步進電機減速機的原理與結(jié)構(gòu)

步進電機減速機

減速機的作用

減速機的作用與電機的發(fā)展密切相關(guān)。最初，當(dāng)交流電機是一種簡單的旋轉(zhuǎn)設(shè)備時，減速機主要用于改變電機速度和作為扭矩放大器。隨著包含速度控制功能的電機的引入，減速機的主要作用是放大扭矩。

但隨著步進電機被廣泛接受以滿足速度和位置控制的要求，減速機找到了新的用途，包括扭矩的放大、允許的慣量的改進和電機振動的減少。此外，與交流電機的傳統(tǒng)齒輪箱不同，電機的精確定位能力產(chǎn)生了對高精度、無背隙齒輪箱的需求。

Oriental Motor 緊跟這些趨勢，一直在開發(fā)具有最佳特性的特定齒輪箱，以保持所使用的電動機的特性。交流電機用減速機的設(shè)計重點是高容許扭矩、長壽命、低噪音和廣泛的齒輪比，可作為動力源連續(xù)使用。

相比之下，步進電機的齒輪頭專為高精度定位而設(shè)計，其中高精度、高允許扭矩和高速運行很重要。以下部分詳細介紹了這些齒輪箱。

步進電機齒輪

由于步進電機和其他控制電機旨在實現(xiàn)精確定位，因此用于這些電機的齒輪箱必須提供相同水平的精度。因此，Oriental Motor 開發(fā)了一種機制，可最大限度地減少與步進電機一起使用的齒輪的齒隙，以確保低齒隙特性。

一般來說，步進電機的輸出扭矩比相同機座尺寸的交流電機大。因此，步進電機的設(shè)計旨在適應(yīng)高扭矩和高速，以免削弱電機的特性。

下面介紹典型控制電機齒輪的基本原理和結(jié)構(gòu)。

TH(錐形滾齒)齒輪

◇ 原理與結(jié)構(gòu)

正齒輪減速機構(gòu)末級和嚙合齒輪采用圓錐齒輪。錐形齒輪是通過向軸移動的連續(xù)輪廓制成的。

如下圖所示，沿箭頭方向調(diào)整錐齒輪，以減少齒隙。

行星 (PN) 齒輪

◇ 原理與結(jié)構(gòu)

行星齒輪機構(gòu)主要由太陽輪、行星齒輪和內(nèi)齒齒輪組成。太陽齒輪安裝在中心軸上(在單級類型中，這是電機軸)，行星齒輪包圍在以中心軸為中心的內(nèi)齒齒輪中。行星齒輪的旋轉(zhuǎn)通過托架轉(zhuǎn)化為輸出軸的旋轉(zhuǎn)。

PN齒輪采用行星齒輪減速機構(gòu)。PN 齒輪通過提高其組件的精度和消隙機構(gòu)實現(xiàn)指定的三弧分齒隙。該機構(gòu)由上下兩組內(nèi)輪齒沿圓周方向扭轉(zhuǎn)的內(nèi)齒輪和行星齒輪組成。上部內(nèi)齒輪和行星齒輪減少順時針側(cè)隙;較低的內(nèi)齒輪和行星齒輪減少逆時針齒隙。

◇ 高容許扭矩

在傳統(tǒng)的正齒輪減速機構(gòu)中，齒輪一對一地嚙合，因此扭矩的大小受到每個單個齒輪強度的限制。另一方面，在行星齒輪減速機構(gòu)中，由于通過多個行星齒輪分散分配扭矩，因此能夠傳遞更大的扭矩。

行星齒輪減速機構(gòu)中各齒輪所施加的力矩由下式得到：

分散系數(shù)表示扭矩在各個行星齒輪之間的分散程度。系數(shù)越小，扭矩分布越均勻，可傳遞的扭矩量越大。為了均勻分配傳遞的扭矩，每個部件都必須準(zhǔn)確定位。

◇ 齒輪特性

扭轉(zhuǎn)剛性

PN 齒輪的輸出軸上施加負載時，齒輪的彈簧特性會產(chǎn)生位移(扭轉(zhuǎn))。下圖顯示了通過在向前和向后方向上逐漸增加和減少輸出軸上的負載來測量扭轉(zhuǎn)角的數(shù)據(jù)。由于 PN 齒輪的齒隙保持在三弧分或以下，因此扭矩不會導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)角突然增加。

諧波齒輪

◇ 原理與結(jié)構(gòu)

