如何開展運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括簡易的平面臺架到多自由度的復(fù)雜機(jī)械臂。IDC團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)方面經(jīng)驗(yàn)豐富，對其通常產(chǎn)生的問題及最佳相關(guān)解決方案具有深度的了解。

針對機(jī)械設(shè)計(jì)，IDC設(shè)計(jì)工程師Nick Brown，在下文中探討了5個(gè)關(guān)鍵的考慮要素。

1 馬達(dá)的選擇

選擇馬達(dá)，最關(guān)鍵的兩個(gè)要素是它的扭矩與轉(zhuǎn)速。基于運(yùn)轉(zhuǎn)該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的目標(biāo)加速度和速度所需力的大小，上述數(shù)據(jù)很容易通過計(jì)算得出。另一較易被忽略但關(guān)鍵的要素是，馬達(dá)轉(zhuǎn)子及需轉(zhuǎn)動(dòng)載荷之間的慣性比值。假如載荷慣性遠(yuǎn)大于馬達(dá)慣性，那么要實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有快速的安定時(shí)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通常使用步進(jìn)馬達(dá)作為其主要驅(qū)動(dòng)，如3D打印機(jī)。步進(jìn)馬達(dá)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(dá)，使其以一定速度運(yùn)動(dòng)至一定位置。馬達(dá)不會(huì)就完成的命令進(jìn)行反饋，假如系統(tǒng)能夠符合性能目標(biāo)且該系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性并非至關(guān)重要時(shí)，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(jìn)馬達(dá)系統(tǒng)，則需使用閉環(huán)PID控制的伺服？電機(jī)。在閉環(huán)系統(tǒng)中，控制器命令馬達(dá)以具備一定加速度的速度運(yùn)轉(zhuǎn)至一定位置，馬達(dá)軸上的編碼器給控制器發(fā)送報(bào)告，反饋其準(zhǔn)確速度及位置?？刂破骰谖恢煤退俣鹊腻e(cuò)誤，決定馬達(dá)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(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)滿足命令運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。但相比簡易的開環(huán)系統(tǒng)，它的控制器則更復(fù)雜。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)控制避免背隙和自由運(yùn)動(dòng)

在一個(gè)有明顯背隙和自由運(yùn)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)中，研發(fā)先進(jìn)控制系統(tǒng)及指定電機(jī)與頂部的范圍編碼器是沒有任何意義的，因?yàn)榻Y(jié)果是系統(tǒng)不準(zhǔn)確、低可重復(fù)性，看著與用著都不精確。

在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，形成自由運(yùn)動(dòng)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(yīng)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(dòng)系統(tǒng)也可以完全避免這個(gè)兩個(gè)問題。

來自軸承接合處的自由運(yùn)動(dòng)，通過元件的準(zhǔn)確規(guī)格和預(yù)載的應(yīng)用可以避免。使用預(yù)加載角接觸球軸承可以消除關(guān)節(jié)臂的所有自由運(yùn)動(dòng)，使用彈簧加載聚合物軸承可以使直線滑塊和導(dǎo)軌感覺堅(jiān)固。

機(jī)械強(qiáng)度及對齊：一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)越精確或其性能越高，就越需要重視部件的機(jī)械強(qiáng)度和裝配的幾何公差，以保證其性能。例如一個(gè)簡單的XY運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，在一對直線導(dǎo)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(dǎo)致系統(tǒng)的干擾，在制造、裝配或由于正常工作負(fù)載導(dǎo)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(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的部件磨損會(huì)隨著時(shí)間的推移導(dǎo)致其性能變化，甚至是災(zāi)難性的故障。金屬滾子軸承和聚合物軸承的設(shè)計(jì)都強(qiáng)調(diào)軸承壽命，以確定維修時(shí)間間隔，及對使用壽命進(jìn)行評估。在設(shè)計(jì)那些使用壽命長、維修不頻繁的系統(tǒng)時(shí)，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(dāng)潤滑劑被污染、摩擦增加時(shí)，性能就會(huì)降低。干運(yùn)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最佳建議

1 選擇馬達(dá)時(shí)，馬達(dá)轉(zhuǎn)子與負(fù)載之間的慣性系數(shù)也應(yīng)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(shí)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(dǎo)致的自由運(yùn)動(dòng)和背隙，應(yīng)當(dāng)細(xì)致地對機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)劃；

4 考慮元件的機(jī)械強(qiáng)度、幾何公差及其匹配性以實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能；

5 設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，了解元件的摩擦、疲勞及使用壽命。是否需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)使用壽命長、性能優(yōu)秀的解決方案？該系統(tǒng)維修頻繁嘛？