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精密转矩电机定位平台原理及应用

摘要:早期工业自动化使用TMS的是产业机器人、近期兴起的则是电动汽车的使用。TMS于国防的应用如载具的控制与模拟训练,在航天上应用如天文望眼镜的控制。另外值得一提近期TM的应用是家电洗衣机滚筒的驱动与居家电梯的驱动。

1,前言

近年来,随着机械设备、工具机等向更高速、更精密、更可靠的方向发展,采用直接驱动(direct-driven)电机­的成功案例有越来越多的趋势,尤其国外一些电子、半导体、面板、甚至太阳能行业的加工设备都已经大量采用直接驱动电机作为其主要传动单元,国内的一些激光加工设备、半导体、PCB厂商经过金融危机的洗礼也正在朝此方向大步迈进。直接驱动电机主要分线性电机(LM: Linear Motor)与转矩电机(TM: Torque Motor)。在此主要介绍HIWIN 转矩电机定位平台(TMS: Torque Motor Stage)的技术原理及应用。
2,特色与优点
与传统结合旋转伺服电机与减速齿轮的平台比较:
如图1,直接驱动,没有减速齿轮
             
                  图1 HIWIN转距电机与传统伺服电机加齿轮箱的比较
TMS的优点有:
      体积小,安装容易;
      较少磨耗与发尘,可靠性、效率与寿命提高;
      减少中间减速齿轮旋转质量与齿轮背隙,定位反应快,重复定位精度与定位精度高;
      也因免除了减速齿轮,整体平台散热均匀,且结构热膨胀旋转对称,可得较稳定的定位精度。且可加装水冷装置,使系统在大扭力高负载下,温度更加稳定,精度表现更加出色。
3,应用领域
HIWIN-TMS转矩电机的主要应用领域包含半导体与面板设备、工具机、工业自动设备与航天与国防。典型半导体与面板设备的应用包含快速的工件检测与分类,晶圆与面板的传输定位等。如图2所示,一客户结合本公司线性电机定位平台(水平轴)、螺杆定位模块(垂直轴)与TMS成一快速晶圆取放机械手臂,与传统取放平台比较,这非传统、低成本机械手臂不但定位精度提升,且产出提高2倍以上。
                   

 

                               图2 HIWIN精密转矩电机平台的应用
主要工具机应用有三项:A/C轴旋转定位、五轴加工机旋转加工头与快速刀具转换模块。早期工业自动化使用TMS的是产业机器人、近期兴起的则是电动汽车的使用。TMS于国防的应用如载具的控制与模拟训练,在航天上应用如天文望眼镜的控制。另外值得一提近期TM的应用是家电洗衣机滚筒的驱动与居家电梯的驱动。
4,动作原理、种类与主要构成
由于没用减速齿轮,为达到相当输出扭矩,TMS采用较一般旋转伺服电机更多磁极的高扭矩输出电机,HIWIN-TMS采用多级3相永磁马达。其优点主要表现在:
      高扭矩容积比
      高效率,发热量低
      可搭配市面伺服马达驱动器,系统整合限制低
图3为大银TMS系列定位平台构成剖面图,其主要构成组件为:轴承、中空旋转主轴、永磁动子、线圈定子与位置编码器。其中位置编码器是以影响TMS定位性能的关键组件之一。常用两种位置编码器:光学式 (optical type)与分解器式 (resolver type)。光学式分辨率较高,但是单价高,而分解器成本低,且可在恶劣环境操作。
             
                                    图3 精密转矩电机的结构
5,转矩电机定位平台选用
图4为转矩电机定位平台的一电控配置布局例,图中转矩电机平台采大银TMS系列平台,电机驱动使用美商COPLEY XENUS 型驱动器。
                                
                                              图4 HIWIN转矩电机达平台系统
转矩电机定位平台选用与传统伺服电机选用步骤类似如下:
第一步:确认需求的最大转速与负荷旋转贯量没超过额定值
第二步:确认需求的定位分辨率与重现度没超过额定值
第三步:依据应用的运动速度曲线图(Motion Profile)计算等效扭矩
第四步:确认所求等效扭矩小于额定马达连续扭矩
第五步:确认应用煞车时是否需要回升电阻
6,结论

以上本文简介转矩电机定位平台的特色与应用、动作原理、种类结构与选用步骤,希望能对国内广大的机械、电气设计工程师设计设备时提供一条新思路,在未来机械设备高精度、高速度、洁净环保的高要求下,提升自身设备的附加值,提升市场竞争力。

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