諧波齒輪利用金屬的彈性力學(xué)特性，具有無與倫比的定位精度和簡單的結(jié)構(gòu)。它由三個基本組件組成：波發(fā)生器、柔輪和圓輪。

● 波發(fā)生器

波發(fā)生器是一個橢圓形的部件，在橢圓形凸輪的外圓周上裝有一個薄的滾珠軸承。軸承的內(nèi)圈固定在橢圓形凸輪上，而外圈則通過滾珠產(chǎn)生彈性變形。波發(fā)生器安裝在電機軸上。

● Flex Spline

柔輪是一種由彈性金屬制成的薄杯狀部件，沿杯口外周形成有齒。齒輪的輸出軸連接到柔性花鍵的底部。

● 圓形花鍵

圓形花鍵是一種剛性內(nèi)齒輪，其內(nèi)圓周形成有齒。這些齒與柔輪的齒尺寸相同，但圓齒比柔輪多兩個齒。圓形花鍵沿其外圓周連接到齒輪箱。

◇ 精度

與傳統(tǒng)的正齒輪不同，諧波齒輪能夠平均化齒距誤差和累積齒距誤差對旋轉(zhuǎn)精度的影響，從而實現(xiàn)高精度、無齒隙性能。但是，在進行2弧分以下的超高精度定位時，齒輪自身的扭力可能會成為問題的原因。使用諧波齒輪進行超高精度定位時，請記住以下三點。

● 空程

空程是指在齒輪的輸出軸上施加大約5% 的允許扭矩時產(chǎn)生的位移的總值。由于諧波齒輪沒有齒隙，表示齒輪精度的度量表示為空轉(zhuǎn)。

● 滯后損失

向齒輪輸出軸順時針或逆時針方向逐漸施加扭矩，直至達到允許扭矩時，扭矩越小，扭矩角越小。然而，即使完全恢復(fù)到初始水平，扭轉(zhuǎn)角也永遠不會達到 0。這被稱為“滯后損耗”，如圖中的 BB' 所示。諧波齒輪的設(shè)計滯后損失小于兩分鐘。順時針或逆時針方向定位時，即使摩擦系數(shù)為0，也會產(chǎn)生滯后損失。定位到2分鐘以下時，必須單向定位。

● 扭矩-扭矩特性

位移(扭矩)是在諧波齒輪的輸出軸上施加負載時齒輪的彈簧常數(shù)產(chǎn)生的。當(dāng)齒輪在摩擦負載下驅(qū)動時引起的位移量與電機軸保持固定且扭矩施加到齒輪輸出軸時的值相同。

位移量(扭轉(zhuǎn)角)可以使用如下所示的公式進行估算。諧波齒輪的扭轉(zhuǎn)角-扭矩特性曲線不是線性的，其特性可根據(jù)負載扭矩的不同用以下三個公式之一表示：

通過這些公式獲得的扭轉(zhuǎn)角適用于單個諧波齒輪。

齒輪步進電機的優(yōu)點

齒輪步進電機主要用于減速、高扭矩和高分辨率以及以下用途：

小型化(更小的框架尺寸和更輕的質(zhì)量)

高剛性(使電機不易受摩擦負載波動的影響)

更短的定位時間和更高的慣性負載安全裕度

低振動

為了進一步舉例說明這四個目的，下面將對標(biāo)準(zhǔn)型電機和齒輪電機進行比較，兩者具有相似的輸出扭矩和允許扭矩。如果速度方面沒有問題，可以用減速電機代替標(biāo)準(zhǔn)型電機。

小型化(更小的框架尺寸和更輕的質(zhì)量) 標(biāo)準(zhǔn)型電機可以切換到更小的齒輪電機，只要兩個電機以相等的扭矩運行即可。例如，框架尺寸為□85 mm(□3.35 in.)的標(biāo)準(zhǔn)型電機可以替換為框架尺寸為□60 mm(□2.36 in.)的減速電機，從而將質(zhì)量從 1.8 kg 降低(4.0 磅)至 1.5 千克(3.3 磅)(AS98AAE 和 AS66AAE-N5 之間的比較)。

● 高剛性(使電機不易受摩擦負載波動的影響)

