基于非直連結(jié)構(gòu)的編碼器組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 赫 鐘成堡,2 陳飛龍,2 楊文德

（1.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070；2.廣東省高性能伺服系統(tǒng)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 珠海 519070）

引言

隨著智能裝備產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，自動(dòng)化產(chǎn)線、機(jī)械化生產(chǎn)、精密加工等日漸成為我國(guó)工業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。而伺服電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)相比，具有高精度、高功率密度、高魯棒性等特點(diǎn)，在智能裝備產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。

編碼器作為伺服電機(jī)上的信息采集和信號(hào)反饋元件，嚴(yán)格控制了電機(jī)運(yùn)行的精密性和平穩(wěn)性[2]。而編碼器的安裝精度差和使用環(huán)境溫度過(guò)高，是造成電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)和限制伺服電機(jī)高功率密度小型化發(fā)展的主要原因。

為了提高伺服電機(jī)運(yùn)行的精度和長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性，許多國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)電機(jī)的溫度場(chǎng)、電機(jī)定位精度、編碼器的采樣精度等進(jìn)行了模擬和研究。文獻(xiàn)[3]以電機(jī)電磁場(chǎng)與熱交換理論為基礎(chǔ)，分析了永磁伺服電機(jī)（PMSM）繞組分布對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)的影響；文獻(xiàn)[4]分析了PMSM的鐵心損耗和永磁體渦流損耗，并對(duì)PSMS低速和堵轉(zhuǎn)時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算；文獻(xiàn)[5]研制了一套編碼器圓光柵偏心調(diào)整自動(dòng)裝卸裝置，用于提高編碼器在PMSM上的裝配精度和自動(dòng)化安裝；文獻(xiàn)[6]分析了PMSM參數(shù)變化的原因，對(duì)比了PMSM參數(shù)辨別的多種技術(shù)方法。

上述文獻(xiàn)分別從電機(jī)溫度場(chǎng)、電機(jī)定位精度和電機(jī)內(nèi)置編碼器裝配精度等方面進(jìn)行了研究。而將這些方面結(jié)合起來(lái)，綜合考慮電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行下，自身發(fā)熱使編碼器溫升過(guò)高，導(dǎo)致編碼器定位精度下降的研究卻很少。因此，本文將通過(guò)分析伺服電機(jī)發(fā)熱源分布、降低零件間熱傳導(dǎo)、減少零件間裝配尺寸鏈的方式，對(duì)非直連結(jié)構(gòu)的編碼器組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高伺服電機(jī)長(zhǎng)期、高速運(yùn)行的可靠性。

1 非直連的編碼器組件結(jié)構(gòu)分析

1.1 非直連結(jié)構(gòu)分析

常見(jiàn)的伺服電機(jī)通常是編碼器直接安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，這種連接方式稱(chēng)為直連結(jié)構(gòu)。而大口徑大功率伺服電機(jī)，電機(jī)質(zhì)量較大、制造成本較高，而編碼器作為電機(jī)中易損件，為了方便其替換和安裝，將編碼器及相關(guān)零件設(shè)計(jì)為一個(gè)組件，安裝在體積較小的軸上，通過(guò)類(lèi)似聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)，使小軸與電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接，這種連接方式稱(chēng)為非直連結(jié)構(gòu)。

本文涉及的伺服電機(jī)為非直連結(jié)構(gòu)，由電機(jī)半總成和編碼器組件兩部分組成（圖1）。電機(jī)半總成包含電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)零件定子、轉(zhuǎn)子、軸承、端蓋等，編碼器組件包含電機(jī)的監(jiān)控反饋零件編碼器和一些輔助零件軸承、端蓋等。

圖1 伺服電機(jī)的兩部分組成

1.2 編碼器組件結(jié)構(gòu)分析

編碼器組件如圖2所示，由小軸、軸承、墊片、聯(lián)軸器端蓋、編碼器和編碼器蓋組成。為了改進(jìn)編碼器組件結(jié)構(gòu)，本文將從分析熱源發(fā)熱量、減小熱量傳遞、保證安裝精度以及計(jì)算尺寸鏈等方面進(jìn)行組件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2 編碼器組件示意圖

2 編碼器組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 編碼器組件尺寸鏈校核

為了保證編碼器的安裝精度，我們首先分析編碼器的安裝方式和影響安裝的相關(guān)零件。編碼器為分體式結(jié)構(gòu)，由編碼器本體和碼盤(pán)兩部分組成，碼盤(pán)安裝在小軸上，本體安裝在聯(lián)軸器端蓋上。安裝時(shí)要保證碼盤(pán)與本體之間的距離，即保證好小軸端面到聯(lián)軸器端蓋之間的距離（圖3尺寸E）。而為了使碼盤(pán)和小軸與電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，在聯(lián)軸器端蓋內(nèi)部固定了2個(gè)尺寸型號(hào)完全相同的軸承。針對(duì)該結(jié)構(gòu)，本文進(jìn)行了尺寸鏈校核。

