粗枝大叶篇
事先申明:我的选型方法属于简单实用,但不精准。精准需要具体问题具体分析,经过计算才能给出结果。
电机粗浅地分为两大类,动力电机和控制电机。
动力电机,以动力转换为目的,例如普通的交流异步电机,把电能转换为机械能,一般采用简单的电气电路就可以控制启动和停止。
控制电机,除了承担能量和动力转换外,更重要的是准确地控制速度和精度,它必须配套使用驱动器或者放大器,通过控制信号(脉冲、模拟量电压、总线数据)进行控制和调节,例如步进电机和伺服电机。控制电机是自动化控制的核心元件,尤其伺服电机和步进电机是3C行业广泛大量使用的产品,如果不聊伺服电机,同行工程师之间都不好意思打招呼。
动力电机 控制电机
什么是选型?选型就是选择且确定产品的型号。我们常常说的方案是在产品选型基础上,对产品性能充分掌握后,把众多产品进行有机的组合,进而完成一个具有多个技术指标要求的完整项目。所以方案属于宏观——整体,选型属于微观——细节。
控制电机选型分为三步,功率、速度、精度。
功率/力矩(两者相通)
首先必须保证电机带得动负载,如果带不动,一切都为零。电机功率与电机的尺寸大小是正比关系——胖子力大,看日本相扑运动员即知。大功率电机必然对应大尺寸和大体积。如果电机体积小,功率指标却很大,则一定有某些使用方面的限制,例如温升。
功率必须保证有一定余量,既要满足匀速运行阶段也要满足加减速阶段。加减速阶段要比匀速阶段的力矩大几倍,以保证提供足够的力矩产生加速度。匀速运行时,尽管电机的速度可以很高,但是由于只需要维持匀速运动,所需力矩往往非常小。
误区:认为电机加速和减速所需要的时间相等。真实情况是减速耗时总是比加速耗时长,原因很好理解,运动的能量只能由驱动器完全消耗完,电机才能彻底停下来。
直线运动场合:功率=力×速度(单位:W=N×m/s)
旋转运动场合:功率=力矩×转速÷10(单位:W=N.m×rpm)
产品样机阶段务必多预留一些功率的余量。功率小了,设计时电机安装尺寸就小,如果需要更换大功率电机时,由于安装空间不够,导致无法安装,有时候机械的强度也不够。从成本角度看,选大功率电机额外增加的成本总是比较小的。
速度
速度分为工艺速度和电机速度,两者之间有一一对应关系,且匹配必须合适。
工艺速度往往是如下表述:每分钟多少米放料速度;8秒钟一个生产周期;1小时生产36000瓶啤酒等等。
电机速度分为静态精度和动态精度(后续再详讲)
以点胶机为例,完成正方形的点胶,它的边长100mm,机械结构X-Y平台,电机+丝杆,丝杆螺距20mm。工艺速度是要求4秒钟完成点胶。
4段边长,每段边长之间需要0.1s的暂停时间,则实际用于点胶的时间:4-0.1×4=3.6s;每段边用于点胶的时间:3.6÷4=0.9s
点胶平均线速度:0.1÷0.9=0.11m/s
电机转速:0.11÷0.02=5.5rps=333rpm
关于速度,由于国情和客户的疯狂追求,肯定要求最快,甚至要求天马行空的速度。针对此,一定要先了解行业已有的速度,以这个速度为基准,凡是超出这个基准很多的指标就不具有可行性,属于一厢情愿的自以为是。因为行业现行速度总是由工艺、材料、整个设备的机械设计共同决定了,强行提高某一个技术指标,往往其它方面就会拖后腿。例如速度提高了,整个设备运行时产生巨大的震动和噪音,设备运行的寿命也缩短了。
举例说明行业已有的速度:印刷速度范围是60~100m/min,机床空回速度1m/s,3C行业加工速度是以秒作为计时基准。
精度 精度分为工艺精度和电机精度,两者之间有一一对应关系,且匹配必须合适。 工艺精度往往是如下表述:切割精度是多少?轨迹精度是多少?同步精度是多少? 电机精度分为静态精度和动态精度(后续再详讲)。 盲目的追求更高精度是不智的,花钱无数,收益却很少,甚至适得其反。有时候精度似乎提高的不多,实现起来成本却很高,有时候是不可承受的成本,甚至原有整个方案都需要推倒重来。 以多色印刷为例,套印精度±0.05mm,通过机械换算,可以算出0.05mm对应的电机精度——电机编码器的精度,即电机旋转一圈对应编码器的线数。 关于速度和精度,两者一定是矛盾的,速度快了精度就差,速度慢了精度就高,因此需要兼顾考虑成本/性能(投入/产出),找到两者的最佳平衡点。解决速度和精度之间的矛盾时,我们宁可牺牲速度,也要保证精度,速度不够导致的生产效率低下,可以采用多购置设备来解决。 选型除了理论分析和计算,更为重要的是必须积累大量的现场实际数据,融合贯通永远不能离开实际应用。活生生的现场比抽象的数据令人印象深刻,一次街头打架比武馆练拳三年更能行走江湖!
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