如何实现高精度直线运动

哪种电机技术适合您的应用

精密运动技术中应用最广泛的是各种电机。根据动力源，我们将电机分为直流电机和交流电机。另一个主要区分因素是工作原理，可以是磁性、静电或压电。

基于磁性的直流和交流电机

基于磁性的直流和交流电机最为人熟知，因为从电动汽车到家用电器，日常生活的各个领域都有它们的身影。在不详细介绍所有磁性电机变体的情况下，让我们来仔细了解一下通常用于高精度运动应用的电机类型：

  • 直流伺服电机：这类电机精度高，通过基于编码器位置反馈的闭环控制，可提供非常精确的定位控制。它们通常用于机器人、数控机床和其他需要精确控制的自动化系统。
  • 步进电机：这类电机最初是伺服电机的低成本替代品，因为其内置的输出步进具有控制位置的固有能力，可用作开环位置控制，无需任何反馈编码器。这种运行模式在启动时需要一个启动步进，其性能也受到限制，因为过载会导致漏步和定位错误。为了克服这些问题，如今步进电机通常都带有编码器反馈，并以闭环模式运行，从而为伺服电机提供了一种可行的替代方案。
  • 直线电机：将电机的定子和转子 "展开"，就形成了直线电机。它们有多种类型，如无刷电机、有刷电机、同步电机或感应电机。除磁悬浮列车等重工业应用外，它们还可用于半导体制造或精密平台等精密应用中，在加速度、最高速度、精度、速度恒定性和避免振动方面，比滚珠丝杠和滚珠丝杠驱动的定位平台更具优势。

压电致动器和压电电机--有区别吗？

压电解决方案是上述高精度运动解决方案的主要竞争对手。在此，我们将其分为两大类。压电致动器和压电电机。

基于磁性的电动马达通常产生旋转运动（线性马达除外）。为了使这些电机产生线性运动，需要一个过渡机构。实现这一目标的最常见解决方案是集成导螺杆和滚珠螺杆。

然而，对于直接驱动型压电电机而言，由于其结构所产生的运动已经是线性的，因此不需要这些组件。此外，沿圆周施加线性运动可产生直接驱动旋转压电电机。

为什么要考虑整个运动系统而不仅仅是电机？

如上所述，高精度线性运动往往不能仅靠电机来实现。因此，在设计和集成过程中，必须考虑整个运动系统。举例来说，我们可以想象一个非常便宜的直流电机，它适用于特定的任务，但在集成过程中，我们会发现它需要齿轮箱、制动系统、导螺杆或滚珠螺杆解决方案来满足所有的操作要求。另一方面，与电机价格相比，压电电机可能更昂贵，但由于其固有的特性，它不需要额外的组件，这使得采购、组装和维护更加容易。这个例子说明，为什么值得考虑运动系统，而不仅仅是组件解决方案。下表提供了各种解决方案的不完全比较：

技术直流伺服和步进电机线性/音圈电机压电电机
直线运动可转换是是
旋转运动是可转换是
自动保持/制动，不耗电增加额外机制时添加额外装置或接通电源时是，高精度位置保持
运动开始或结束时的反冲目前，由于增加了机械部件的间隙，使用特殊齿轮可将间隙降至近乎零取决于磁铁和线圈的作用力无反冲

设计时的权衡力与速度的关系：
取决于所附的齿轮箱
分辨率与价格的关系：
高精度需要良好的编码器和控制器。此外，直线运动需要高质量的主轴
力与价格：
力越大，需要的磁性材料越多。		冲程与重量：
更长的冲程需要更多的磁铁，从而增加了重量
分辨率与冲程：
更长的冲程对高分辨率更具挑战性
重复性与价格：
尽管分辨率高，但运动并非绝对，因此重复性较低		力与价格：力越大，需要的陶瓷材料越多
力与冲程：
力越大，冲程长度越短
力与速度：
力越大，电机速度通常会降低

直流电机与齿轮和主轴的结合精度取决于多个因素：

  • 齿轮比：齿轮比决定电机旋转转化为主轴旋转的程度。较高的齿轮比可以提供更精细的控制和精度，但可能会牺牲速度。
  • 电机控制：电机控制系统起着重要作用。精确的控制系统，如 PID（比例-积分-派生）控制器，有助于实现更精确的定位和速度控制。
  • 机械设计：齿轮和主轴系统的机械设计至关重要。齿轮中的任何反向间隙或间隙都会带来不精确度。
  • 部件质量：电机、齿轮和主轴组件的质量也会影响精度。部件质量越高，精度和可靠性越高。
  • 反馈系统：增加编码器或传感器等反馈系统可提供有关系统位置和速度的实时信息，以便进行调整和修正，从而提高精度。
  • 环境因素：温度、湿度和振动等环境因素也会影响精度。
  • 公差和校准：适当的校准和维护对长期保持精度至关重要。

