面向机电一体化关节的高精度伺服系统关键技术研究

面向机电一体化关节的高精度伺服系统关键技术研究

张钦博  刘铭钰

山东省烟台市  烟台南山学院   265713

摘要：伺服电机作为响应速度快、控制精度高、运行平稳的工业自动化执行机构，广泛应用于各类加工制造领域，以及军用领域。目前，在工业机器人的机电一体化关节方面，一般采用普通电机与减速器结合的传统驱动方案，且采用外部走线的方式，很容易造成动作干涉。随着电机制造和材料加工等方面的进步直驱电机逐渐取代传统驱动方案用来直接驱动设备。进行控制算法的优化设计针对关节刚性提升的需求。

关键词：电机控制;小型化;机电一体化

1、研究背景与意义

随着我国工业化进程的不断发展，一些劳动量大、过程复杂、质量要求高的工作逐渐由人工过渡到机器人，其中机电一体化关节是工业机器人进行高质量工作最关键的一部分。相对于结构固定、功能单一、成本昂贵的传统机械臂来说，机电一体化关节对于生产批量不大的中小企业来说更为便利。在现今的机械制造业中，应用机电一体化关节最多的一般是六轴旋转机器人，其工作过程主要是应用机电一体化关节在六轴上的旋转运动[1]。对于机电一体化关节来说,在工作关节末端与关节驱动电机之间需要使用传动系统，因此传动系统的工作质量对于整个机电一体化关节的动作与精准度都有着很大影响。机械制造业中机电一体化关节在使用初期，其关节精准度、运动速度、工作质量等性能都比较优秀，但是随着工作时间的增加和关节维护不及时，关节内零部件会出现磨损，导致关节末端精准度不足，引起工作偏差“在日常生产中，大多数的机电一体化关节工作时移动量小、移速低、所需扭矩大，使用普通电机进行驱动时需要设计合适的传动系统。传动机构作为机电一体化关节的重要组成部分，如果润滑不及时，在长时间工作中是最容易发生磨损的部分，尤其是减速器或齿轮箱内部的啮合齿轮，极大的增加了机电一体化关节的安装维护难度和成本。因此，相对于包含传动机构的传统驱动电机系统，在机电一体化关节上使用取消了传动机构的直驱力矩电机系统在关节的控制精度、传动效率、系统响应及稳定性等方面具有明显的优势，同时也降低了整个机电一体化关节的安装及维护成本[2]。

2、机电一体化力矩电机的总体设计与研制

机器人进行正常工作时，如果机器人关节刚性不达标，则会影响到关节末端的定位精度，进而影响机器人的工作质量质量。为了提高机器人的工作质量，机器人关节必须具备控制精度高、末端刚性强的特点[3]。受到工作环境的影响，特殊情况下机器人的末端关节要在空间狭窄的地方工作，且当工作空间复杂时，使得机器人关节在外部走线的条件较差，适宜采用内部走线的采用双电机控制的方式从电机控制角度提升关节的刚性，其中关节精度的高低依赖于电机何服系统控制精度的高低，因此需要研制具有高精度何服控制的单电机系统，本章节对电机及控制器进行分析、设计与基本特性初步验证。

2.1 电机的电磁分析与结构设计

电机作为机器人关节的动力源，其控制特性和体积对整个关节的影响较大。为满足机器人关节内部走线和体积小的需求，电机采用中空轴传动和小型化结构设计:为进一步提升机器人关节控制精度和刚性，需要设计高精度和高刚性的电机系统[4]。因此本课题的主要内容是研究面向机电一体化关节的高精度何服系统，设计控制器编码器一体化的中空轴力矩电机。本课题的机电一体化关节所需要的电机需要满足低速的运动要求，并且要求其转矩波动较小以及具有较高的运动平稳性。综合上述要求，对电机进行电磁场仿真分析与结构设计。

2.2 电机电磁场仿真分析与设计

槽极数组合是电机设计的关键参数，其参数的选择直接影响电机工作性能的优劣、电机加工的成本及难易程度。在确保电机的电枢直径、气隙密度保持不变的情况下，极数的增加可以进一步提高已饱和的辄部磁密，进而提高电机的电磁转矩和功率密度。但是，槽极数的增加依赖于电机实际参数，槽极数过大时会影响电机的加工难度和运行精度，当误差过大时电机转矩可能会发生波动，影响电机效率。

2.3 电机结构设计

针对电磁场仿真确定的电机参数和电机设计需求，设计力矩电机各部分结构。电机轴是电机将电能转化为动能后输出的主要构件，其结构对于整个电机结构设计至关重要。针对机器人关节内部走线的需求，电机轴采用大中空设计，电机控制器和编码器线缆通过电机轴内空间与外部设备相连，根据电机定转子尺寸及编码器磁环尺寸建立电机轴三维模型[5]。磁钢是磁电编码器感应电机转动位置以解码电机角度的磁性构件，本系统磁电编码器采用双多对极磁环形式，两磁环采用上下登放的方式固定在电机轴上部，两个磁环磁极对数不一致且距离较近，产生的磁场曲线会相互干扰，导致编码器感应磁场曲线时出现误差，影响磁电编码器精度。电机底座与外壳是将电机各部件连接为整体的外部组件，将电机内部部件与外界隔离,减少外界环境对内部部件造成损伤,同时提高电机的散热性，使电机内部或者控制器产生的热量更好的散发到外界中，确保电机工作时维持在额定温度范围内。电机外壳上部腔体空间用于放置电机控制器和编码器，为减少外部环境对电机控制器和编码器的影响，在控制器和编码器固定于电机上部腔体内部时，使用液态硅胶对整个电机上部进行灌封，进一步固定电机与编码器的相对位置，提高电机防水性能。由于电机外壳下部腔体空间用于安装定转子及轴承,为防止灌封时液态硅胶进入到电机下部,需要设计轴承盖板及挡胶圈。部件结构设计和建模完成后，建立电机其他部件三维模型，组合装配所有电机部件，建立电机三维模型。

3、结论

分析了机电一体化关节使用单电机驱动与双电机驱动的优缺点，进行了双电机控制算法测试平台的结构设计与硬件设计，基于高控制精度的电机伺服控制算法设计了双电机控制算法和双电机通信方案，完成了同等干扰力矩下的单电机控制与双电机控制的刚性实验，验证了双电机控制算法对于电机控制刚性的提升。

参考文献：

[1]谭敏，刘昭琴，吴江.机器人控制系统的机电一体化研究[J].电子技术与软件工程,2021(15): 115-116.

[2]张杭，崔巍，苗会彬，等. 永磁同步力矩电机直驱式伺服系统矢量控制策略综述[J].微电机,2010,43(12): 82-86.

[3] 王光能.现代直驱技术[J]. 世界制造技术与装备市场,2013,000(001):85-92.

[4]王渤洪. 永久磁铁励磁的牵引电动机[J].变流技术与电力牵引,2003 (4): 37.39

[5]冯江华.轨道交通永磁同步牵引系统研究[J].机车电传动,2010(05): 15-21.