通过赫尔利·吉尔，科尔摩根高级系统/应用工程师
你需要知道的关于简化你的机器设计方法最优伺服电机控制。
工业机械制造商或集成商经常问的一个问题是，他们如何有效地设计或实现带有伺服技术的机器的转换，以满足性能预期。这是一项特殊的任务，充满了各种复杂的层次，即使在完全了解工作范围的情况下，也很难执行。现有技术提出了可能的工程变化和独特的操作过程。然后，如果存在误解或知识差距，对于任何要执行的工作的给定过程，可能性将呈指数级扩展，并产生进一步的复杂性和增加的风险。
当考虑机器设计时，在规划阶段显然有许多因素需要解决。检查所有可能的情况以减少失败的风险，以及通过不同的组合和场景工作是一组要求很高的任务。因此，相对于整个操作过程和要执行的工作，建立机器功能和每个轴的基线知识是至关重要的。首先要对整个过程有一个全面的了解，以完成机器的功能，全面的了解，包括输入和输出，以及识别任何变量和权衡，并认识到可能会有一些未知数。这也延伸到考虑和应用于机器每个轴的可用运动技术的优点和缺点。获得尽可能多的深入理解将缓解潜在的问题，并提高成功执行的机会。
更仔细地审查技术和不同程度的性能
对一种制造工艺来说被认为是高技术性能的东西不一定对另一种制造工艺来说是高技术性能的。对于机器制造者来说，部署他们有经验的技术是很自然的。然而，新的挑战往往需要使用更新的技术。当一个改造或一个新的机器设计需要闭环(伺服)运动控制技术时，通常存在误解。例如，在使用以前的技术进行机器优化所需要的条件和现在机器优化性能所需要的条件之间经常存在误解。适当部署闭环运动控制技术需要平衡其能力，权衡和因素，将提高新机器的性能。
以前的技术可能包括液压执行器、变速电机、气动或任何数量的典型开环、ON-OFF控制，在某些情况下，半或伪闭环技术。为了降低风险，即使是更新的闭环控制概念也必须考虑或与旧的概念进行平衡。例如，可以通过虚拟主轴来控制机器的所有轴。然而,如果一个轴是由两个或两个以上的汽车(硬耦合或伪耦合机制/机械的负载),额外的延迟一个电机的驱动和另一个通过虚拟主人的控制,而不是直接,会增加风险作为机器的运转速度的函数。
一般来说，任何要加速或以更快的速度运行的过程都需要机器具有比先前设计更快的响应时间的能力，以保持质量。换句话说，机器必须有能力以更快的速度移动和对产品产生作用，并在产品和过程本身的限制内对所有命令和干扰作出反应。通常，实际的过程时间是固定的，不能在现有技术下增加，只留下产品转移时间作为可加速的可用时间。反过来，这增加了特定轴的峰值马力(hp)要求在加速/减速时间，从它的基线增加的比率的乘积:速度和扭矩(每增加15%，速度和扭矩，在峰值要求32.25% hp增加)。当将加工机床从某种形式的开环、ON-OFF (bang-bang)控制或伪闭环控制方法转换为闭环伺服电机控制机床时，涉及的许多问题对第一次设计伺服机床的人可能不是特别直观。
一些最明显的问题包括:
惯性:在过去，对于机械设计的某些特定轴，惯性不是一个考虑因素，甚至不是一个考虑因素。对于其他一些轴，一个最优的机器需要一个高的系统惯性(负载和执行器)，以抑制产品看到的任何干扰。我们想要使用高性能的伺服系统来提高速度，从而提高生产率，以相同的或改进的质量。这就要求坐标轴比以前的设计具有更高的带宽能力，以便感知指令、产品变化和干扰，这样我们就可以快速、轻松地对错误做出响应，并做出适当的修正。这需要较低的系统惯性。对于需要点对点移动或动态修正的连续或伪连续过程，尤其如此。生产效率的提高也往往会降低生产能源成本。
齿轮的机械优势:先前设计的机器的另一个问题是轴机构内的反弹。通常这种类型的轴移动仅仅被温和地认为是潜在的过程问题。这是由于对负载进行单向驱动的有利机构停留在机构侧隙的一侧。然而，随着伺服电机的恒定速度校正，完整的±位移重复出现。
这一应用具有机械优势的动力传动机构显示齿轮头和皮带减速与科尔摩根AKM伺服电机。
同步带的机械优势:对于许多以前设计的机器(尤其是单向驱动的)，在过程中，皮带产生的依从性通常不是一个主要问题，只要它的尺寸足够大，这样它就不会断裂。然而，随着伺服电机的匀速校正，完全±皮带的柔度位移可以反复看到。典型的加倍皮带的宽度(作为一个单向机构计算)，以减少柔度可能使皮带太宽。在这种情况下，设计师可能需要使用尽可能多的宽度，可用的空间将允许，如果可能，进一步降低皮带顺应性(即增加刚性)，选择更强或更厚的风格皮带。然而，请注意，较厚的带降低了顺应性(可取的)，但降低了自然共振频率(不可取的)-取决于频率在控制系统频谱中的位置。另一个问题是，一个更大的皮带将有一个更大的侧向负载，必须考虑到设计，这可能会影响轴承，张紧器，滑轮，和电机。
