科爾摩根中國(guó)區(qū)應(yīng)用經(jīng)理俞亞波先生
直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)利用當(dāng)代材料科學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)及自動(dòng)控制技術(shù)的最新成果而研發(fā)的技術(shù)，有效避免了傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)與絲杠機(jī)構(gòu)連接使用時(shí)的各種問(wèn)題，能夠?yàn)榭蛻魩?lái)諸多收益。
科爾摩根（Kollmorgen）是全球領(lǐng)先的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和配件供應(yīng)商，憑借70多年的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，科爾摩根公司提供突破性解決方案，具有無(wú)與倫比的性能、高可靠性和便捷性。公司擁有世界一流的運(yùn)動(dòng)控制理念、業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的產(chǎn)品質(zhì)量以及集成和定制產(chǎn)品的專業(yè)能力，致力于為設(shè)備制造商創(chuàng)造毋庸置疑的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
科爾摩根直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)
簡(jiǎn)單的講，直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)DDT(Direct Drive Technology)就是將負(fù)載和電動(dòng)機(jī)直接耦合在一起的技術(shù)（圖1）。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)具有高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的特性，為了能拖動(dòng)慣量比電動(dòng)機(jī)大得多的負(fù)載，并得到理想的控制特性，人們不得不在電動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間加入各種各樣的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，如齒輪箱、皮帶輪和同步帶等。這樣傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)中往往就存在各種各樣的問(wèn)題：使結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，增加了安裝和維護(hù)的難度；同時(shí)因?yàn)闄C(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)存在諸如間隙、彈性變形和變摩擦阻尼等因素的影響，使整個(gè)系統(tǒng)的諧振頻率降低，電氣響應(yīng)特性變差。而直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)正是利用當(dāng)代材料科學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)及自動(dòng)控制技術(shù)的最新成果而研發(fā)的技術(shù)，有效避免了上述問(wèn)題。
使用直驅(qū)旋轉(zhuǎn)和直驅(qū)直線電動(dòng)機(jī)能夠?yàn)榭蛻魩?lái)諸多收益。
1. 提高準(zhǔn)確度和可重復(fù)精度。
“精密”級(jí)行星減速機(jī)的齒隙可以達(dá)到1弧分，這樣可以在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)絕對(duì)靜止的情況下使負(fù)載移動(dòng)1弧分。科爾摩根的標(biāo)準(zhǔn)直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn) (DDR) 伺服電動(dòng)機(jī)的可重復(fù)精度高于1弧秒。因此，直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的定位性能比傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)＋減速機(jī)高60倍以上，而直線電動(dòng)機(jī)可以達(dá)到微米級(jí)的移動(dòng)精度。直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的精度更高，因而設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量也就更高。
2. 更大的帶寬。
機(jī)械傳動(dòng)組件限制了機(jī)器啟動(dòng)和停止的速度，并延長(zhǎng)了所需的趨穩(wěn)時(shí)間。這些因素限制了機(jī)器的處理能力。直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)克服了上述限制條件，啟動(dòng)/停止操作的速度更快，另外，還顯著縮短了趨穩(wěn)時(shí)間，從而提升了機(jī)器的處理能力。
3. 提高了可靠性，不需要維護(hù)。
齒輪、皮帶、滑輪、絲杠、螺母和其他機(jī)械傳動(dòng)部件都會(huì)出現(xiàn)折斷或者磨損的情況。不使用這些部件而采用直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，就可以提高機(jī)器的可靠性。在磨損較嚴(yán)重的啟動(dòng)/停止系統(tǒng)中，減速機(jī)或絲杠等需要定期進(jìn)行潤(rùn)滑和/或更換，皮帶也需要定期張緊。而在直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)中不存在隨時(shí)間磨損的組件，因而也就不需要維護(hù)。
4. 部件數(shù)量更少。
使用直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，只需要電動(dòng)機(jī)本身和安裝螺栓就可以了，這種結(jié)構(gòu)通常可以取代很多部件，其中包括支架、護(hù)罩、皮帶、滑輪、張緊器、聯(lián)軸器和螺栓，從而帶來(lái)如下所述優(yōu)勢(shì)。第一，BOM上的部件數(shù)量更少。要采購(gòu)、安置、存儲(chǔ)和控制的部件更少，要組裝的部件也更少。第二，縮短了伺服組裝時(shí)間，組裝采用機(jī)械傳動(dòng)的伺服裝置需要幾個(gè)小時(shí)，而組裝采用DDR的伺服裝置僅需幾分鐘即可。第三，降低了成本。雖然直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與具有相同轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)/減速機(jī)裝置相比，價(jià)格略高，但是因?yàn)樗辉傩枰獧C(jī)械傳動(dòng)伺服系統(tǒng)需要的所有額外組件，因而節(jié)省了相應(yīng)的部件和人工費(fèi)用，所以降低了總成本。
