Google+ 機動學論壇(TALKING MECHANISMS): 應用於伺服馬達的減速器

2007年6月14日 星期四

應用於伺服馬達的減速器


B94611010 方柏璇

應用於伺服馬達的減速器

伺服馬達所應用的精密減速機,必需運轉的像瑞士手錶一樣平穩而安靜。這類減速機裡面的組件必需在很高的軸向及徑向負載下,以極小的背隙,處理高的輸入轉速及傳遞大的輸出扭矩。另外,它們必需容易安裝於馬達上、保持精確的對位、並使得噪音及振動的產生為最小。

行星式減速機之構造及主要優點

行星式減速機(Planetary Gearhead)比其他型式的減速機更符合以上的需求。其組成是由中間的太陽齒輪(Sun Gear)、繞著太陽齒輪旋轉的行星齒輪(Planet Gear)、以及環繞行星齒輪的環形齒輪(Ring Gear),三個部分組合而成(參考圖一)。並由其中之行星齒輪所組成的旋轉框架帶動輸出軸。

行星式減速機所具有的主要優點為:單位體積所傳遞扭矩的能力高於其他減速機。這是因為負載會平均分配於幾個行星齒輪上。另外,行星式減速機亦具有先天上低齒隙、高剛性的特性。

減速機對系統所提供的優勢

減速機提供機械性能上的優勢,而這優勢只有伺服馬達是達不到的。另外,減速機加強了系統三個主要性能:

1. 增大扭矩: 減速機使得在整體尺寸變動不大之情形下,將系統扭矩增倍。
2. 增加解析度: 減速機使得負載在某段距離內,增加了馬達迴轉的圈數,如此將有效地把負載所能移動的最小位移變得更小,而增加解析度。
3. 增強馬達承受負載慣量的能力: 馬達與負載間恰當的慣量比值可增強系統之性能及穩定性,並使得動力損耗達到最小。

減速機增強慣量的匹配性

為了達到高產能及減小馬達體積的市場需求,伺服馬達製造廠以新的技術及採用材質較輕及較強力之磁鐵材料,來製造馬達轉子。如此雖可使馬達本體及慣量變小,而利於加速度及速度的提昇。然而,因為馬達體積及質量的縮減,而導致慣量的變小,卻常常使得馬達與被控制的負載間存在不恰當的慣量匹配。但是透過減速機的應用,可處理這樣的慣量不匹配問題。

慣量匹配對系統的影響

慣量(Inertia)被定義成阻止物體本身速度變化的評估量,它與物體的形狀和質量有關。慣量愈大的物體,所需要用來加速或減速(速度變化)的扭矩愈大。

在高速啟動及停止的應用中,我們可藉由平衡馬達及負載的慣量比,有效地增加系統性能。假使馬達的慣量太小,則容易使得馬達反而被負載帶動。在這情形下,負載難以被控制在指定的運動規劃圖(Motion Profile)當中,而會有過衝(Overshoot)太大及安定時間(Settling Time)太長的現象。

由以上可知,當使用減速機時,可將負載的慣量降低至1/ n2 倍。慎選減速機之減速比可創造精確且信賴度高的系統。對於定位精度要求高的應用,等效慣量與馬達轉子慣量相同的匹配(1:1 match)是理想的。不過在某些情況下,1:1的匹配不容易實現。經驗上等效慣量需不大於馬達轉子慣量的10倍,系統才有較佳的性能。而這個比值愈小,馬達則愈能快速的停止或穩定在某一速度上。

減速機大小之選定(Sizing)

1. 計算輸出扭力之平均三次方根值(Root Mean Cube):τRMC
(注意停滯時間t3不計算)
2. 計算服務係數(Service Factor): SF
3. 計算系統之等效扭矩(Equivalent Torque): τeq
τeq =τRMC * SF
4. 基於尺寸搭配的考量,先嘗試選擇一個與伺服馬達法蘭尺寸相當的減速機(兩者法蘭尺寸接近),以規格表查出此減速機之額定輸出扭矩: τg
比較τg 應大於τeq (如τg不大於τeq則選擇更大扭矩減速機)

結語

精密減速機與伺服馬達一般,可取代系統之複雜元件,而使之變少。如此除了對機器設備提高了性能、剛性、精度、及降低體積之外,對系統製造商而言,亦免除了設計、安裝、保養傳統傳動元件之工作,而得到便利性。應用於伺服馬達之精密減速機,勢將隨著伺服馬達之應用,日益普及於今日工業。

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