商經(jīng)過(guò)金融危機(jī)的洗禮也正在朝此方向大步邁進(jìn)。直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要分線性電機(jī)(LM: Linear Motor)與轉(zhuǎn)矩電機(jī)(TM: Torque Motor)。在此主要介紹HIWIN 轉(zhuǎn)矩電機(jī)定位平臺(tái)(TMS: Torque Motor Stage)的技術(shù)原理及應(yīng)用。
2、特色與優(yōu)點(diǎn)
　　與傳統(tǒng)結(jié)合旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)與減速齒輪的平臺(tái)比較：如圖1，直接驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有減速齒輪

　　　　　　　　　　  　　
　　　　　　　　　　　　   　　  圖1 HIWIN轉(zhuǎn)距電機(jī)與傳統(tǒng)伺服電機(jī)加齒輪箱的比較
TMS的優(yōu)點(diǎn)有：
   體積小，安裝容易；
   較少磨耗與發(fā)塵，可靠性、效率與壽命提高；
   減少中間減速齒輪旋轉(zhuǎn)質(zhì)量與齒輪背隙，定位反應(yīng)快，重復(fù)定位精度與定位精度高；也因免除了減速齒輪，整體平臺(tái)散熱均勻，且結(jié)構(gòu)熱膨脹旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，可得較穩(wěn)定的定位精度。且可加裝水冷裝置，使系統(tǒng)在大扭力高負(fù)載下，溫度更加穩(wěn)定，精度表現(xiàn)更加出色。
3、應(yīng)用領(lǐng)域
　　 HIWIN-TMS轉(zhuǎn)矩電機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包含半導(dǎo)體與面板設(shè)備、工具機(jī)、工業(yè)自動(dòng)設(shè)備與航天與國(guó)防。典型半導(dǎo)體與面板設(shè)備的應(yīng)用包含快速的工件檢測(cè)與分類，晶圓與面板的傳輸定位等。如圖2所示，一客戶結(jié)合本公司線性電機(jī)定位平臺(tái)(水平軸)、螺桿定位模塊(垂直軸)與TMS成一快速晶圓取放機(jī)械手臂，與傳統(tǒng)取放平臺(tái)比較，這非傳統(tǒng)、低成本機(jī)械手臂不但定位精度提升，且產(chǎn)出提高2倍以上。

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 HIWIN精密轉(zhuǎn)矩電機(jī)平臺(tái)的應(yīng)用
　　主要工具機(jī)應(yīng)用有三項(xiàng)：A/C軸旋轉(zhuǎn)定位、五軸加工機(jī)旋轉(zhuǎn)加工頭與快速刀具轉(zhuǎn)換模塊。早期工業(yè)自動(dòng)化使用TMS的是產(chǎn)業(yè)機(jī)器人、近期興起的則是電動(dòng)汽車的使用。TMS于國(guó)防的應(yīng)用如載具的控制與模擬訓(xùn)練，在航天上應(yīng)用如天文望眼鏡的控制。另外值得一提近期TM的應(yīng)用是家電洗衣機(jī)滾筒的驅(qū)動(dòng)與居家電梯的驅(qū)動(dòng)。
4、動(dòng)作原理、種類與主要構(gòu)成
　　由于沒(méi)用減速齒輪，為達(dá)到相當(dāng)輸出扭矩，TMS采用較一般旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)更多磁極的高扭矩輸出電機(jī)，HIWIN-TMS采用多級(jí)3相永磁馬達(dá)。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：
　　高扭矩容積比
　　高效率，發(fā)熱量低
　　可搭配市面伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)整合限制低
　　圖3為大銀TMS系列定位平臺(tái)構(gòu)成剖面圖，其主要構(gòu)成組件為：軸承、中空旋轉(zhuǎn)主軸、永磁動(dòng)子、線圈定子與位置編碼器。其中位置編碼器是以影響TMS定位性能的關(guān)鍵組件之一。常用兩種位置編碼器：光學(xué)式 (optical type)與分解器式 (resolver type)。光學(xué)式分辨率較高，但是單價(jià)高，而分解器成本低，且可在惡劣環(huán)境操作。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 精密轉(zhuǎn)矩電機(jī)的結(jié)構(gòu)
5、轉(zhuǎn)矩電機(jī)定位平臺(tái)選用
　　圖4為轉(zhuǎn)矩電機(jī)定位平臺(tái)的一電控配置布局例，圖中轉(zhuǎn)矩電機(jī)平臺(tái)采大銀TMS系列平臺(tái)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用美商COPLEY XENUS 型驅(qū)動(dòng)器。
　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 HIWIN轉(zhuǎn)矩電機(jī)達(dá)平臺(tái)系統(tǒng)
轉(zhuǎn)矩電機(jī)定位平臺(tái)選用與傳統(tǒng)伺服電機(jī)選用步驟類似如下：
第一步：確認(rèn)需求的轉(zhuǎn)速與負(fù)荷旋轉(zhuǎn)貫量沒(méi)超過(guò)額定值
第二步：確認(rèn)需求的定位分辨率與重現(xiàn)度沒(méi)超過(guò)額定值
第三步：依據(jù)應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)速度曲線圖(Motion Profile)計(jì)算等效扭矩
第四步：確認(rèn)所求等效扭矩小于額定馬達(dá)連續(xù)扭矩
第五步：確認(rèn)應(yīng)用煞車時(shí)是否需要回升電阻
6、結(jié)論
　　以上本文簡(jiǎn)介轉(zhuǎn)矩電機(jī)定位平臺(tái)的特色與應(yīng)用、動(dòng)作原理、種類結(jié)構(gòu)與選用步驟，希望能對(duì)國(guó)內(nèi)廣大的機(jī)械、電氣設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)提供一條新思路，在未來(lái)機(jī)械設(shè)備高精度、高速度、潔凈環(huán)保的高要求下，提升自身設(shè)備的附加值，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。