一般来说，只要将这些因素正确地结合在一起，直流电机与齿轮和主轴相结合就能实现高精度，适用于机器人、数控机床和自动化系统等各种应用。不过，可实现的精度最终取决于应用的具体要求以及设计和实施过程中的工程权衡。

电机选型仅仅是个开始...


本文重点介绍如何为相对简单的单轴直线运动应用正确选择电机。虽然对于 X-Y 工作台或多轴精密拾放机构等更复杂的系统来说，原理是相同的，但需要对每个轴进行独立的负载分析。本文范围之外的另一个考虑因素是如何选择适当的安全系数，以满足系统的预期寿命（循环次数）。系统寿命不仅与电机尺寸有关，还与系统中的其他机械元件（如齿轮箱和导螺杆组件）有关。其他因素，如定位精度、分辨率、可重复性、最大滚动、俯仰和偏航等，都是确保直线运动系统达到或超过应用目标的重要考虑因素。

在直流电机与齿轮和主轴的组合中实现精度需要考虑各种因素。这些因素包括齿轮比、电机控制系统（如 PID 控制器）、机械设计质量、部件质量、反馈系统、环境因素和校准。这些因素的正确组合可实现适用于机器人、数控机床和自动化系统的高精度。

电机选型至关重要，需要对每个轴的负载进行独立分析。直流步进电机、直流有刷伺服电机和直流无刷伺服电机等不同类型的电机各有优缺点，对扭矩、速度、成本和复杂性等因素都有影响。

不同直流电机与线性压电电机的比较

直流步进电机

优势：

  • 开环定位 - 无需编码器。
  • 旋转时需要简单的 "脉冲和方向 "信号。
  • 低速时扭矩密度高。
  • 可在不超过额定温度的情况下处于 "失速 "位置。
  • 成本最低的解决方案。
弱点
  • 如果负载超过输出扭矩，则不进行位置修正。
  • 功率密度低 - 转速越高，扭矩越小。
  • 即使在静止状态下，也能持续汲取电流。
  • 转速超过 3000 RPM 时，铁损较高。
  • 低速时有明显的齿槽现象（使用微型步进驱动器可改善）。
  • 低速时出现振铃（共振）。

直流有刷伺服电机

优势：
  • 与步进电机相比，速度/扭矩曲线呈线性变化。
  • 低成本驱动电子设备（4 个功率开关器件）。
  • 提供多种不同配置。
  • 低速运行时也能非常平稳。
  • 功率密度高 - 与步进电机相比，在更高转速下扭矩更平稳。
弱点
  • 过载时电机电流过大。
  • 闭环定位需要编码器。
  • 由于机械换向，速度有限。
  • 刷子磨损。
  • 高热阻（电枢电路中含有铜）。

直流无刷伺服电机

优势：
  • 功率密度高 - 与步进电机相比，在更高转速下扭矩更平稳。
  • 与步进电机相比，速度/扭矩曲线呈线性变化。
  • 电子换向 - 无机械电刷。
  • 热阻低（定子电路中使用铜）。
  • 与步进电机或有刷直流电机相比，速度最高。
弱点
  • 在三种电机技术中成本最高。
  • 过载时电机电流过大。
  • 闭环定位需要编码器。
  • 更高的驱动复杂性和成本（6 个功率开关器件）。
  • 电子换向所需的转子位置传感器

线性压电电机-优势和劣势

优势：
  • 亚微米级定位极为精确。
  • 高响应率和加速度。
  • 无反冲或机械间隙。
  • 体积小巧，重量轻。
  • 无电磁干扰
  • 可在真空或洁净室环境中运行。
弱点
  • 输出力有限。
  • 行程长度有限。
  • 成本相对较高。
  • 对温度波动敏感。
  • 需要复杂的驱动电子设备和控制算法。
  • 随着时间的推移容易磨损和老化。

直线运动系统中的功率转换首先要了解负载要求，然后进行电机电源分析，以确保高效运动。每种电机类型都有明显的优缺点，选择取决于具体的应用要求