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机器人电机选型需要注意什么?

2022-04-17 17:50


近两年,受人口红利逐⭕渐消失、人工成本快速上升,以及产业链上国产化率提升降低企业自动化改造资金门槛影响,我国工业机器人市场已经开始显现强劲🐷增长需求。


与此同时,受2020年疫情的持续影响,“无接触”需求也在为服务机器人的市场发展注入活力🌌,机器人市场上行趋势明显。


伴随机器人产业的快𒉰速发展,市面上涌现ꦅ出的电机种类也越来越丰富,在电机选型时正确避坑,直接影响我们产品的设计进度和最终性能。



因自研电机,同时自己设计制造机器人产品,我们发现,选择一款恰当的电机及传动系统非常重要,它能够帮助我们顺利推动研发工作、设计出性能更加稳定可靠的机器人。


电机素有机器人“心脏”之称一般意义上,机器人包括机械臂、足式机器人、无人机、轮式机器人、手术机器人等,不同的机器人🧔依据不同场景需要不同的动力学设计,因此其所采用的电机也有所不同。


在常用的电机类型中,直流无刷电🌜机因其具有显著的高扭矩密度、高效率、体积小、高寿命、低噪声、高性价比等优点,而广泛用在机器人领域。如我们的轻型协作机器人产品,所采用的就是直流无刷力矩电机。


图 | 无刷电机


在传统分类中,交流电🧸机相比直流电机成本更低。不过如今交直流无刷电机的分类没有明显的界限,直流无刷电机虽然挂着“直流”的名号,本质上是一种交流同步电机,驱动器完成了直流电源逆变成交流的过💖程。


图 | 直流电机驱动系统

01

重要参数计算

依据传动系统和负载参数对电机的特征参数进行计算,是电机选型前期工作中必不可少的一步。


图 | 电机的传动系统


其中,传动系统的功率和伺服带宽是我们对电机进行选型时首先要做的重要考量。功率则是电机的**特征。

图 | 功率的计算公式


伺服带宽的计算相对更为复杂,它是系统快速响应和抑制扰动能力的度量,直接决定了关节的加速性能。其中特别需要注意的是,在伺服带宽的计算中,机械时间常数,即从零加速到额定转速时被系统的机械惯性所延时的时间,是一个重要的参考量。

02

场景提出的”特殊要求

在功率和伺服带宽两大共性特征参数之外,对电机进行选型,还需要考虑机器人产品应用在各类场景下,对电机提出的“ಞ特殊要求”。


比如轻型协作机器人、手术机器人等类别产品,因它们所应用的场景对其执行任务时的平稳性要求更高,低速平稳性、波动小就成为我们在挑选直驱方案中需要考虑的重要指标。


一般🍬情况下,考虑到电动势或电流非正弦引起的纹波转矩和齿槽转矩等是影响电机低速平稳性的主要原因,在低速平稳性上有做过优化的电机,具有优化后的槽数组合、斜极和斜槽꧋、优化的极弧系数、不等厚磁极、磁极分段布置等特征。


足式机器人等应用场景,对电机的短时过载能力和峰值扭矩密度要求更高。言下之意,在做此类电机的挑选时,关键需要考虑的是,电机设计者如何处理温度这一变量。


在冷却方案的选择上,足式机器人的电机追求扭矩输出密度,即单位体积或质量下的输出功率,这意味着油冷水冷等增加整机质量的冷却方式不太可能作为优选。


在足式机器人场景中,相比于液压、气动等传动方式电驱动在密度输出上仍然具有天然的弱势。目前,市面一般🐼通过提高磁密、降低电流负荷、轻量化设计、提高材料性能等思路来提高输出密度。在电驱动扭矩ꦡ输出密度提升上,市场上也已经出现很多折中方案🐷,并取得了不错的效果,不过如何提高电机的扭矩密度将一直是行业研究的热点。

03

选型还需要注意的原则

在上述要求之外,伺服电机选型还应满足以下原则:

(1)较小的转动惯量较大的堵转转矩;

(2)尽可能小的时间常数和启动电压;

(3)较长时间的过载能力,以满足低速大转矩的要求;

(4)能够承受频繁启动、制动和正、反转;

(5)为避免机器人电机过热,一般要求电机的额定连续转矩值大于周期内电机转矩的均方根值;

(6)所选型电机峰值扭矩和**速度值应大于实际所需参数值。

最后

亚冠娱乐智造长期专注于机器人研发,从驱控一体化关节、高精度磁编码器等关键零部件,到轻型协作机器人、无人消毒杀菌车等产🐠品,以及自动化产线ﷺ的打造,公司均有深厚积累。


目前,针对协作机器人、足式机器人、医疗机器人和飞行机器人,团队倾心打造的电机,在可靠性、控制灵敏度、运行平滑、低速启动性能等方面均具备一定优势,欢迎大家询问和交流。


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