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模塊化直驅電機及機器人關節模組

作者/出處: 網絡 發布時間: 2019-07-30

如果說芯片是智能行業最為重要的核心元件,那么電機幾乎可以說是支撐了整個自動化和大工業生產以及現代社會最為重要的部件,全世界90%的能源是由電機發出來的,而70%是由電機消耗調的,電機可以說是整個人類社會能源循環的占有絕對地位的產品。

普通伺服電機

伺服電機其實已經算是電動機中比較高端的類型,特別是永磁同步類型的伺服電機,由于其啟動快速,慣量低,平滑的運行,調速范圍寬,功率密度高,效率高等優勢,在高端裝備中的普及率在逐年增加,大多數伺服應用采用了減速器+電機的傳動方式。傳統系統的初始成本具有吸引力,而且性能已經在各種不同應用中得到了廣泛應用,減速器+電機的傳動方式因為有傳動間隙,會導致高精度的場合可能的累計誤差,因此對于伺服電機和伺服驅動器的要求尤其高,而且減速器的壽命也在減少,這也增加了總壽命成本。用戶不得不對更多的部件進行庫存管理,其次這些附加的部件所造成的系統故障會增加系統計劃外停機時間,使得機器的產量出現下降。

直接驅動旋轉電機

直接產生驅動作用的旋轉電機本質上是一種大力矩的盤式永磁電機,它直接與負載連接。這種設計消除了所有機械傳動部件,如齒輪變速箱、皮帶、滑輪和連軸器。直接驅動旋轉系統為設計者和使用者帶來了許多好處。因為一個機械傳動需要定期的維護而且會頻繁地造成計劃外停機,所以,直接驅動旋轉電機技術從根本上提高了機器的可靠性,減少了維護時間,降低了控制難度。

無框架直接驅動旋轉電機

無框架直接驅動旋轉電機是直驅電機技術的“祖父”,毫無疑問,它們提供了目前最緊湊的機械伺服解決方案。無框架直接驅動旋轉電機采用了獨立的轉子和定子,而未使用軸承。這些零件成為機器的一個整體組成部分,另外還包括了必要的反饋裝置。它們對于機器預留空間有限或者總重量有著關鍵影響的應用來說是理想的選擇。

這些電機就本質上來說是專門定制的,因此更為昂貴,需要數周、甚至數月的設計和集成時間。此外,一旦系統出現故障,電機或者反饋裝置的取出更換過程也極為復雜。因此,無框架直接驅動旋轉電機技術并非適用于每一種應用,它最廣泛的應用是在機載和地面車輛方面,如夜視裝置、雷達系統和武器系統的瞄準控制,以及那些對尺寸、重量或性能有著較高要求的高端工業應用,如機器人或者精密研磨機。

一體化直接驅動旋轉電機

一體化直接驅動旋轉電機,則是將轉子、定子和在出廠前完成對準的反饋裝置集成到一個帶有精密軸承的外殼中,屬于一種完整的解決方案。一體化直接驅動旋轉電機對于負載可以騎跨在電機軸承上的應用來說極為理想。對于已經使用了軸承的電機而言,用戶需要把電機連接到負載上,或者讓3個或更多的軸承完成對準,這將是一項繁重、費時的工作。因此,一體化直接驅動旋轉電機一般用于分度和速率轉臺應用。

綜上,直驅電機具有如下優勢

直接驅動。電機與被驅動工件之間,直接采用剛性連接,無需絲桿、齒輪、減速機等中間環節,最大程度上避免了傳動絲桿傳動系統存在的反向間隙、慣性、摩擦力以及剛性不足的問題。

高速度。直線電機的正常高峰速度可達5-10m/s,傳統滾珠絲桿,速度一般限制于1m/s,產生的磨損量也較高。

高加速度。由于動子和定子之間無接觸摩擦,直線電機能達到較高的加速度,較大的直線電機有能力做到加速度3-5g,更小的直線電機可以做到30-50g以上(焊線機)。

高精度。由于采用直接驅動技術,大大減小了中間機械傳動系統帶來的誤差。采用高精度的光柵檢測進行位置定位,提高系統精度,可使得重復定位精度達到1um以內,滿足超精密場合的應用。

運動速度范圍寬。直線電機運行的速度最低可實現1um/s,最高可實現10m/s,滿足各種場合需求。

噪音小,結構簡單,維護成本低,可運行于無塵環境等等。

在無框架和一體化直接驅動旋轉電機的基礎上,又更新出了一款模塊化直接驅動旋轉電機。

模塊化直接驅動旋轉電機

大多數直接驅動旋轉電機所面臨的相關挑戰是,如果將封閉式或無框架直接驅動旋轉解決方案應用于傳統型伺服電機系統,可能導致相關成本的增加。為了解決這個難題,一種新型直接驅動選擇技術已經出現。此種新型技術被稱為模塊化直接驅動旋轉,該技術將無框架直接驅動旋轉電機的性能與全框架電機的安裝便捷性相結合。

