步進(jìn)電機(jī)減速機(jī)

減速機(jī)的作用

減速機(jī)的作用與電機(jī)的發(fā)展密切相關(guān)。最初，當(dāng)交流電機(jī)是一種簡單的旋轉(zhuǎn)設(shè)備時(shí)，減速機(jī)主要用于改變電機(jī)速度和作為扭矩放大器。隨著包含速度控制功能的電機(jī)的引入，減速機(jī)的主要作用是放大扭矩。

但隨著步進(jìn)電機(jī)被廣泛接受以滿足速度和位置控制的要求，減速機(jī)找到了新的用途，包括扭矩的放大、允許的慣量的改進(jìn)和電機(jī)振動(dòng)的減少。此外，與交流電機(jī)的傳統(tǒng)齒輪箱不同，電機(jī)的精確定位能力產(chǎn)生了對(duì)高精度、無背隙齒輪箱的需求。

Oriental Motor 緊跟這些趨勢(shì)，一直在開發(fā)具有最佳特性的特定齒輪箱，以保持所使用的電動(dòng)機(jī)的特性。交流電機(jī)用減速機(jī)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是高容許扭矩、長壽命、低噪音和廣泛的齒輪比，可作為動(dòng)力源連續(xù)使用。

相比之下，步進(jìn)電機(jī)的齒輪頭專為高精度定位而設(shè)計(jì)，其中高精度、高允許扭矩和高速運(yùn)行很重要。以下部分詳細(xì)介紹了這些齒輪箱。

步進(jìn)電機(jī)齒輪

由于步進(jìn)電機(jī)和其他控制電機(jī)旨在實(shí)現(xiàn)精確定位，因此用于這些電機(jī)的齒輪箱必須提供相同水平的精度。因此，Oriental Motor 開發(fā)了一種機(jī)制，可最大限度地減少與步進(jìn)電機(jī)一起使用的齒輪的齒隙，以確保低齒隙特性。

一般來說，步進(jìn)電機(jī)的輸出扭矩比相同機(jī)座尺寸的交流電機(jī)大。因此，步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)旨在適應(yīng)高扭矩和高速，以免削弱電機(jī)的特性。

下面介紹典型控制電機(jī)齒輪的基本原理和結(jié)構(gòu)。

TH(錐形滾齒)齒輪

◇ 原理與結(jié)構(gòu)

正齒輪減速機(jī)構(gòu)末級(jí)和嚙合齒輪采用圓錐齒輪。錐形齒輪是通過向軸移動(dòng)的連續(xù)輪廓制成的。

如下圖所示，沿箭頭方向調(diào)整錐齒輪，以減少齒隙。

行星 (PN) 齒輪

◇ 原理與結(jié)構(gòu)

行星齒輪機(jī)構(gòu)主要由太陽輪、行星齒輪和內(nèi)齒齒輪組成。太陽齒輪安裝在中心軸上(在單級(jí)類型中，這是電機(jī)軸)，行星齒輪包圍在以中心軸為中心的內(nèi)齒齒輪中。行星齒輪的旋轉(zhuǎn)通過托架轉(zhuǎn)化為輸出軸的旋轉(zhuǎn)。

PN齒輪 采用行星齒輪減速機(jī)構(gòu)。PN 齒輪通過提高其組件的 精度和消隙機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)指定的三弧分齒隙。該機(jī)構(gòu)由上下兩組內(nèi)輪齒沿圓周方向扭轉(zhuǎn)的內(nèi)齒輪和行星齒輪組成。上部內(nèi)齒輪和行星齒輪減少順時(shí)針側(cè)隙;較低的內(nèi)齒輪和行星齒輪減少逆時(shí)針齒隙。