電機通電時，輸出軸受到外部施加的扭力，測量位移量(扭轉(zhuǎn)角)以比較剛性。在給定的扭矩下，位移(扭轉(zhuǎn)角)越小意味著剛性越高。例如，AS66AAE-T7.2 齒輪電機在 0.1 N?m 的輕負載下會受到反沖效應(yīng)，但隨著扭矩的增加，它變得比 AS98AAE 更不容易扭曲。AS66AAE-N5 電機在輕負載時受到的反沖影響很小，并在整個扭矩范圍內(nèi)保持高剛性。

標(biāo)準(zhǔn)型電機與減速電機的扭轉(zhuǎn)剛度比較

針對波動摩擦負載的定位精度是電機剛度的重要決定因素。定位精度可以通過停止位置精度(減速電機的角傳動誤差)來衡量。停止位置精度(角傳動誤差)是指理論旋轉(zhuǎn)角度(這是根據(jù)輸入脈沖數(shù)計算的旋轉(zhuǎn)角度)與實際輸出軸旋轉(zhuǎn)角度的差值。誤差越接近 0 表示剛性越高。

標(biāo)準(zhǔn)型 AS98AAE 電機和 AS66AAE-N5 減速電機通過測量空載和摩擦負載下的停止位置精度(角傳動誤差)進行比較，每轉(zhuǎn) 0.36? 間隔。比較結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)型電機的停止位置精度在施加負載時顯著增加，而齒輪電機的角傳動誤差幾乎沒有變化，即使在施加負載時也是如此。換句話說，減速電機更能抵抗摩擦載荷的波動，從而實現(xiàn)更穩(wěn)定的定位。此功能適用于任何類型的減速電機。因此，齒輪電機對于垂直驅(qū)動的定位操作和其他摩擦負載因負載數(shù)量和重量的變化而波動的應(yīng)用更為有效。

AS98AAE與AS66AAE-N5停止位置精度(角度傳遞誤差)對比：

● 更短的定位時間和更高的慣性負載安全裕度

為了在短時間內(nèi)驅(qū)動大慣性負載，使用減速電機將實現(xiàn)比標(biāo)準(zhǔn)電機更短的定位時間。

假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)型 AS98AAE 電機連接到轉(zhuǎn)子慣量的 5 倍和 30 倍的慣性負載，并且這些慣性負載中的每一個都連接到齒輪傳動型 AS66AAE-N5 電機。每個旋轉(zhuǎn)角度的最短定位時間如下圖所示測量。

對于較小的定位角度和較大的慣性負載，減速電機在減少定位時間方面更為有效。減速電機往往在較大的慣性負載下，在較寬的定位角度范圍內(nèi)實現(xiàn)較短的定位時間。

減速電機減少定位時間的原因如下：

通過齒輪的使用，可以減輕電機軸的慣性載荷，從而保證快速加減速啟動。

減速電機的另一個優(yōu)點是無論慣性負載如何變化，它都能保持一致的定位時間。下圖表示標(biāo)準(zhǔn)型電機和減速電機在承受慣性負載變化時的最短定位時間的變化。

標(biāo)準(zhǔn)型電機的最短定位時間隨慣性負載的增加而顯著變化，而減速電機的最短定位時間變化不大。換句話說，減速電機能夠在最一致、最短的定位時間內(nèi)驅(qū)動更大的慣性負載。

無論電機的定位速度有多快，如果無法針對慣性負載波動實現(xiàn)穩(wěn)定運行，則可能會出現(xiàn)問題。因此，研究如何根據(jù)慣性負載的波動對操作波形進行整形也很重要。

在允許最短定位的操作條件下，將相同的慣性負載連接到標(biāo)準(zhǔn)型電機和齒輪電機。然后在不改變運行條件的情況下，將慣性負載切換為較小的慣性負載。下圖顯示了每種情況下的操作波形。

即使在為給定慣性負載降低阻尼而優(yōu)化的操作條件下，標(biāo)準(zhǔn)型電機的阻尼特性也會隨著慣性負載的波動而惡化。因此，對于電機而言，每次慣性負載波動時都需要重新設(shè)置運行條件以獲得最佳性能。另一方面，減速電機的阻尼特性隨慣性負載的波動變化很小，從而保證運行平穩(wěn)。

● 低振動

振動特性以電壓表示，將輸出軸旋轉(zhuǎn)時的振動幅度換算成電壓。由于以下原因，可以減少減速電機的振動：

根據(jù)齒輪比，可以降低電機自身的振動。

可以避免低速振動范圍，因為電機以更高的速度旋轉(zhuǎn)。