对许多设计师来说，这些新问题可能是具有挑战性的。这是因为许多不同的开环、ON-OFF控制和伪闭环控制技术的工作，现在是新机器设计的潜在障碍。因此，这种新的设计可能需要机械、电气、电子、控制、过程和编程领域的典型学科的机电一体化设计师的额外努力，以简化和实现风险管理、最佳性能和减少开发时间的目标。
一个直接驱动的动力传动机构与科尔摩根墨盒DDR电机，显示如何电机直接安装到机制。
最小化潜在的过程问题
通常，当使用伺服系统时，设计师将需要提高新机器每个轴的带宽响应能力。为了完成这项任务，我们必须考虑许多变量。它们包括摩擦负载和任何外部负载(重力或其他)，负载之间的惯性反射回电机，以在过程所需的公差内实现实际可控的解决方案，以及每个轴的侧隙和顺应性。对于一个典型的伺服机构，最好有一个刚性耦合，以最小化顺应性。
对于许多直接驱动轴，钢的依从之间的电机和负载可以是一个限制因素，可以影响伺服控制回路的带宽。甚至一台机器的框架顺应性也可以成为轴带宽能力、运动稳定性和可控性的主要因素，而在以前的技术中，这可能是没有任何问题的。例如,达到最好的轴带宽能力,可控性和最小风险的任何问题直接传动筒电机,设计是很重要的驱动轴(如果适用)和外部维度为尽可能尽可能大,以整体轴长度尽可能短。
直接驱动筒式电机使用机器的轴承来支持全框架电机的转子，便于安装，并且经常可以消除对机械优势机构的需要，如齿轮头或滑轮和皮带，就像其他直接驱动电机的设计。
直接驱动伺服电机，如这些卡式DDR伺服电机来自科尔摩根，结合了无框电机的优点与易于安装的全框电机通过在机器上使用轴承。
在了解了基本的加工过程和机器功能之后，我们就可以开始提问，以确定每个轴所要完成的工作的方向和可能的解决方案。下面的一组问题并不意味着包含所有的内容，而是为了简化每个轴的设计方法。
轴的问题:
1.所讨论的轴是否需要点对点移动(典型的位置模式操作)?
a.尽量减少负载惯性和机构惯性。例如，如果可能的话，在钢的上方使用铝，并且/或从部件上去除不必要的金属，特别是在不需要的大直径部件上。记住，绕中心轴旋转的分量的转动惯量是直径的四次方。
b.尽量减少摩擦;轴承与衬套，滚珠丝杠与梯形丝杠，等等。
c.尽可能地降低机制符合性(如果适用，使用成本曲线的膝盖相对于能力)。
d.尽量减少、减少或消除机构间隙;皮带对齿轮头，对直接驱动，等等。
e.减少负载和电机之间移动的物体数量，使机构的传动系尽可能刚性。例如，齿条和小齿轮机构必须锁在一起，这样齿条/小齿轮在高速加速或减速时不会在齿上上升。
f.在适用于该机构时，使用刚性(例如压缩式)或等效联轴器，以减少机械上卷和相对较大的联轴器惯性的可能性。
g.对于索引应用程序(特别是高速)，将反馈分辨率提高到最大(成本与性能曲线的膝盖)。
2.所讨论的轴是否需要一个连续的工作速度(典型的速度模式操作)?
a.必须考虑长期和短期的速度公差，如果适用:
i.如果非常短期的公差是更关键/主导(每个时间单位需要更小的短期Δ公差)，那么高于正常理想的负载惯性可能仍然是更合适的。(过程需要被理解，对于一个特定的过程，它可以是两种方式:最小化的负载惯性(最大的反馈分辨率)和有意设计的更大的负载惯性(抑制短期响应)——没有特定的过程信息很难做出判断)。
2如果长期公差占主导地位(严格的长期Δ公差要求每个时间单位)，那么通常最好最大化反馈分辨率，减少负载和机构惯性，允许伺服在最高带宽下保持最佳控制。
3如果这个过程需要两方面的优点:减少负载惯性和机制惯性，并将反馈分辨率提高到最大可用性(使用成本曲线的膝盖与能力)。
b。当适用:
i.尽可能减少负载惯性和机构惯性，增加带宽能力。
2尽量减少摩擦。
3尽量减少粘滞，特别是低速加工应用。
4 .消除机制反弹。
v.尽可能降低机构顺应性，对机构适用时，使用刚性(例如压缩式)或等效联轴器，并尽量减少负载和电机之间的移动机构数量。
c.最大限度地提高反馈分辨率(成本曲线的膝盖与能力)。
d.控制:如果可能，在适当的时间和位移范围内以位置模式运行驱动器(通常在位置环路内运行时，可以在伺服电机上实现更好的恒定速度公差)。
3.所讨论的轴是否需要对某些负载施加连续的力(通常是扭矩模式)?