◇ 高容許扭矩

在傳統(tǒng)的正齒輪減速機(jī)構(gòu)中，齒輪一對(duì)一地嚙合，因此扭矩的大小受到每個(gè)單個(gè)齒輪強(qiáng)度的限制。另一方面，在行星齒輪減速機(jī)構(gòu)中，由于通過多個(gè)行星齒輪分散分配扭矩，因此能夠傳遞更大的扭矩。

行星齒輪減速機(jī)構(gòu)中各齒輪所施加的力矩由下式得到：

分散系數(shù)表示扭矩在各個(gè)行星齒輪之間的分散程度。系數(shù)越小，扭矩分布越均勻，可傳遞的扭矩量越大。為了均勻分配傳遞的扭矩，每個(gè)部件都必須準(zhǔn)確定位。

◇ 齒輪特性

扭轉(zhuǎn)剛性

PN 齒輪的輸出軸上施加負(fù)載時(shí)，齒輪的彈簧特性會(huì)產(chǎn)生位移(扭轉(zhuǎn))。下圖顯示了通過在向前和向后方向上逐漸增加和減少輸出軸上的負(fù)載來測(cè)量扭轉(zhuǎn)角的數(shù)據(jù)。由于 PN 齒輪的齒隙保持在三弧分或以下，因此扭矩不會(huì)導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)角突然增加。

諧波齒輪

◇ 原理與結(jié)構(gòu)

諧波齒輪利用金屬的彈性力學(xué)特性，具有無與倫比的定位精度和簡單的結(jié)構(gòu)。它由三個(gè)基本組件組成：波發(fā)生器、柔輪和圓輪。

● 波發(fā)生器

波發(fā)生器是一個(gè)橢圓形的部件，在橢圓形凸輪的外圓周上裝有一個(gè)薄的滾珠軸承。軸承的內(nèi)圈固定在橢圓形凸輪上，而外圈則通過滾珠產(chǎn)生彈性變形。波發(fā)生器安裝在電機(jī)軸上。

● Flex Spline

柔輪是一種由彈性金屬制成的薄杯狀部件，沿杯口外周形成有齒。齒輪的輸出軸連接到柔性花鍵的底部。

● 圓形花鍵

圓形花鍵是一種剛性內(nèi)齒輪，其內(nèi)圓周形成有齒。這些齒與柔輪的齒尺寸相同，但圓齒比柔輪多兩個(gè)齒。圓形花鍵沿其外圓周連接到齒輪箱。

◇ 精度

與傳統(tǒng)的正齒輪不同，諧波齒輪能夠平均化齒距誤差和累積齒距誤差對(duì)旋轉(zhuǎn)精度的影響，從而實(shí)現(xiàn)高精度、無齒隙性能。但是，在進(jìn)行2弧分以下的超高精度定位時(shí)，齒輪自身的扭力可能會(huì)成為問題的原因。使用諧波齒輪進(jìn)行超高精度定位時(shí)，請(qǐng)記住以下三點(diǎn)。

● 空程

空程是指在齒輪的輸出軸上施加大約5% 的允許扭矩時(shí)產(chǎn)生的位移的總值。由于諧波齒輪沒有齒隙，表示齒輪精度的度量表示為空轉(zhuǎn)。

● 滯后損失

向齒輪輸出軸順時(shí)針或逆時(shí)針方向逐漸施加扭矩，直至達(dá)到允許扭矩時(shí)，扭矩越小，扭矩角越小。然而，即使完全恢復(fù)到初始水平，扭轉(zhuǎn)角也永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到 0。這被稱為“滯后損耗”，如圖中的 BB' 所示。諧波齒輪的設(shè)計(jì)滯后損失小于兩分鐘。順時(shí)針或逆時(shí)針方向定位時(shí)，即使摩擦系數(shù)為0，也會(huì)產(chǎn)生滯后損失。定位到2分鐘以下時(shí)，必須單向定位。