模塊化直接驅動旋轉電機是一種全新的直接驅動解決方案,其結構包括一個獨特的無軸承外殼以及外殼中集成的轉子、定子和出廠前完成了對準的高分辨率反饋裝置。圓筒式直接驅動旋轉電機技術的應用消除了機械傳動部件,既保留了直接驅動所有的優點,又避開了傳統的封閉式或者無框架直接驅動旋轉電機解決方案復雜而昂貴的缺點。模塊化的直接驅動旋轉電機利用新穎的壓縮聯結裝置來將轉子與軸連接到一起,并且附帶提供一種獨特的夾頭設計,從而實現了“即裝即用”,所花時間不到30分鐘。

模塊化技術的優勢,連同其有競爭力的價位和總壽命成本方面的顯著降低,將加速直接驅動技術在諸多領域中的新機器設計中的應用,如冶煉、包裝、印刷、半導體和工廠自動化。

當前主流的協作機器人都采用“模塊化”思想的關節設計,采用直驅電機+諧波減速器的方式,每個關節的內部結構基本一致,只是大小不太一樣,例如iiwa的每個軸基本都是下圖這樣:

每一個關節中都包含了電機、伺服驅動、諧波減速器、電機端編碼器、關節端位置傳感器和力矩傳感器,電機和減速器采用直連。

協作機器人將成為未來發展的主流機器人,其要滿足目前機器人的新興市場的主要客戶——中小企業。當人與協作機器人共同工作的時候,安全是首要考慮的指標之一,安全意味著動能小,為了減少機器人運動時的動能,協作機器人就要較輕,結構簡單。

在小型機械臂中,通常需要使用無框直接驅動電機,以減小機器人關節的尺寸、減輕機器人重量,并提升其動作效率。而使用直接驅動電機,也會帶來一個新的問題,就是較高的技術實施難度和應用集成成本。

這一方面是因為無框電機本身復雜的操作使用流程,另一方面,在設計制造機器人過程中,需要將力矩電機、編碼器反饋、制動抱閘和諧波減速機等多個零散的運控傳動組件集成到機器人關節這個尺寸極為有限的狹小空間中,同時還必須確保機械臂快速、靈活和可靠的運動性能。由此而帶來的超長開發周期和高昂制造成本,在一定程度上阻礙了小型關節機器人的廣泛應用和普及。

這就引出了另一類產品——機器人關節模組。

機器人關節模組

這款RGM 機器人關節模組, 體積僅一只拳頭大小。側面看,其外形框架呈 T 字型。下方為模組的法蘭底座,用于將其安裝在上一級機械臂的端部,左側為電機端蓋,右側為電機軸輸出,連接下一級機械臂。

此款 RGM 將包括伺服驅動器、無框直驅電機、諧波減速機、反饋編碼器和制動器抱閘等在內的多個機器人關節核心部件連接整合在一起,集成在一個模塊化組件中,并被設計封裝成適合機器人關節的 90° 轉角外形樣式,可以作為一個完整的關節總成直接用在工業機器人的機械臂上。

這就是說,用戶在設計和制造機器人時,可以不必考慮復雜的機械臂關節連接和動力集成,直接使用 RGM 關節模組連接和驅動機械臂,從而省去大量零散組件的設計、安裝、集成和測試等一系列復雜步驟和流程,尤其是,無需再為無框力矩電機的使用而消耗大量工時。

動力配置方面,由于每臺關節模組內部都集成了電機驅動器,采用 48V 直流動力電源和 CANopen 控制總線,所以,如果使用 RGM 關節模組,便無需再為機器人的各個關節軸配備單獨的伺服驅動器,只需要使用集成 CANopen 總線的機器人運動控制器即可。這將節省大量電氣柜安裝空間,讓設備系統變得更加緊湊。

再看電氣連接,因為多個關節模組的電源和通訊端口,是可以按照鏈式拓撲結構串行連接的,加之 RGM 使用了空心軸無框電機和諧波減速機,這樣,集成了 RGM 關節模組的機器人手臂,其電氣線纜是可以直接串聯敷設在機械臂空腔內部的,而不是像傳統機器人那樣并排掛在機械臂表面。這樣不僅讓機器人外觀變得十分簡潔,更重要的是,因為在關節處并沒有多根并聯電纜的扭轉彎折,從而降低了機器人工作時的運動負載。同時,更少的線纜數量還將會減輕機械臂的重量,這些都有助于提升機器人的工作效率。

RGM 采用了 19 位 Biss 反饋,可以達到 0.001° 的重復定位精度。同時,RGM 內部在輸入端和輸出端分別各有一個編碼器,通過比較兩個編碼器的位置和速度反饋,參照驅動電流和電機扭矩的輸出,可以判斷出模組所在關節受到外界作用力的大小,將這一系列數據信息反饋給控制器,就能夠在不額外增加輔助傳感器的情況下,很方便的實現對機器人的安全控制。

如此看來,通過將多個零散的機械臂關節組件整合封裝在一個集成模組中,RGM 實際相當于是一套用于機器人關節的一站式解決方案。這種集成模組化關節部件,將很有可能徹底改變工業機器人的制造流程,因為相比傳統的機器人制造方法,使用 RGM 這種集成式關節模組,將極大簡化機器人關節的動力集成,并降低工業機器人的開發和應用門檻,讓機器人制造商更加專注于其機器人應用場景的開發,而不是糾結于復雜的動力機械組件。

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