圖3 編碼器安裝位置的尺寸鏈?zhǔn)疽鈭D

A、B、C、D、F分別代表各個(gè)零件的尺寸，它們構(gòu)成一個(gè)閉合的尺寸鏈（A+B+C+D+E=F）。但實(shí)際生產(chǎn)中，A、B、C、D、F對(duì)應(yīng)的零件都存在加工公差，裝配后累計(jì)誤差較大，無(wú)法保證尺寸E的精度，會(huì)增加編碼器信號(hào)出錯(cuò)的可能性。

為了優(yōu)化編碼器安裝精度，減小零件軸向累計(jì)誤差帶來(lái)的影響，本文將2個(gè)相同尺寸的軸承替換為內(nèi)徑相同、外徑不同的軸承，通過(guò)端蓋凸臺(tái)定位。這樣既減少了裝配的累計(jì)誤差，又減少了零件墊片。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸鏈校核如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后編碼器安裝位置的尺寸鏈?zhǔn)疽鈭D

a、d、F分別代表各個(gè)零件的尺寸，它們構(gòu)成的閉合尺寸鏈，較之前的方案少了2個(gè)尺寸（B、C）。這樣在相同的工藝水平下，累計(jì)誤差小，更好的保證了尺寸E的精度，提高了編碼器安裝的可靠性。

2.2 編碼器組件溫度場(chǎng)分析

為了降低編碼器溫升，本文首先分析影響編碼器溫升的熱源。如圖5所示，影響編碼器溫升的熱源共有4處，①電機(jī)轉(zhuǎn)軸的熱量，通過(guò)連接結(jié)構(gòu)和小軸向編碼器傳導(dǎo)；②電機(jī)半總成末端的熱量，通過(guò)聯(lián)軸器端蓋向編碼器傳導(dǎo)；③編碼器組件中軸承摩擦發(fā)熱，通過(guò)聯(lián)軸器端蓋向編碼器傳導(dǎo)；④編碼器自身發(fā)熱。

圖5 影響編碼器的熱源分布示意圖

其中熱源①受非直連結(jié)構(gòu)的影響，電機(jī)轉(zhuǎn)軸與編碼器組件小軸間有塑料連接件，該零件已較好的隔絕了轉(zhuǎn)軸熱量向小軸和編碼器的傳遞，因此熱源①本文不再考慮。下面將主要針對(duì)熱源②③④進(jìn)行詳細(xì)分析和改善。

首先考慮編碼器自身發(fā)熱（熱源④），該熱量無(wú)法被隔絕和減小，因此先準(zhǔn)確測(cè)量編碼器自身的發(fā)熱量。實(shí)驗(yàn)方法是只接通編碼器的5 V電源，使編碼器芯片發(fā)熱，此時(shí)無(wú)其他發(fā)熱和傳熱對(duì)編碼器產(chǎn)生影響，編碼器芯片穩(wěn)定后的溫升即為編碼器芯片發(fā)熱量約11.5 K。

其次評(píng)估編碼器組件中軸承摩擦發(fā)熱（熱源③）。將編碼器組件置于對(duì)拖臺(tái)上，在編碼器芯片發(fā)熱穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，接通對(duì)拖電機(jī)的電源，對(duì)拖電機(jī)拖動(dòng)編碼器組件轉(zhuǎn)動(dòng)，使編碼器組件中軸承發(fā)熱。再將編碼器組件由1 000 rpm逐漸增加至6 000 rpm，監(jiān)控每增加1 000 rpm后，編碼器組件中軸承和芯片穩(wěn)定時(shí)的溫升變化（見(jiàn)圖6）。

圖6 軸承發(fā)熱溫升及對(duì)編碼器的溫升影響

觀察發(fā)現(xiàn)，該編碼器組件轉(zhuǎn)速每增加1 000 rpm，軸承溫升增加近8.5 K，熱量傳導(dǎo)至編碼器芯片，芯片溫升增加7 K，而轉(zhuǎn)速5 000 rpm時(shí)，編碼器芯片溫升達(dá)到48.5 K。說(shuō)明此時(shí)的軸承發(fā)熱對(duì)編碼器溫升影響很大。

為了改善該情況，本文分析了組件中軸承的選型。如圖4所示，組件由一個(gè)外徑大、密封性良好的接觸型軸承和一個(gè)外徑小、密封性較好非接觸型軸承組成，兩者的摩擦扭矩值為3.41 mNm。軸承密封性越好，油脂揮發(fā)性越小，對(duì)編碼器的信號(hào)影響越小，但是密封性好也會(huì)導(dǎo)致軸承的摩擦扭矩變大，致使編碼器溫升過(guò)高。

為了平衡軸承密封性與摩擦扭矩對(duì)編碼器的影響，本文將距離編碼器較遠(yuǎn)的大軸承替換為密封性稍差、但摩擦力小的非接觸型軸承，而距離編碼器近的小軸承仍舊以密封性好為主，測(cè)試兩者的摩擦力矩為1.6 mNm。

