精密轉(zhuǎn)矩電機定位平臺原理及應(yīng)用
近年來，隨著機械設(shè)備、工具機等向更高速、更精密、更可靠的方向發(fā)展，采用直接驅(qū)動(Direct-driven)電機的成功案例有越來越多的應(yīng)用趨勢，尤其是國外一些電子、半導體、面板、甚至太陽能行業(yè)的加工設(shè)備，都已經(jīng)開始大量采用直接驅(qū)動電機作為其主要傳動單元。國內(nèi)的一些激光加工設(shè)備、半導體、PCB廠商經(jīng)過金融危機的洗禮，也正在朝此方向大步邁進。
直接驅(qū)動電機主要分為：線性電機(LM:LinearMotor)與轉(zhuǎn)矩電機(TM:TorqueMotor)。在此主要介紹HIWIN轉(zhuǎn)矩電機定位平臺(TMS:TorqueMotorStage)的技術(shù)原理及應(yīng)用。
特色與優(yōu)點
轉(zhuǎn)矩電機定位平臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，它采用直接驅(qū)動的方式，沒有減速齒輪。
與傳統(tǒng)結(jié)合旋轉(zhuǎn)伺服電機與減速齒輪的平臺比較，轉(zhuǎn)矩電機定位平臺的技術(shù)特點和優(yōu)勢包括：
體積小，安裝容易；
較少磨耗與發(fā)塵，可靠性、效率與壽命提高；
減少中間減速齒輪旋轉(zhuǎn)質(zhì)量與齒輪背隙，定位反應(yīng)快，重復(fù)定位精度與定位精度高；
也因免除了減速齒輪，整體平臺散熱均勻，且結(jié)構(gòu)熱膨脹旋轉(zhuǎn)對稱，可得較穩(wěn)定的定位精度。且可加裝水冷裝置，使系統(tǒng)在大扭力高負載下，溫度更加穩(wěn)定，精度表現(xiàn)更加出色。
圖1HIWIN轉(zhuǎn)距電機與傳統(tǒng)伺服電機加齒輪箱的比較
應(yīng)用領(lǐng)域
HIWIN-TMS轉(zhuǎn)矩電機的主要應(yīng)用領(lǐng)域包含半導體與面板設(shè)備、工具機、工業(yè)自動設(shè)備與航天與國防等。典型半導體與面板設(shè)備的應(yīng)用包含快速的工件檢測與分類、晶圓與面板的傳輸定位等。如圖2所示，一客戶結(jié)合本公司線性電機定位平臺(水平軸)、螺桿定位模塊(垂直軸)與轉(zhuǎn)矩電機，集成為一款快速晶圓取放機械手臂，與傳統(tǒng)取放平臺比較，這類非傳統(tǒng)、低成本的機械手臂不但定位精度提升，且產(chǎn)出提高2倍以上。
圖2HIWIN精密轉(zhuǎn)矩電機平臺的應(yīng)用
此外，在工具機應(yīng)用中主要有三大類：A/C軸旋轉(zhuǎn)定位、五軸加工機旋轉(zhuǎn)加工頭與快速刀具轉(zhuǎn)換模塊。早期工業(yè)自動化使用轉(zhuǎn)矩電機的是產(chǎn)業(yè)機器人、近期興起的則是電動汽車的使用。轉(zhuǎn)矩電機于國防的應(yīng)用如載具的控制與模擬訓練，在航天上的應(yīng)用如天文望眼鏡的控制等等。另外值得一提的是，近期轉(zhuǎn)矩電機的應(yīng)用是家電洗衣機滾筒的驅(qū)動與居家電梯的驅(qū)動等領(lǐng)域。
動作原理、種類與主要構(gòu)成
由于沒有用減速齒輪，為了達到一定的輸出扭矩，轉(zhuǎn)矩電機采用較一般旋轉(zhuǎn)伺服電機更多磁極的高扭矩輸出電機，例如HIWIN-轉(zhuǎn)矩電機就是采用了多級3相永磁馬達，其優(yōu)點主要表現(xiàn)在：
高扭矩容積比
高效率，發(fā)熱量低
可搭配市面伺服馬達驅(qū)動器，系統(tǒng)整合限制低
圖3精密轉(zhuǎn)矩電機的結(jié)構(gòu)
圖3為HIWIN-轉(zhuǎn)矩電機系列定位平臺構(gòu)成剖面圖，其主要構(gòu)成組件有：軸承、中空旋轉(zhuǎn)主軸、永磁動子、線圈定子與位置編碼器。其中位置編碼器是影響轉(zhuǎn)矩電機定位性能的關(guān)鍵組件之一。其常用的兩種位置編碼器包括：光學式(opticaltype)與分解器式(resolvertype)，光學式分辨率較高，但是單價高，而分解器成本低，且可在惡劣環(huán)境操作。
轉(zhuǎn)矩電機定位平臺選用
圖4為轉(zhuǎn)矩電機定位平臺的電控配置布局圖例，圖中轉(zhuǎn)矩電機平臺采HIWIN-轉(zhuǎn)矩電機系列平臺，電機驅(qū)動使用美商COPLEYXENUS型驅(qū)動器。
圖4HIWIN轉(zhuǎn)矩電機達平臺系統(tǒng)
轉(zhuǎn)矩電機定位平臺的選用與傳統(tǒng)伺服電機的選用步驟類似，具體如下：
第一步：確認需求的最大轉(zhuǎn)速與負荷旋轉(zhuǎn)貫量沒超過額定值；
第二步：確認需求的定位分辨率與重現(xiàn)度沒超過額定值；
第三步：依據(jù)應(yīng)用的運動速度曲線圖(MotionProfile)計算等效扭矩；
第四步：確認所求等效扭矩小于額定馬達連續(xù)扭矩；
第五步：確認應(yīng)用煞車時是否需要回升電阻。
結(jié)論
本文介紹了轉(zhuǎn)矩電機定位平臺的特色與應(yīng)用、動作原理、種類結(jié)構(gòu)與選用步驟，希望能對國內(nèi)廣大的機械、電氣設(shè)計工程師設(shè)計設(shè)備時提供一條新思路，在未來機械設(shè)備高精度、高速度、潔凈環(huán)保的高要求下，提升自身設(shè)備的附加值，提升市場競爭力。天津隆創(chuàng)日盛公司將在大銀HIWIN集團的帶領(lǐng)下，全力為國內(nèi)廣大設(shè)備生產(chǎn)廠商提供更高性價比的產(chǎn)品、更加優(yōu)質(zhì)周到的服務(wù)。
