基于直线电机的高速精密机械手设计与分析 口王灵玲 口陈宇晓 ３１５８００ 宁波职业技术学院海天学院 浙江宁波摘 要：根据送料机械手高加速度、高定位精度等要求，设计了一套采用直线电机的高速精密机械 手 、基于动力学特性，合理选择了直线电机类型．分析了直线电机基本参数对其性能的影响、对机械手样 机进行了检测、补偿和调整，使其达到设计目标，为各类由直线电机操动的机械手提供了参考 关键词：直线电机机械手设计 中图分类号：ＴＨｌ１３．２；ＴＭ３５９．４ 文献标志码：Ａ 文章编号：ｌ０００—４９９８（２０１７）０５—００１０—０４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ ｆｏｒ ｆｅｅｄｉｎｇ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ，ａ ｓｅｔ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ．Ｉｎ ｔｈｅ ｖｉｅｗ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｔｙｐｅ ｗａｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｏｎ ｉｔｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｗａｓ ｔｅｓｔｅｄ， ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ａｎｄ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｉｔ ｍｉｇｈｔ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ａｌｌ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ ｔｈａｔ ａｄｏｐｔ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒｓ ｆｏｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｌｉｎｅａｒ Ｍｏｔｏｒ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ｄｅｓｉｇｎ 机械手通常包括动力装置、基座和手臂总成。随着 现代制造业的快速发展．机械手在不断向高精度、高速 度、轻艟化发展．传统的用于驱动机械手运动的动力装 置已不能满足某些生产领域高速、高精度要求。与传统 旋转电机加减速装置相比．直线电机为无接触区接驱 动，消除了中间传动环节 ，虽然存在推力波动、摩擦 和负载扰动等非线性因素影响，但仍具有响应快、速度 快、精度高等优点ｉ ２］， 物流输送系统、工业设备、自动 化等领域的应川逐年增加。 笔肯基于某企业客户需求，同绕其高加速度、高定 位精度要求，从动力学特性出发，合理选择直线电机类 型．设汁了采Ｊ｛ｊ叠加型永磁同步直线电机操动的送料 机械手，并对制造的样机进行了检测、补偿和调整。 １ 高速精密机械手设计 １．１ 总体设计 根据ｌ『 作需要，送料机械手的技术指标如下：负载 ５０ ｋｇ，Ｘ—ｙ二：维自由度．Ｘ方向最大有效行程５００ ｍｍ，ｌ，方向最大有效行程５００ ａｍ，最快速度２ ｍ／ｓ，最 大加速度２５ ｍ／ｓ ，定位精度±２ ｍ，重复定位精度４－ｌ ｒｎ。设计的送料机械ｆ如图ｌ所示。 送料机械手采用 —ｙ联动的十字滑台结构，机身 ２０１５＂１－ 等学校访问１：程师校企合作项目（编 ＦＧ２０１５０４３） 收稿Ｉ１期：２０１６年１１月 为一台直线电机．是支承和驱动手臂的部什．