最后分析電機(jī)半總成末端熱量（熱源②）對(duì)編碼器的影響，本文通過(guò)優(yōu)化聯(lián)軸器端蓋結(jié)構(gòu)改善熱量傳導(dǎo)。

2.3 編碼器組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

傳統(tǒng)的聯(lián)軸器端蓋通常為鋁材質(zhì)，電機(jī)半總成末端的熱量，易通過(guò)金屬的聯(lián)軸器端蓋傳遞給編碼器，聯(lián)軸器端蓋內(nèi)的軸承摩擦生熱，易通過(guò)金屬的聯(lián)軸器端蓋傳導(dǎo)至編碼器。為解決這兩種熱源對(duì)編碼器溫度的影響，本文將一體式全鋁的聯(lián)軸器端蓋，改為內(nèi)、外圈兩部分結(jié)構(gòu)（圖7）。內(nèi)圈為軸承室鋁圈，用于安裝軸承，外圈為塑料聯(lián)軸器端蓋，用于隔絕電機(jī)半總成末端傳遞過(guò)來(lái)的熱量。

圖7 聯(lián)軸器端蓋的內(nèi)外圈示意圖

聯(lián)軸器端蓋內(nèi)圈為鋁圈，既保證了軸承室的加工精度、軸承的安裝精度，又保證了編碼器通過(guò)螺釘鎖緊至聯(lián)軸器端蓋的強(qiáng)度。而外圈采用導(dǎo)熱系數(shù)小的塑料材質(zhì)，有效隔絕了熱量向編碼器的傳遞。編碼器組件優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的編碼器組件示意圖

通過(guò)編碼器組件的熱源分析、軸承修改、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，再次采用與前文相同的溫升實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)試編碼器組件的軸承和編碼器溫升。

觀察圖9發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的編碼器組件，轉(zhuǎn)速每增加1 000 rpm，軸承溫升增加約3.6 K，轉(zhuǎn)速5 000 rpm時(shí)，編碼器芯片溫升僅23.3 K。說(shuō)明優(yōu)化后的編碼器組件結(jié)構(gòu)，可以有效降低編碼器溫升，并且電機(jī)通過(guò)長(zhǎng)期壽命實(shí)驗(yàn)觀察，替換后的軸承對(duì)編碼器的長(zhǎng)期可靠使用無(wú)影響。

圖9 軸承發(fā)熱溫升及對(duì)編碼器的溫升影響

2.4 編碼器組件仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證編碼器組件溫升測(cè)試的合理性，和組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的溫度分布，本文采用有限元穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)Steady-State Thermal對(duì)編碼器組件進(jìn)行了溫升仿真。

首先簡(jiǎn)化編碼器模型，以圓環(huán)代替發(fā)熱芯片，逐漸增加編碼器芯片發(fā)熱功率，觀察編碼器溫升變化，直到編碼器的仿真溫度與測(cè)試溫度11.5 K一致，此時(shí)的編碼器芯片損耗0.18 W即為仿真中的芯片加載損耗。然后測(cè)試編碼器組件轉(zhuǎn)速1 rpm、空載下的摩擦轉(zhuǎn)矩1.6 mN.m，再依據(jù)摩擦損耗計(jì)算公式，計(jì)算任意轉(zhuǎn)速下的軸承摩擦損耗（表1）。

表1 不同轉(zhuǎn)速下的軸承摩擦損耗

基于上述模型簡(jiǎn)化、條件假設(shè)、加載條件計(jì)算等，選取兩個(gè)轉(zhuǎn)速下的溫升仿真結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 1 000 rpm下的編碼器組件溫升仿真示意圖

圖11 5 000 rpm下的編碼器組件溫升仿真示意圖

仿真結(jié)果與測(cè)試溫升相近，編碼器芯片仿真誤差小于5 %。軸承溫升隨轉(zhuǎn)速成正比例增長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速每增加1 000 rpm，軸承仿真溫升增加4 K，與測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)速每增加1 000 rpm，軸承溫升增加3.6 K相比，仿真結(jié)果溫升偏高。猜測(cè)是由于軸承滾珠模型簡(jiǎn)化增加軸承傳熱面積、軸承缺少防塵蓋增加熱傳導(dǎo)等原因，但測(cè)試結(jié)果與仿真誤差小于10 %，認(rèn)為仿真合理。

3 總結(jié)

本文首先分析了編碼器組件的零件組成和影響編碼器溫升的熱源分布，然后通過(guò)尺寸鏈校核提高了編碼器安裝精度；通過(guò)溫升實(shí)驗(yàn)量化分析了編碼器受熱源的影響；通過(guò)聯(lián)軸器端蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低了電機(jī)定、轉(zhuǎn)子溫升向編碼器的傳遞；通過(guò)Steady-State Thermal仿真分析驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的合理性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效性。編碼器組件新方案在5 000 rpm轉(zhuǎn)速下，較原來(lái)的方案摩擦扭矩降低1.81 mNm，編碼器溫升降低25 K。