● 扭矩-扭矩特性

位移(扭矩)是在諧波齒輪的輸出軸上施加負(fù)載時(shí)齒輪的彈簧常數(shù)產(chǎn)生的。當(dāng)齒輪在摩擦負(fù)載下驅(qū)動(dòng)時(shí)引起的位移量與電機(jī)軸保持固定且扭矩施加到齒輪輸出軸時(shí)的值相同。

位移量(扭轉(zhuǎn)角)可以使用如下所示的公式進(jìn)行估算。諧波齒輪的扭轉(zhuǎn)角-扭矩特性曲線不是線性的，其特性可根據(jù)負(fù)載扭矩的不同用以下三個(gè)公式之一表示：

通過這些公式獲得的扭轉(zhuǎn)角適用于單個(gè)諧波齒輪。

齒輪步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

齒輪步進(jìn)電機(jī)主要用于減速、高扭矩和高分辨率以及以下用途：

小型化(更小的框架尺寸和更輕的質(zhì)量)

高剛性(使電機(jī)不易受摩擦負(fù)載波動(dòng)的影響)

更短的定位時(shí)間和更高的慣性負(fù)載安全裕度

低振動(dòng)

為了進(jìn)一步舉例說明這四個(gè)目的，下面將對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型電機(jī)和齒輪電機(jī)進(jìn)行比較，兩者具有相似的輸出扭矩和允許扭矩。如果速度方面沒有問題，可以用減速電機(jī)代替標(biāo)準(zhǔn)型電機(jī)。

小型化(更小的框架尺寸和更輕的質(zhì)量) 標(biāo)準(zhǔn)型電機(jī)可以切換到更小的齒輪電機(jī)，只要兩個(gè)電機(jī)以相等的扭矩運(yùn)行即可。例如，框架尺寸為□85 mm(□3.35 in.)的標(biāo)準(zhǔn)型電機(jī)可以替換為框架尺寸為□60 mm(□2.36 in.)的減速電機(jī)，從而將質(zhì)量從 1.8 kg 降低(4.0 磅)至 1.5 千克(3.3 磅)(AS98AAE 和 AS66AAE-N5 之間的比較)。

● 高剛性(使電機(jī)不易受摩擦負(fù)載波動(dòng)的影響)

電機(jī)通電時(shí)，輸出軸受到外部施加的扭力，測(cè)量位移量(扭轉(zhuǎn)角)以比較剛性。在給定的扭矩下，位移(扭轉(zhuǎn)角)越小意味著剛性越高。例如，AS66AAE-T7.2 齒輪電機(jī)在 0.1 N?m 的輕負(fù)載下會(huì)受到反沖效應(yīng)，但隨著扭矩的增加，它變得比 AS98AAE 更不容易扭曲。AS66AAE-N5 電機(jī)在輕負(fù)載時(shí)受到的反沖影響很小，并在整個(gè)扭矩范圍內(nèi)保持高剛性。

標(biāo)準(zhǔn)型電機(jī)與減速電機(jī)的扭轉(zhuǎn)剛度比較

針對(duì)波動(dòng)摩擦負(fù)載的定位精度是電機(jī)剛度的重要決定因素。定位精度可以通過停止位置精度(減速電機(jī)的角傳動(dòng)誤差)來衡量。停止位置精度(角傳動(dòng)誤差)是指理論旋轉(zhuǎn)角度(這是根據(jù)輸入脈沖數(shù)計(jì)算的旋轉(zhuǎn)角度)與實(shí)際輸出軸旋轉(zhuǎn)角度的差值。誤差越接近 0 表示剛性越高。

