如何開(kāi)展運動(dòng)系統設計

運動(dòng)系統包括簡(jiǎn)易的平面臺架到多自由度的復雜機械臂。IDC團隊在機器人系統設計研發(fā)方面經(jīng)驗豐富，對其通常產(chǎn)生的問(wèn)題及最佳相關(guān)解決方案具有深度的了解。

針對機械設計，IDC設計工程師Nick Brown，在下文中探討了5個(gè)關(guān)鍵的考慮要素。

1 馬達的選擇

選擇馬達，最關(guān)鍵的兩個(gè)要素是它的扭矩與轉速?；谶\轉該運動(dòng)系統的目標加速度和速度所需力的大小，上述數據很容易通過(guò)計算得出。另一較易被忽略但關(guān)鍵的要素是，馬達轉子及需轉動(dòng)載荷之間的慣性比值。假如載荷慣性遠大于馬達慣性，那么要實(shí)現一個(gè)具有快速的安定時(shí)間且穩定的控制系統則幾乎不可能。

2 開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制

簡(jiǎn)易的運動(dòng)系統通常使用步進(jìn)馬達作為其主要驅動(dòng)，如3D打印機。步進(jìn)馬達通常在開(kāi)環(huán)控制配置中使用，該控制器發(fā)送命令至馬達，使其以一定速度運動(dòng)至一定位置。馬達不會(huì )就完成的命令進(jìn)行反饋，假如系統能夠符合性能目標且該系統運動(dòng)準確性并非至關(guān)重要時(shí)，這是能夠接受的。

假如性能要求超過(guò)開(kāi)環(huán)控制配置的步進(jìn)馬達系統，則需使用閉環(huán)PID控制的伺服？電機。在閉環(huán)系統中，控制器命令馬達以具備一定加速度的速度運轉至一定位置，馬達軸上的編碼器給控制器發(fā)送報告，反饋其準確速度及位置?？刂破骰谖恢煤退俣鹊腻e誤，決定馬達是否需要增加或減少？功率以滿(mǎn)足命令要求的位置和速度。

一款PID控制環(huán)能夠實(shí)現更快，定位更準確的運動(dòng)系統，同時(shí)滿(mǎn)足命令運動(dòng)的實(shí)現。但相比簡(jiǎn)易的開(kāi)環(huán)系統，它的控制器則更復雜。

3 機械設計控制避免背隙和自由運動(dòng)

在一個(gè)有明顯背隙和自由運動(dòng)的機械系統中，研發(fā)先進(jìn)控制系統及指定電機與頂部的范圍編碼器是沒(méi)有任何意義的，因為結果是系統不準確、低可重復性，看著(zhù)與用著(zhù)都不精確。

在運動(dòng)系統中，形成自由運動(dòng)的兩大基本原因是軸承的排布與齒輪的背隙（其他系統特定因素）。齒輪的背隙通過(guò)妥善的元件選擇能夠避免，例如：應變波齒輪沒(méi)有背隙，精確行星齒輪組背隙極小。另外，雖然并非所有情況都適用，但直接驅動(dòng)系統也可以完全避免這個(gè)兩個(gè)問(wèn)題。

來(lái)自軸承接合處的自由運動(dòng)，通過(guò)元件的準確規格和預載的應用可以避免。使用預加載角接觸球軸承可以消除關(guān)節臂的所有自由運動(dòng)，使用彈簧加載聚合物軸承可以使直線(xiàn)滑塊和導軌感覺(jué)堅固。

機械強度及對齊：一個(gè)運動(dòng)系統越精確或其性能越高，就越需要重視部件的機械強度和裝配的幾何公差，以保證其性能。例如一個(gè)簡(jiǎn)單的XY運動(dòng)系統，在一對直線(xiàn)導軌上采用了緊密配合的聚合物軸承，這些軌道的微小偏差將導致系統的干擾，在制造、裝配或由于正常工作負載導致的變形中出現偏差。

4 摩擦、疲勞和使用壽命

由于相對運動(dòng)導致的部件磨損會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移導致其性能變化，甚至是災難性的故障。金屬滾子軸承和聚合物軸承的設計都強調軸承壽命，以確定維修時(shí)間間隔，及對使用壽命進(jìn)行評估。在設計那些使用壽命長(cháng)、維修不頻繁的系統時(shí)，聚合物軸承比鋼軸承有更大優(yōu)勢。鋼軸承依靠潤滑來(lái)限制或消除金屬表面的磨損，當潤滑劑被污染、摩擦增加時(shí)，性能就會(huì )降低。干運轉聚合物軸承能夠在其使用壽命期間保持相同的摩擦特性。

運動(dòng)系統設計的最佳建議

1 選擇馬達時(shí)，馬達轉子與負載之間的慣性系數也應考慮在內；

2 開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制系統：開(kāi)環(huán)系統是否已經(jīng)足夠滿(mǎn)足性能要求？是否需要借助閉環(huán)系統實(shí)現更快速度及精確定位要求？

3 為避免系統中出現由于軸承和齒輪這類(lèi)普通要素導致的自由運動(dòng)和背隙，應當細致地對機械設計進(jìn)行計劃；

4 考慮元件的機械強度、幾何公差及其匹配性以實(shí)現最佳系統性能；

5 設計系統時(shí)，了解元件的摩擦、疲勞及使用壽命。是否需要實(shí)現一個(gè)使用壽命長(cháng)、性能優(yōu)秀的解決方案？該系統維修頻繁嘛？