实现机械 手左右往复运动。动子组件上同连的手臂ｕ王是一台 线电机．可以实现上下往复运动。两台直线电机均为长 次级、短初级结构，光栅尺安装在定子基座的…个侧 上．抓取物品的手部机构ｍ气缸驱动． ．回２０１７／５ 机械制造５５卷第６３３期 １．２直线电机的选型 对称电流，从而引起端部效应．这是永磁同步直线电机 所固有的 。对于有铁心永磁同步直线电机．在运行过 送料机械手的主运动是左右和上下往复运动．且 要求高加速度、高定位精度。直线电机类型多样，永磁 同步直线电机相比其它类型直线电机结构紧凑．在推 程中，磁通在铁轭、永磁铁、线圈和齿槽处产生了畸变， 导致直线电机的动子铁心与定子磁场相互作用而产生 力、速度、定位精度、效率等方面表现突出 。综合机械 性能、结构布置形式、工程实际等因素，笔者选用永磁 同步直线电机进行直接驱动。 齿槽效应。而无铁心永磁同步直线电机没有齿槽效应． 而且不工作时动子与定子没有吸引力．安装时不需要 处理吸引力，运行平滑，有更高的加减速度 ，所以笔 者选用无铁心永磁同步直线电机。 １．３直线电机的基本参数分析 为了使永磁同步：直线电机驱动性能达到机械手往 复运动的要求．笔者建立了永磁同步直线电机的动力 学数学模型。图２所示为 轴直线电机动子受力分析 图，其中 。为 轴上直线电机的推力， ，为 轴上摩 直线电机的初级组件通常由电机线圈、一个连接 板或安装棒组成。次级组件为磁轨．取决于所选用的直 线电机种类，磁轨可以是单排磁铁，也可以是具有平衡 吸力的双边配置磁铁。 擦力， 为负载力，Ｇ为重力。图３所示为ｙ轴直线电 机动子受力分析图。 将电机的初级组件作为动子．需满足送料机械手 的动力学基本要求。初级组件动子的高度为日．宽度为 ，厚度为６，驱动电流为，，平均密度为ｐ，移动速度为 ，驱动线圈匝数为ｎ，平均磁场强度为曰，有效载流导 线长度为Ｌ（设Ｌ＝ｗ），则初级动子的加速度ｎ表达式 为： ｌＢ （ｋ￣ｗ）一 叼 ：叼 ｍ ：叩 叩 茜 一 ７７— ：叩—：叩 一 叩 ｋ ｌ Ｂ（３） 式中： ’为电机输出推力；ｍ为动子及其组件的质量；叼 为初级动子的体积因数，即简化模型的动子质量与动 子实际质量的比值：ｎ 为载流导线等效宽度：单边型电 机 ＝１，双边型电机ｋ＝２。 加速度； 。为波纹推力（产生于电机内部）。 根据图１、图３所示，ｌ，轴动力学方程为： ２＝（ｍ２＋ｍ３）啦＋ ２４－ ＋ ＿十ｍ３ｇ （２） 由式（３）可看出，加速度值主要取决于驱动电流 ，、载流导线等效宽度口 、平均磁场强度曰、动子厚度６。 驱动电流和载流导线宽度主要取决于电机的散热能 力，通过最小的载流导线宽度取得最大的电流密度。载 式中： 为ｌ，轴上直线电机的推力；ｍ：为负载质量； ｍ３为ｙ轴动子质量；ｎ２为ｙ轴上移动加速度； 为ｙ 流导线所处的平均磁场强度取决于电机的磁路设计， 与磁场来源和气隙长度有关。因此，采用双边型直线电 机可取得更好的运动学性能 轴上摩擦力； 为波纹推力（产生于电机内部）；ｇ为 重力加速度，ｍ ＝Ｇ。 由式（１）、式（２）可知，直线电机驱动送料机械手往 复运动时，动子主要受到电机推力、惯性力、摩擦力、波 纹推力、负载力和重力等。因负载大小为预定的设计目 标，此处重点对电机的波纹推力和摩擦力进行分析。 ２定位精度测试 基于上述设计与分析，研发了高速精密送料机械 手８。直线电机选用ＩＬＵ－０３０－４型无铁心永磁同步双 边型直线电机，最大加速度可达３０ ｍ／ｓ 。运动导轨为 精密直线滚珠导轨。驱动设备选用智能伺服驱动控制 送料机械手往复运动中，直线电机与导轨接触存 在摩擦力扰动。直线电机存左右、上下换向点进行正反 向运动时，在速度０点处摩擦力间断，换向点的跟踪误 差会增大。定位精度降低，影响系统的控制性能 。 永磁同步卣线电机推力的波动大小和频率与直线 电机的机械结构、运行速度密切相关。