伺服驅(qū)動器熱仿真分析方法研究

尚斌，莫冰，王春川，2，楊劍鋒，2，李小兵，2，3，劉文威 ，2，3

（1．工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370；2．廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術重點實驗室，廣東 廣州 511370；3．電子信息產(chǎn)品可靠性分析與測試技術國家地方聯(lián)合工程中心，廣東 廣州，511370）

0 引言

伺服驅(qū)動器（servo drives）又被稱為“伺服控制器”“伺服放大器”，是伺服系統(tǒng)的核心組成部分，是現(xiàn)代運動控制中必不可少的部件，被廣泛地應用于諸如工業(yè)機器人、數(shù)控機床等自動化設備中。一般是通過位置、速度和力矩3種方式對伺服電機進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，是傳動技術的高端產(chǎn)品[1]。

作為機器人的核心部件，伺服驅(qū)動器通過接收到通信信號控制輸出端旋轉(zhuǎn)角度，為機器人的每個關節(jié)產(chǎn)生比較精準的輸出力矩，實現(xiàn)精準的運動控制。隨著電子產(chǎn)品朝著高集成度、高密度和高功率方向發(fā)展，機器人用伺服驅(qū)動器也逐漸地朝著小型化、高精度、高穩(wěn)定性、大輸出力矩和高可靠方向發(fā)展[2]。作為電子產(chǎn)品的典型代表，由于技術密集度和功能復合度越來越高，由此帶來的不確定性因素增多，可靠性問題愈發(fā)突出，其中因為發(fā)熱、散熱引起的可靠性問題是關注的焦點[3-4]?；诖耍紫?，針對機器人伺服驅(qū)動器熱問題，提出了基于數(shù)字仿真的分析優(yōu)化方法；然后，識別出了產(chǎn)品熱設計的薄弱環(huán)節(jié)，并提出了改進建議，用于指導產(chǎn)品的設計改進；最后，通過試驗的方式驗證了仿真結(jié)果的有效性。

1 分析流程

通過仿真的方式，利用數(shù)字樣機模型對伺服驅(qū)動器進行熱仿真，仿真工具選擇Ansys Icepak 17.0。仿真分析流程分為5個階段：分析準備階段、建模階段、分析前處理、求解和分析后處理[5]。其中，分析準備階段的工作內(nèi)容包括建立伺服驅(qū)動器的數(shù)學物理模型和確定分析類型；建模階段的工作內(nèi)容為建立伺服驅(qū)動器的數(shù)字樣機，分析前處理階段的工作內(nèi)容包括定義單元類型、定義材料屬性、劃分網(wǎng)格和定義邊界條件；求解階段的工作內(nèi)容為利用ANSYS公司自帶的求解器進行求解；分析后處理階段的工作內(nèi)容包括后處理數(shù)據(jù)輸出和熱設計合格與否的判斷[6]。若仿真結(jié)果顯示熱設計不滿足散熱要求，則需要對伺服驅(qū)動器的熱設計進行修改與優(yōu)化，反復修改熱設計，直到熱設計滿足要求為止，分析流程如圖1所示。

圖1 伺服驅(qū)動器熱仿真分析流程

2 熱分析與計算

2.1 數(shù)字樣機建模

選取某型號機器人用伺服驅(qū)動器，物理樣機如圖2所示，根據(jù)物理樣機建立伺服驅(qū)動器簡化后的數(shù)字樣機，如圖3所示。

圖2 IS620NS2R81型伺服驅(qū)動器物理樣機

圖3 伺服驅(qū)動器數(shù)字樣機

伺服驅(qū)動器分解如圖4所示。仿真模型采用簡化模型，主要針對驅(qū)動器內(nèi)部溫度大小與分布情況和散熱能力進行分析研究，而非進行元器件和印制電路板級的熱仿真分析。分析模型將伺服驅(qū)動器中體積較小且發(fā)熱量可以忽略不計的電子元器件進行了刪除，對于分析模型中的電子元器件則采用規(guī)則幾何體進行等效模擬[7]。

圖4 伺服驅(qū)動器分解圖

2.2 條件設置

伺服驅(qū)動器的熱仿真模型包括體單元和殼單元，其中體單元由六面體單元和四面體單元構(gòu)成，殼單元由四邊形單元和三角形單元構(gòu)成。熱仿真模型中結(jié)構(gòu)件和元器件的參數(shù)材料根據(jù)實際的物理樣機進行選擇，其中驅(qū)動器的主體支架材料為鋁合金，印制電路板材料為FR-4，電容材料為陶瓷，其他元器件材料設置為導熱塑料。

熱仿真模型的網(wǎng)格劃分方法為六面體占優(yōu)法，該方法的單元類型為六面體和四面體。為了降低網(wǎng)格數(shù)量，采用多級網(wǎng)格進行劃分，模型中單元總數(shù)為2 387 457，節(jié)點數(shù)為2 463 803，伺服驅(qū)動器的有限元模型和網(wǎng)格切面如圖5-6所示。為了使模型的網(wǎng)格質(zhì)量滿足分析精度要求，對網(wǎng)格品質(zhì)進行檢查，檢查結(jié)果如表1和圖7-9所示。

