如何開展運動系統(tǒng)設計

運動系統(tǒng)包括簡易的平面臺架到多自由度的復雜機械臂。IDC團隊在機器人系統(tǒng)設計研發(fā)方面經(jīng)驗豐富，對其通常產(chǎn)生的問題及最佳相關解決方案具有深度的了解。

針對機械設計，IDC設計工程師Nick Brown，在下文中探討了5個關鍵的考慮要素。

1 馬達的選擇

選擇馬達，最關鍵的兩個要素是它的扭矩與轉(zhuǎn)速?；谶\轉(zhuǎn)該運動系統(tǒng)的目標加速度和速度所需力的大小，上述數(shù)據(jù)很容易通過計算得出。另一較易被忽略但關鍵的要素是，馬達轉(zhuǎn)子及需轉(zhuǎn)動載荷之間的慣性比值。假如載荷慣性遠大于馬達慣性，那么要實現(xiàn)一個具有快速的安定時間且穩(wěn)定的控制系統(tǒng)則幾乎不可能。

2 開環(huán)和閉環(huán)控制

簡易的運動系統(tǒng)通常使用步進馬達作為其主要驅(qū)動，如3D打印機。步進馬達通常在開環(huán)控制配置中使用，該控制器發(fā)送命令至馬達，使其以一定速度運動至一定位置。馬達不會就完成的命令進行反饋，假如系統(tǒng)能夠符合性能目標且該系統(tǒng)運動準確性并非至關重要時，這是能夠接受的。

假如性能要求超過開環(huán)控制配置的步進馬達系統(tǒng)，則需使用閉環(huán)PID控制的伺服？電機。在閉環(huán)系統(tǒng)中，控制器命令馬達以具備一定加速度的速度運轉(zhuǎn)至一定位置，馬達軸上的編碼器給控制器發(fā)送報告，反饋其準確速度及位置。控制器基于位置和速度的錯誤，決定馬達是否需要增加或減少？功率以滿足命令要求的位置和速度。

一款PID控制環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)更快，定位更準確的運動系統(tǒng)，同時滿足命令運動的實現(xiàn)。但相比簡易的開環(huán)系統(tǒng)，它的控制器則更復雜。

3 機械設計控制避免背隙和自由運動

在一個有明顯背隙和自由運動的機械系統(tǒng)中，研發(fā)先進控制系統(tǒng)及指定電機與頂部的范圍編碼器是沒有任何意義的，因為結(jié)果是系統(tǒng)不準確、低可重復性，看著與用著都不精確。

在運動系統(tǒng)中，形成自由運動的兩大基本原因是軸承的排布與齒輪的背隙（其他系統(tǒng)特定因素）。齒輪的背隙通過妥善的元件選擇能夠避免，例如：應變波齒輪沒有背隙，精確行星齒輪組背隙極小。另外，雖然并非所有情況都適用，但直接驅(qū)動系統(tǒng)也可以完全避免這個兩個問題。

來自軸承接合處的自由運動，通過元件的準確規(guī)格和預載的應用可以避免。使用預加載角接觸球軸承可以消除關節(jié)臂的所有自由運動，使用彈簧加載聚合物軸承可以使直線滑塊和導軌感覺堅固。

機械強度及對齊：一個運動系統(tǒng)越精確或其性能越高，就越需要重視部件的機械強度和裝配的幾何公差，以保證其性能。例如一個簡單的XY運動系統(tǒng)，在一對直線導軌上采用了緊密配合的聚合物軸承，這些軌道的微小偏差將導致系統(tǒng)的干擾，在制造、裝配或由于正常工作負載導致的變形中出現(xiàn)偏差。

4 摩擦、疲勞和使用壽命

由于相對運動導致的部件磨損會隨著時間的推移導致其性能變化，甚至是災難性的故障。金屬滾子軸承和聚合物軸承的設計都強調(diào)軸承壽命，以確定維修時間間隔，及對使用壽命進行評估。在設計那些使用壽命長、維修不頻繁的系統(tǒng)時，聚合物軸承比鋼軸承有更大優(yōu)勢。鋼軸承依靠潤滑來限制或消除金屬表面的磨損，當潤滑劑被污染、摩擦增加時，性能就會降低。干運轉(zhuǎn)聚合物軸承能夠在其使用壽命期間保持相同的摩擦特性。

運動系統(tǒng)設計的最佳建議

1 選擇馬達時，馬達轉(zhuǎn)子與負載之間的慣性系數(shù)也應考慮在內(nèi)；

2 開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)：開環(huán)系統(tǒng)是否已經(jīng)足夠滿足性能要求？是否需要借助閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)更快速度及精確定位要求？

3 為避免系統(tǒng)中出現(xiàn)由于軸承和齒輪這類普通要素導致的自由運動和背隙，應當細致地對機械設計進行計劃；

4 考慮元件的機械強度、幾何公差及其匹配性以實現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能；

5 設計系統(tǒng)時，了解元件的摩擦、疲勞及使用壽命。是否需要實現(xiàn)一個使用壽命長、性能優(yōu)秀的解決方案？該系統(tǒng)維修頻繁嘛？