a.尽可能减少摩擦，因为摩擦很容易成为问题。
b.如果在锁定转子状态下施加外力一段时间，则必须相应地调整电机的尺寸。这不是一个典型的伺服应用程序。(许多，如果不是大多数，伺服电机额定转速低(失速转子状态)，有刚刚足够的速度
以确保均匀的热量分布。)如有需要，请联系电机制造商。
4.问题的轴要求极低的速度(<=1转/分)?
a.尽量减少摩擦和摩擦力;粘滞很容易成为问题。
b.消除机械反冲。
c.尽可能降低机构顺应性，对机构适用时使用刚性或等效耦合，并尽量减少负载和电机之间的移动机构数量。
d.将反馈分辨率提高到最大或最小，使用成本曲线的膝盖相对于更高的分辨率能力。
e。控制;如果这是一个速度应用和定位，那么，如果可能，在适当的时间和位移范围的位置模式下运行驱动器(通常，当运行在位置环路内时，可以在伺服电机上实现更好的恒定速度公差)。
5具体的轴是垂直的吗?
a.使用故障安全制动器(电机内部或外部轴制动器)或平衡负载。
b.如果使用故障安全制动器，确保其物理接触和脱离时间与驾驶命令一致，并对受试者制动器的接触和脱离有适当的延迟。
如果要平衡负载，则要考虑附加负载惯性及其对加速和减速扭矩要求的影响。
d.如果要平衡负载，通常会根据实际的流程周期时间进行权衡，导致只有一定比例的负载被平衡。
e.对于部分不平衡负载，在适用时使用电流偏移来抵消不平衡负载并最小化控制回路集成要求(通常减少相移和降低风险)。
确保所提议的控制方法能够达到安全协议和任何其他具体要求。
每个轴的设计方法总结
为了提高任何伺服电机控制轴的带宽响应能力和可控性，必须考虑与机器功能、选择过程和每个主题轴要执行的工作相关的一系列因素。需要考虑的因素包括摩擦和粘滞、外部负载、侧隙和顺应性、负载和电机的机构惯性、反馈分辨率，最后，如果适用，电机的驱动、PWM/SVM和更新率。此外，在完成机电一体化设计时，还需要考虑负载与电机之间的运动体总数以及设计的固有频率。
你不能合理地将成本降低应用于一台制造流程还不能正常工作的机器。这就是为什么选择的操作流程的需求应该优先于机器的初始性能权衡和成本降低。对于最初的机器制造来说，以最低的成本设计最高的性能通常是最好的。如果新机器的部件的成本曲线达到了生产要求，那么仍有降低成本的空间。另一方面，如果机器的任何特定部件需要额外的性能，额外的成本更容易被证明是合理的。
其他问题和考虑:
下一组问题和注意事项可能进一步适用于上面清单中定义的特定轴，目标是进一步逐轴缩小新设计的范围。
1.机器是否能够运行多个产品?
物理信封必须定义为产品范围的函数。
b.最高生产速率(最小产品)通常为最大生产速率设置较差的情况下的运动曲线。
c.期望的生产速度/目标是什么:英尺/分钟，每分钟零件，等等?
i.设置最大运行速度/速度:连续的或特定的运动轮廓。
d.特定轴和手头工作所需的工艺公差是什么?
i.通过机制设定产品或物理需求的最低反馈分辨率和精度要求
对于第二个反馈设备(从成本与能力曲线的膝盖处开始)。
2如果在成本与能力曲线的膝盖之外，反作用力或符合性被最小化，是否有任何过程优势?
设置成本/价格合理性的额外能力和/或可靠性，如果必要。
3.是否必须满足启动或停止、维护和/或安全的特定条件?
关键/主导需求/规格可以决定最终的电机和驱动器尺寸，以及控制架构。例如，当机器控制器和伺服驱动器之间的通讯电缆被切断时，轴是否需要保持其当前位置?
i.如果是这样，伺服驱动器可能需要控制目标伺服轴位置环路，而伺服驱动器则需要从单独的/外部控制器发送扭矩/速度命令。
Kollmorgen
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了下:运动控制技巧