表1 網(wǎng)格質(zhì)量檢查

圖5 伺服驅(qū)動器有限元模型

圖6 模型網(wǎng)格X-Y平面切片圖

圖7 面對齊率

圖8 格體積值

圖9 網(wǎng)格偏斜度

為了使仿真結(jié)果與真實情況更相符，元器件與印制電路板之間，以及印制電路板與主體支架之間的連接均設置有熱阻，具體方法為采用Icepak中的plate板來填充連接間隙并充當連接熱阻，通過設置不同的阻值來模擬不同的連接件[8]。該方法可以避免間隙過小而致使網(wǎng)格單元數(shù)量過大的不足，同時也可以較好地模擬實際情況。

分析模型中采用plate板模擬發(fā)熱芯片，并設置不同的發(fā)熱功率，共26處，利用Source熱源模擬散熱板上的熱源，共3處，環(huán)境溫度設置為27 ℃。采用并行計算方法進行求解，重力方向設置與試驗測試方向相同，大小為9.8 m/s2。計算過程中流體狀態(tài)通過計算雷諾數(shù)和貝克萊特樹，判定為紊流。計算迭代次數(shù)設置為80次，每隔兩個計算點顯示一次計算數(shù)據(jù)，并設置有3個溫度監(jiān)控點。

2.3 結(jié)果分析

計算過程中各個變量方程的殘差，其中Continuity的殘差為0.000 2，小于最低標準值0.001；能量方程的殘差為6e-9，遠小于最低標準值1e-7的要求。當?shù)螖?shù)高于70次時，3個監(jiān)控點的溫度穩(wěn)定，計算收斂。

熱分析結(jié)果如圖10所示，該圖為分析結(jié)果的云圖顯示。對分析云圖進行切面化顯示，得到圖11所示的分析結(jié)果，圖中正方形框為計算區(qū)域，區(qū)域內(nèi)溫度顯示為27 ℃，分析模型中伺服驅(qū)動器內(nèi)部的最高溫度為46.6 ℃。

圖10 溫度云圖

圖11 溫度切面

對伺服驅(qū)動器進行氣流速度矢量的顯示，如圖12所示。由該圖可以知道空氣在伺服驅(qū)動器內(nèi)腔中的流動情況，通過氣體速度矢量圖可以判斷模型中氣流的走向，發(fā)現(xiàn)氣流短路現(xiàn)象、渦流區(qū)域，改進系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)，增加導流板等，有效地破壞氣流短路和渦流區(qū)域，改善氣流的組織形式，從而降低器件溫度。圖中顯示，中間結(jié)構(gòu)部分（①）阻礙了氣體的流動，同時左下部分的散熱片（②）的結(jié)構(gòu)和大小需要優(yōu)化設計，以增大氣體流速，提高交換熱量。

圖12 氣流速度矢量

3 溫度試驗

對伺服驅(qū)動器樣機采用紅外成像儀進行溫度測試，測試其熱點情況及熱分布升溫情況，試驗條件如表2所示。

表2 試驗條件

伺服驅(qū)動器安放在強化試驗系統(tǒng)中的位置如圖13所示。試驗箱溫度設為27 ℃，溫度測試結(jié)果如圖14所示。由圖14可知，對伺服驅(qū)動器的不同部位進行溫度測試時，會得到不同的測試結(jié)果。最高溫度出現(xiàn)在伺服驅(qū)動器的頂部，達到46.1 ℃。

圖13 伺服驅(qū)動器測試現(xiàn)場

圖14 伺服驅(qū)動器紅外成像結(jié)果

通過對比伺服驅(qū)動器的熱仿真和溫度測試結(jié)果可知，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果之間的誤差較小，仿真結(jié)果可以較為準確地顯示伺服驅(qū)動器內(nèi)部溫度場的分布情況和空氣的流動情況，從而指導伺服驅(qū)動器的熱設計與優(yōu)化。

通過對伺服驅(qū)動器進行熱仿真與溫度試驗研究，可以得到優(yōu)化伺服驅(qū)動器散熱能力的措施，具體如下：

1）伺服驅(qū)動器的主體支架中間結(jié)構(gòu)部分阻礙了空氣的流動，可以增加通孔數(shù)量和修改孔徑大小來增強空氣的流動；

2）伺服驅(qū)動器中散熱片的結(jié)構(gòu)和大小需要重新進行優(yōu)化設計，以增大氣體流速，提高熱交換量。

4 結(jié)束語

首先，針對機器人伺服驅(qū)動器熱設計優(yōu)化需求，采用仿真和試驗相結(jié)合的方式對其散熱能力進行研究分析，給出了熱仿真分析流程；然后，用數(shù)字樣機模型進行熱分析，識別了熱設計的不足之處，并給出了改進建議；最后，利用溫度試驗結(jié)果，對仿真結(jié)果進行驗證。對比結(jié)果表明，兩者結(jié)果接近，通過仿真的方式可以有效地分析伺服驅(qū)動器內(nèi)部溫度場的分布情況和空氣的流動情況，從而指導伺服驅(qū)動器的熱設計與優(yōu)化。