5. 無(wú)需慣量匹配。
帶有機(jī)械傳動(dòng)的伺服系統(tǒng)需要慣量匹配，這將反映負(fù)載慣量限制在電動(dòng)機(jī)慣量的3～5倍。如果達(dá)不到這個(gè)限制條件，就會(huì)因?yàn)榇嬖诓环€(wěn)定性問(wèn)題而導(dǎo)致系統(tǒng)難以控制。因?yàn)闄C(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)存在慣量匹配限制，所以機(jī)器設(shè)計(jì)人員通常不得不選用更大型號(hào)的電動(dòng)機(jī)，而直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)就不需要滿足這種規(guī)格限制。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)直接連接到負(fù)載，所以電動(dòng)機(jī)和負(fù)載的慣量成為一個(gè)公共慣量，因此，在使用DDR的時(shí)候不需要進(jìn)行慣量匹配。
6. 降低了噪聲。
減速機(jī)和絲杠等機(jī)械傳動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，而直線驅(qū)動(dòng)裝置工作則安靜的多。
直線電動(dòng)機(jī)
直線電動(dòng)機(jī)也稱線性電動(dòng)機(jī)、線性馬達(dá)或直線馬達(dá)。直線電動(dòng)機(jī)也可以簡(jiǎn)單描述為旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)被展平，而工作原理相同（圖2）。永磁無(wú)刷旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)基本部件是定子（初級(jí)線圈）和轉(zhuǎn)子（次級(jí)或旋轉(zhuǎn)磁體）。在無(wú)刷直線電動(dòng)機(jī)中，將轉(zhuǎn)子平鋪成為磁體軌道（也稱為磁路）。將旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的主機(jī)線圈平鋪成為線圈組件（有時(shí)也稱為滑塊）。
直線電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子是用環(huán)氧樹(shù)脂材料把線圈壓縮在一起制成的，而磁路是把磁鐵（通常是高能量的稀土磁鐵）固定在鋼板上。直線電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子包括線圈繞組、霍爾元件電路板、溫度傳感器探頭和動(dòng)力電路接口。
科爾摩根從20世紀(jì)70年代晚期開(kāi)始設(shè)計(jì)和制造直線電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品DDL，當(dāng)時(shí)為有刷直流電動(dòng)機(jī)，在80年代早期開(kāi)發(fā)出無(wú)刷直線電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)，目前已經(jīng)形成了IL（無(wú)鐵芯系列）、IC（有鐵芯系列）和ICD（超薄型有鐵芯系列）3大系列。
相比于常規(guī)的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)-旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)螺母和絲杠的配合，把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)，我們的直線電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品DDL(Direct Drive Linear)有以下優(yōu)點(diǎn)：直接直線移動(dòng)，大推力（峰值推力可達(dá)16000N）；高加速度（最高可達(dá)到10g）；高速度（最高可達(dá)15m/s）；寬調(diào)速范圍（最低移動(dòng)速度可達(dá)1μm/s）；高動(dòng)態(tài)響應(yīng)；以及更高的機(jī)械效率。滾珠絲杠和螺母配合可以達(dá)到90%的機(jī)械效率，而梯形絲杠則只能達(dá)到40%的機(jī)械效率，即便考慮到極小的直線導(dǎo)軌上的摩擦等因素，直線電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率也是非常高的，通常在95%以上。
直線電動(dòng)機(jī)在制罐行業(yè)的應(yīng)用
目前國(guó)內(nèi)的制罐行業(yè)，隨著罐裝奶粉、罐裝飲料等快速發(fā)展得到了蓬勃發(fā)展。在該行業(yè)，大部分OEM客戶使用旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)＋滾珠絲杠/螺母的控制方式，譬如常見(jiàn)的單夾送料的制罐設(shè)備，其速度一般受制于送料平臺(tái)的性能。因?yàn)閱螉A送料設(shè)備一個(gè)周期結(jié)束后必須回退到一個(gè)取料的位置上去取新的板料，由于現(xiàn)在送料設(shè)備上滾珠絲杠/螺母的運(yùn)動(dòng)速度一般不超過(guò)1m/s，所以即便使用高性能的多軸伺服控制器，從上一個(gè)周期結(jié)束排掉廢料到回到取料位置取上新的材料，再到第一個(gè)沖壓位置，整個(gè)周期需要2.5s的時(shí)間，而當(dāng)時(shí)本人參與試驗(yàn)時(shí)候的料板沖壓只需要9s時(shí)間，這個(gè)設(shè)備的效率是9/(2.5+9)=78%，效率的提升完全受制于直線運(yùn)動(dòng)的速度。
而在設(shè)計(jì)雙夾送料設(shè)備時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制更多受制于在前夾控制前一張料板沖壓完最后一個(gè)位置沖頭抬起到下落過(guò)程的瞬間，后夾送料機(jī)構(gòu)能否把料板送到這張材料的第一個(gè)沖壓位置。
對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制來(lái)講，則可以簡(jiǎn)化為后夾機(jī)構(gòu)需要多快的速度把料板送過(guò)來(lái)，經(jīng)過(guò)實(shí)際的驗(yàn)算以及在原型機(jī)上的測(cè)試表明，絲杠機(jī)構(gòu)無(wú)法滿足快速和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的需求。在要求高速運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用中，絲杠的高速轉(zhuǎn)動(dòng)容易摔掉潤(rùn)滑脂，增大運(yùn)行噪聲，使磨損加劇，而且生產(chǎn)較長(zhǎng)絲杠的成本也非常高。
在這種應(yīng)用場(chǎng)合下，直線電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)被淋漓盡致的凸顯出來(lái)（圖3）：高加速度、高速度、高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能、平穩(wěn)運(yùn)行和高定位精度、尺寸可以做的很長(zhǎng)、無(wú)磨損且易于維護(hù)等。