其中端部效应和 齿槽效应是引起永磁同步直线电机推力波动的最主要 原因，在使用中应设法减小电机推力波动 。永磁同步 直线电机铁心的两端断开会导致各相间的互感不相 器。基座材料采用超硬铝合金．为节省成本，动子上部 分结构的材料采用合成碳纤维．合成碳纤维具有小质 量、高强度、低摩擦、耐冲击等特点１９１，能大大提高运动 性能。 对样机进行定位精度测试．测量仪采用ＭＬ１０型 激光干涉仪，参照国际标准ＩＳＯ ２３０－２：ｌ９９７中关于机 床定位精度和重复定位精度的测定方法。在 、ｌ，轴直 线运动坐标方向的全部行程内．每间隔１０ ｍｍ设置一 等，在 相绕组中通入ｉ相对称电压时不会产生ｊ相 机械制造５５卷第６３３期 ２０１７／５…Ｉ ｌ个目标位置．共５０个位置点，累计行程０～５００ ｍｍ，并 因此选用了无铁心永磁同步双边型直线电机。 进行往复运动双向测试，测试结果如图４、图５所示。 由图４、图５可知：Ｘ轴的定位误差为４７．９ ｐａｎ。重 复定位误差为０．５ ｍ；Ｙ轴的定位误差为ｌ９．７ ｍ，重 复定位误差为２．２ ｍ。显然，这样的精度无法满足客 户需求。为提高直线电机的定位精度，采取误差补偿的 为进一步减小动子组件质量及成本，基座材料采 用超硬铝合金．动子组件上部分结构的材料采用合成 碳纤维，大大提高了运动性能。对制造的样机进行了定 位精度测试，根据国际标准ＩＳＯ ２３０—２：１９９７中关于机 床定位精度和重复定位精度的测定方法，采用激光干 涉仪进行测试，并采取误差补偿的方法，对制造的样机 进行检测、补偿和调整，结果达到了预定的设计目标。 方法 Ｒ）－Ｉ｜１。采用误差补偿方法以后，再次进行定位精度 测试，测试结果如图６、图７所示。 由图６、图７可知：误差补偿以后， 轴的定位误 参考文献 ［１］叶云岳，卢琴芬，范承志，等．直线电机技术手册［Ｍ］．北京： 机械工业出版社，２００３． ［２］林健，汪木兰，陈桂，等．直线电动机应用于数控机床的共 差为１．１ Ｉ，ｚｍ，重复定位误差为０．２ ｍ；Ｙ轴的定位误 差为２．６ ｍ，重复定位误差为０．８ ｍ；数值变动均在 上下限范围内．满足要求。 ３结束语 根据送料机械手的高加速度、高定位精度等技术 要求，设计了采用直线电机操动的叠加型送料机械手。 通过建立直线电机的动力学数学模型，分析了动子主 性技术研究［Ｊ］．巾国制造业信息化，２０１２，４ｌ（１１）：５３—５６， ６０． ｆ３］ 张森林，沈国炎．直线电机存电子提花机中的应用［Ｊ］．纺织 学报，２００８，２９（１】）：１ｌ９—１２３． ［４］ ＫＡＲＩＫＩＴＡ Ｉ，ＭＡＹＥＤＡ Ｈ．Ｐｒｅｃｉｓｅ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｉｒ Ｆｈ）ａｔｉｎｇ Ｇａｎｔｒｙ Ｔｙｐｅ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｓｔａｇｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ 要受到的作用力及ｆ扰。由于永磁同步直线电机结构 中产生的端部效应、齿槽效应，以及电机运行速度与推 力波动大小、波动频率密切相关，而无铁心永磁同步直 线电机没有齿槽效应．运行平滑，有更高的加减速度， 吕 ｉ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ『Ｃ］．ＴＥＮＣＯＮ ２００６— ２００６ ＩＥＥＥ Ｒｅｇｉｏｎ １ ０ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｈｏｎｇ Ｋｏｎｇ，２００６． 曼 ｉ 稔 瑚 键 喾 蝴 超 堡 行程位移／ｍｍ 行程位移／ｍｍ 机器名称：ＴＭＣ—Ｃ５００一Ｃ５００ 轴： 定位误差：４７．