工業(yè)機(jī)器人用交流永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)分析

王 霖，胡 曉

（廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510530）

工業(yè)機(jī)器人主要包括本體、伺服系統(tǒng)、減速器、控制器四大關(guān)鍵部分，電機(jī)作為工業(yè)機(jī)器人伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一，已成為我國(guó)相關(guān)單位的研究熱點(diǎn)。如中科院電工所、新松機(jī)器人、廣州數(shù)控等有關(guān)單位相繼開展了對(duì)關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人用電機(jī)的研究工作，其部分產(chǎn)品已在國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人中得到應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)交流永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)也是立足于自動(dòng)生產(chǎn)線需求基礎(chǔ)上研發(fā)的，能適應(yīng)相關(guān)系列的工業(yè)機(jī)器人配套使用。

1 機(jī)器人對(duì)電機(jī)的特殊要求

針對(duì)國(guó)產(chǎn)關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人落后于國(guó)外、急需實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品中高端化的需求，基于市場(chǎng)調(diào)研應(yīng)用的常見工況作為基本工況，研究本體構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，探索負(fù)載自重比與整機(jī)剛度的優(yōu)化平衡方法，考慮最大運(yùn)動(dòng)范圍、最大負(fù)載以及負(fù)載質(zhì)心偏置影響的極限工況，提升機(jī)器人負(fù)載自重比，最終結(jié)合機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)電機(jī)的功率、重量與整機(jī)長(zhǎng)度等設(shè)計(jì)參數(shù)提出了更高的需求，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人輕量化設(shè)計(jì)的目的。

2 電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)研究任務(wù)的要求，本文設(shè)計(jì)一款系列化工業(yè)機(jī)器人用電機(jī)，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)主要參數(shù)設(shè)計(jì)

在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，借助有限元件經(jīng)過(guò)詳細(xì)的理論分析，通過(guò)建模對(duì)影響電機(jī)性能的主要參數(shù)進(jìn)行多次綜合分析與優(yōu)化，最終確定了更為精準(zhǔn)的解算結(jié)果，滿足機(jī)器人使用要求。

3 電機(jī)方案設(shè)計(jì)

本文的電機(jī)是專門為工業(yè)機(jī)器人的配套需求而開發(fā)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中充分考慮實(shí)際生產(chǎn)工藝，特別是基于工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)上構(gòu)建的自動(dòng)化生產(chǎn)線，力求通過(guò)工業(yè)機(jī)器人反哺應(yīng)用于電機(jī)的生產(chǎn)，從而促進(jìn)整個(gè)生產(chǎn)線的效率和產(chǎn)品質(zhì)量，使得電機(jī)和工業(yè)機(jī)器人相得益彰。

3.1 電機(jī)的設(shè)計(jì)思路

工業(yè)機(jī)器人用電機(jī)中，制動(dòng)器作為一種將轉(zhuǎn)子位置保持制動(dòng)或緊急制動(dòng)的有效機(jī)構(gòu)，無(wú)勵(lì)磁型失電制動(dòng)器就是其中一種。使用該類型制動(dòng)器電機(jī)的設(shè)計(jì)方案中，制動(dòng)器在軸向上的位置位于定子負(fù)荷側(cè)或反負(fù)荷側(cè)、與定子并列，因其結(jié)構(gòu)、電機(jī)部件的尺寸問(wèn)題，電機(jī)總體長(zhǎng)度一般較長(zhǎng)，進(jìn)而會(huì)影響機(jī)械、設(shè)備的安裝尺寸。因此，從產(chǎn)品應(yīng)用的行業(yè)及市場(chǎng)的反饋來(lái)看，均期望能夠針對(duì)電機(jī)的總體長(zhǎng)度進(jìn)行一定程度的優(yōu)化。

為響應(yīng)上述需求，在參考國(guó)外同類型電機(jī)性能參數(shù)和工業(yè)機(jī)器人用電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)基礎(chǔ)上，結(jié)合自動(dòng)化生產(chǎn)手段等因素，對(duì)電機(jī)各零件進(jìn)行不斷試驗(yàn)和優(yōu)化，并進(jìn)行整機(jī)的緊湊結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)出齒槽轉(zhuǎn)矩低、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、體積小、過(guò)載能力好的電機(jī)。

3.2 電機(jī)的方案設(shè)計(jì)

為了克服電機(jī)現(xiàn)存的總體長(zhǎng)度長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁件加工難度大、成本高等技術(shù)的不足，本文設(shè)計(jì)的交流永磁同步電動(dòng)機(jī)包括定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、罩殼及無(wú)勵(lì)磁型失電制動(dòng)器，其特征在于：轉(zhuǎn)子鐵芯固定設(shè)置于電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，無(wú)勵(lì)磁型失電制動(dòng)器位于定子反負(fù)荷側(cè)與后端蓋之間，且至少一部分與定子繞組在徑向上重合；定子設(shè)置于轉(zhuǎn)子外周，定子外周、轉(zhuǎn)子側(cè)端及轉(zhuǎn)軸外周形成容納空間，容納空間可容納無(wú)勵(lì)磁型失電制動(dòng)器的重合部分，定子繞組突出部最小內(nèi)徑與無(wú)勵(lì)磁型失電制動(dòng)器最大外徑間存在間隙，其軸向截面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電機(jī)軸向截面結(jié)構(gòu)示意圖

