精密轉矩電機定位平臺原理及應用
1,前言
近年來，隨著機械設備、工具機等向更高速、更精密、更可靠的方向發(fā)展，采用直接驅(qū)動(direct-driven)電機-的成功案例有越來越多的趨勢，尤其國外一些電子、半導體、面板、甚至太陽能行業(yè)的加工設備都已經(jīng)大量采用直接驅(qū)動電機作為其主要傳動單元，國內(nèi)的一些激光加工設備、半導體、PCB廠商經(jīng)過金融危機的洗禮也正在朝此方向大步邁進。直接驅(qū)動電機主要分線性電機(LM: Linear Motor)與轉矩電機(TM: Torque Motor)。在此主要介紹HIWIN 轉矩電機定位平臺(TMS: Torque Motor Stage)的技術原理及應用。
2,特色與優(yōu)點
與傳統(tǒng)結合旋轉伺服電機與減速齒輪的平臺比較：
如圖1，直接驅(qū)動，沒有減速齒輪
圖1 HIWIN轉距電機與傳統(tǒng)伺服電機加齒輪箱的比較
TMS的優(yōu)點有：
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質(zhì)量與齒輪背隙，定位反應快，重復定位精度與定位精度高；
也因免除了減速齒輪，整體平臺散熱均勻，且結構熱膨脹旋轉對稱，可得較穩(wěn)定的定位精度。且可加裝水冷裝置，使系統(tǒng)在大扭力高負載下，溫度更加穩(wěn)定，精度表現(xiàn)更加出色。
3,應用領域
HIWIN-TMS轉矩電機的主要應用領域包含半導體與面板設備、工具機、工業(yè)自動設備與航天與國防。典型半導體與面板設備的應用包含快速的工件檢測與分類，晶圓與面板的傳輸定位等。如圖2所示，一客戶結合本公司線性電機定位平臺(水平軸)、螺桿定位模塊(垂直軸)與TMS成一快速晶圓取放機械手臂，與傳統(tǒng)取放平臺比較，這非傳統(tǒng)、低成本機械手臂不但定位精度提升，且產(chǎn)出提高2倍以上。
圖2 HIWIN精密轉矩電機平臺的應用
主要工具機應用有三項：A/C軸旋轉定位、五軸加工機旋轉加工頭與快速刀具轉換模塊。早期工業(yè)自動化使用TMS的是產(chǎn)業(yè)機器人、近期興起的則是電動汽車的使用。TMS于國防的應用如載具的控制與模擬訓練，在航天上應用如天文望眼鏡的控制。另外值得一提近期TM的應用是家電洗衣機滾筒的驅(qū)動與居家電梯的驅(qū)動。
4,動作原理、種類與主要構成
由于沒用減速齒輪，為達到相當輸出扭矩，TMS采用較一般旋轉伺服電機更多磁極的高扭矩輸出電機，HIWIN-TMS采用多級3相永磁馬達。其優(yōu)點主要表現(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驅(qū)動器，系統(tǒng)整合限制低
圖3為大銀TMS系列定位平臺構成剖面圖，其主要構成組件為：軸承、中空旋轉主軸、永磁動子、線圈定子與位置編碼器。其中位置編碼器是以影響TMS定位性能的關鍵組件之一。常用兩種位置編碼器：光學式 (optical type)與分解器式 (resolver type)。光學式分辨率較高，但是單價高，而分解器成本低，且可在惡劣環(huán)境操作。
圖3 精密轉矩電機的結構
5,轉矩電機定位平臺選用
圖4為轉矩電機定位平臺的一電控配置布局例，圖中轉矩電機平臺采大銀TMS系列平臺，電機驅(qū)動使用美商COPLEY XENUS 型驅(qū)動器。
圖4 HIWIN轉矩電機達平臺系統(tǒng)
轉矩電機定位平臺選用與傳統(tǒng)伺服電機選用步驟類似如下：
第一步：確認需求的最大轉速與負荷旋轉貫量沒超過額定值
第二步：確認需求的定位分辨率與重現(xiàn)度沒超過額定值
第三步：依據(jù)應用的運動速度曲線圖(Motion Profile)計算等效扭矩
第四步：確認所求等效扭矩小于額定馬達連續(xù)扭矩
第五步：確認應用煞車時是否需要回升電阻
6,結論
以上本文簡介轉矩電機定位平臺的特色與應用、動作原理、種類結構與選用步驟，希望能對國內(nèi)廣大的機械、電氣設計工程師設計設備時提供一條新思路，在未來機械設備高精度、高速度、潔凈環(huán)保的高要求下，提升自身設備的附加值，提升市場競爭力。東莞凡一五金機電公司將在上銀HIWIN集團的帶領下，全力為國內(nèi)廣大設備生產(chǎn)廠商提供更高性價比的產(chǎn)品、更加優(yōu)質(zhì)周到的服務。
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