９ ＩＬｍ 系列号：００１ 机器名称：ＴＭＣ—Ｃ５００一Ｃ５００ 轴：ｙ 测量位置：ＴＵＮＧＲＡＹ 定位误差：ｌ９．７“ｍ 测量位置：ＴＵＮＧＲＡＹ 文件名：ｘ一８．ｒｔｌ 系列号：００１ 双向：１ Ｒｕｎ 重复定位误差：０．５ ｕｍ 文件名：ｘ－３．ｒｔｌ 双向：１ Ｒｕｎ 重复定位误差：２．２“ｍ ▲图５ 轴误差补偿前定位精度 Ｉ ▲图４ Ｏ．６ 轴误差补偿前定位精度 １ ｇ ０．４ ｉ 漤０．２ ０ ．。 几八 瓜７ Ａ ． ＼ 硝一０５ 糙 醐 艇一０．２ 毽 一堡一１ Ｏ ｔ ５Ｏ ｌｏｏ ｌ５０ ２００ ２５０ ３００ ３５０ ４００ ４５０ ５００ ０．４ ０ ５０ ｌ００ １５０ ２０ｏ ２５０ ３００ ３５０ ４００ ４５０ 行程位移／ｎｕｎ 机器名称：ＴＭＣ—Ｃ５００一Ｃ５００ 轴：ｌ， 定位误差：２．６ ｍ 测量位镊：ＴＵＮＧＲＡＹ 系列号：００１ 行程位移／ｍｍ 机器名称：ＴＭＣ—Ｃ５００一Ｃ５００ 轴： 测量位置：ＴＵＮＧＲＡＹ 文件名：ｘ一９．ｒｔｌ 系列号：００１ 双向：ｌ Ｒｕｎ 重复定位误差：０．２ ｌ，Ｌｍ 定位误差：１．Ｉ ｍ 文件名：ｘ一７．ｒｔｌ 双向：１ Ｒｕｎ 重复定位误差：０．８ ｍ ▲图７ ｙ轴误差补偿后定位精度 ▲图６ Ｙ轴误差补偿后定位精度 （下转第１９页） ｊ回２０１７／５ 机械制造５５卷第６３３期 模态分析［Ｊ］．机械工程师，２００８（２）：１３６—１３７． ［７］赵运才，黄书烽．立式粉磨机立柱模态与谐响应分析［Ｊ］＿ 矿业研究与开发，２０１２，３２（６）：９４—９７． ［８］钟飞，史青录，陈艳，等．挖掘机式冲击器工作装置的谐响 应分析［Ｊ］．现代机械，２０１２（６）：４０—４３，５９． ［９］ 凌桂龙．ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ １５．０从入门到精通［Ｍ］．北京： 清华大学出版社，２０１４． ［１０］李大磊，代朝磊，牛鹏辉．基于ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ磨粉机减 （５）：９２—９５． ［１１］王永胜，胡青春．某空气压缩机曲轴的静力优化及模态分 析［Ｊ］．机械制造，２０１１，４９（１）：３７—３９． 作者简介： 潘衡（１９８９一），男，硕士研究生，主要研究方向为机械振动 与噪声；陈希良（１９６５一），男，研究员，主要研究方向为计算力 学与机械振动。 （编辑 平 平） 速器箱体动态特性分析［Ｊ］．郑州大学学报（７－学版），２０１４，３５ （上接第１２页） ２００９，３４（３）：１－６． ［５］彭兵，张囡，夏加宽，等．永磁直线电机端部效应力的解析 ［１０］郭凤仙，宋果，肖智明．直线同步电机初始磁场位置检测方 计算［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１６，３６（２）：５４７—５５３． 法［Ｊ］．机械制造，２０１３，５１（７）：４Ｏ一４１． ［６］张明超，尹文生，朱煜．永磁同步直线电机推力波动建模与 ［１ １］吴玉厚，宋德儒．ＰＭＡＣ下直线电机定位精度分析与误差 抑制［Ｊ］．清华大学学报（自然科学版），２０１０，５０（８）：１２５３— 补偿技术［Ｊ］．沈阳建筑大学学报（自然科学版），２００５，２１ １２５７． （５）：５８６—５９０． ［７］丁汉，吴建华，王英，等．高加速度系统的快速高精度定位 △ 控制［Ｊ］．自然科学进展，２００８，１８（１０）：１１４３—１１５０． 作者简介： ［８］胡兵，傅惠南，谢小辉．Ｕ型无铁心永磁直线电机样机设计 王灵玲（１９７５一），女，副教授，主要研究方向为机械设计与 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２０１７／５画