標(biāo)準(zhǔn)型 AS98AAE 電機(jī)和 AS66AAE-N5 減速電機(jī)通過測(cè)量空載和摩擦負(fù)載下的停止位置精度(角傳動(dòng)誤差)進(jìn)行比較，每轉(zhuǎn) 0.36? 間隔。比較結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)型電機(jī)的停止位置精度在施加負(fù)載時(shí)顯著增加，而齒輪電機(jī)的角傳動(dòng)誤差幾乎沒有變化，即使在施加負(fù)載時(shí)也是如此。換句話說，減速電機(jī)更能抵抗摩擦載荷的波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的定位。此功能適用于任何類型的減速電機(jī)。因此，齒輪電機(jī)對(duì)于垂直驅(qū)動(dòng)的定位操作和其他摩擦負(fù)載因負(fù)載數(shù)量和重量的變化而波動(dòng)的應(yīng)用更為有效。

AS98AAE與AS66AAE-N5停止位置精度(角度傳遞誤差)對(duì)比：

● 更短的定位時(shí)間和更高的慣性負(fù)載安全裕度

為了在短時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)大慣性負(fù)載，使用減速電機(jī)將實(shí)現(xiàn)比標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)更短的定位時(shí)間。

假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)型 AS98AAE 電機(jī)連接到轉(zhuǎn)子慣量的 5 倍和 30 倍的慣性負(fù)載，并且這些慣性負(fù)載中的每一個(gè)都連接到齒輪傳動(dòng)型 AS66AAE-N5 電機(jī)。每個(gè)旋轉(zhuǎn)角度的最短定位時(shí)間如下圖所示測(cè)量。

對(duì)于較小的定位角度和較大的慣性負(fù)載，減速電機(jī)在減少定位時(shí)間方面更為有效。減速電機(jī)往往在較大的慣性負(fù)載下，在較寬的定位角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較短的定位時(shí)間。

減速電機(jī)減少定位時(shí)間的原因如下：

通過齒輪的使用，可以減輕電機(jī)軸的慣性載荷，從而保證快速加減速啟動(dòng)。

減速電機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是無論慣性負(fù)載如何變化，它都能保持一致的定位時(shí)間。下圖表示標(biāo)準(zhǔn)型電機(jī)和減速電機(jī)在承受慣性負(fù)載變化時(shí)的最短定位時(shí)間的變化。

標(biāo)準(zhǔn)型電機(jī)的最短定位時(shí)間隨慣性負(fù)載的增加而顯著變化，而減速電機(jī)的最短定位時(shí)間變化不大。換句話說，減速電機(jī)能夠在最一致、最短的定位時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)更大的慣性負(fù)載。

無論電機(jī)的定位速度有多快，如果無法針對(duì)慣性負(fù)載波動(dòng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，則可能會(huì)出現(xiàn)問題。因此，研究如何根據(jù)慣性負(fù)載的波動(dòng)對(duì)操作波形進(jìn)行整形也很重要。

在允許最短定位的操作條件下，將相同的慣性負(fù)載連接到標(biāo)準(zhǔn)型電機(jī)和齒輪電機(jī)。然后在不改變運(yùn)行條件的情況下，將慣性負(fù)載切換為較小的慣性負(fù)載。下圖顯示了每種情況下的操作波形。

即使在為給定慣性負(fù)載降低阻尼而優(yōu)化的操作條件下，標(biāo)準(zhǔn)型電機(jī)的阻尼特性也會(huì)隨著慣性負(fù)載的波動(dòng)而惡化。因此，對(duì)于電機(jī)而言，每次慣性負(fù)載波動(dòng)時(shí)都需要重新設(shè)置運(yùn)行條件以獲得最佳性能。另一方面，減速電機(jī)的阻尼特性隨慣性負(fù)載的波動(dòng)變化很小，從而保證運(yùn)行平穩(wěn)。

● 低振動(dòng)

振動(dòng)特性以電壓表示，將輸出軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)幅度換算成電壓。由于以下原因，可以減少減速電機(jī)的振動(dòng)：

根據(jù)齒輪比，可以降低電機(jī)自身的振動(dòng)。

可以避免低速振動(dòng)范圍，因?yàn)殡姍C(jī)以更高的速度旋轉(zhuǎn)。

審核編輯：湯梓紅