電機(jī)設(shè)計(jì)中，制動(dòng)器為彈簧密閉式無(wú)勵(lì)磁失電制動(dòng)器，位于電機(jī)定子反負(fù)荷側(cè)與后端蓋之間，從定子反負(fù)荷側(cè)至后端蓋以底板、制動(dòng)器轉(zhuǎn)子、電樞板、制動(dòng)器定子的順序排列。制動(dòng)器裝配時(shí)，制動(dòng)器轉(zhuǎn)子轂通過(guò)彈性擋圈及平鍵緊固至轉(zhuǎn)軸上，制動(dòng)器裝配后，制動(dòng)器轉(zhuǎn)子與制動(dòng)器轉(zhuǎn)子轂處于間隙配合狀態(tài)，當(dāng)制動(dòng)器斷電時(shí)，通過(guò)彈簧對(duì)電樞板施加壓力，底板、電樞板與制動(dòng)器轉(zhuǎn)子之間相互接觸產(chǎn)生的摩擦力使得制動(dòng)器轉(zhuǎn)子轂處于制動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)子處于制動(dòng)狀態(tài)。制動(dòng)器裝配后，至少部分與定子繞組在徑向上重合，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)整體長(zhǎng)度在軸向上的薄型化。

本設(shè)計(jì)中，與電機(jī)徑向重合部分為底板、制動(dòng)器轉(zhuǎn)子、制動(dòng)器轉(zhuǎn)子轂和電樞板，徑向重合部分需保證定子繞組最小內(nèi)徑與制動(dòng)器最大外徑間存在一定間隙，并且制動(dòng)器線圈及制動(dòng)器定子位于定子繞組外側(cè)，不屬于電機(jī)徑向重合部分。

本方案設(shè)計(jì)的電機(jī)，整機(jī)長(zhǎng)度較同功率下制動(dòng)器后置的常規(guī)方案短30mm左右，重量輕0.5kg左右。

3.3 電機(jī)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證

使用Ansys Maxwell對(duì)電機(jī)磁路進(jìn)行仿真建模，如圖2所示，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子鐵芯錯(cuò)極角度的手段，分析電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)率，選擇最優(yōu)方案，即齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值約8.9mN.m，如圖3所示，計(jì)算齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)率約0.045%。

圖2 電機(jī)仿真模型

圖3 齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值曲線

確定基本磁路方案后，使用Workbench對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，分析轉(zhuǎn)子的振動(dòng)頻譜變化特征，圖4為轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的坎貝爾圖，在7200r/min左右時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，由此可知該方案的臨界轉(zhuǎn)速錯(cuò)開了電機(jī)的使用轉(zhuǎn)速范圍。

圖4 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速分析（未添加端部質(zhì)量塊）

通過(guò)多次調(diào)整，將樣機(jī)依據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)《JBT 11991-2014工業(yè)機(jī)械數(shù)字控制系統(tǒng)用交流伺服電動(dòng)機(jī)》規(guī)定的測(cè)試方法進(jìn)行振動(dòng)、噪聲、齒槽轉(zhuǎn)矩測(cè)試，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

通過(guò)表2的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，樣機(jī)在滿足輕量化工業(yè)機(jī)器人對(duì)電機(jī)重量、整機(jī)尺寸要求的基礎(chǔ)上，具有在輸出轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)具備較低的齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)率及振動(dòng)、噪聲等特點(diǎn)。

表2 樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

4 應(yīng)用驗(yàn)證

文述電機(jī)裝配的工業(yè)機(jī)器人在焊接、搬運(yùn)、碼垛、食品3C、協(xié)作、教育等領(lǐng)域均有應(yīng)用示范。目前廣州數(shù)控設(shè)備有限公司已經(jīng)借助總線平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)傳送帶等集成，最終實(shí)現(xiàn)車間智能化管理。本次設(shè)計(jì)的電機(jī)用公司型式試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，并按照公司機(jī)器人測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)《QGZSK 20-2019 RB系列搬運(yùn)機(jī)器人》進(jìn)行性能測(cè)試，包括對(duì)電機(jī)的空載、負(fù)載工作特性、溫升和噪聲等指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試和試驗(yàn)，最終測(cè)試結(jié)果表明本次設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人用交流永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能良好，符合自動(dòng)化生產(chǎn)線的需求。

如RB50工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人是公司自主研發(fā)的產(chǎn)品，其4、5、6軸均使用了150SJTR系列電機(jī)，而應(yīng)用RB50機(jī)器人的某公司空調(diào)壓縮機(jī)上下料生產(chǎn)線，1臺(tái)機(jī)器人在工作節(jié)拍及操作空間上可同時(shí)滿足2臺(tái)機(jī)床上下料的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文出于對(duì)工業(yè)機(jī)器人組建的自動(dòng)化生產(chǎn)手段等因素考慮，在基于關(guān)鍵技術(shù)和性能要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人用交流永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)。電機(jī)為三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)，但是在不脫離技術(shù)構(gòu)思的情況下，設(shè)計(jì)的實(shí)施方式不限于此，還可以結(jié)合不同的生產(chǎn)線要求做出其他多種形式的修改、替換或變更，為系列化設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造打下基礎(chǔ)。