如何開展運動系統設計

運動系統包括簡易的平面臺架到多自由度的復雜機械臂。IDC團隊在機器人系統設計研發方面經驗豐富，對其通常產生的問題及最佳相關解決方案具有深度的了解。

針對機械設計，IDC設計工程師Nick Brown，在下文中探討了5個關鍵的考慮要素。

1 馬達的選擇

選擇馬達，最關鍵的兩個要素是它的扭矩與轉速。基于運轉該運動系統的目標加速度和速度所需力的大小，上述數據很容易通過計算得出。另一較易被忽略但關鍵的要素是，馬達轉子及需轉動載荷之間的慣性比值。假如載荷慣性遠大于馬達慣性，那么要實現一個具有快速的安定時間且穩定的控制系統則幾乎不可能。

2 開環和閉環控制

簡易的運動系統通常使用步進馬達作為其主要驅動，如3D打印機。步進馬達通常在開環控制配置中使用，該控制器發送命令至馬達，使其以一定速度運動至一定位置。馬達不會就完成的命令進行反饋，假如系統能夠符合性能目標且該系統運動準確性并非至關重要時，這是能夠接受的。

假如性能要求超過開環控制配置的步進馬達系統，則需使用閉環PID控制的伺服？電機。在閉環系統中，控制器命令馬達以具備一定加速度的速度運轉至一定位置，馬達軸上的編碼器給控制器發送報告，反饋其準確速度及位置。控制器基于位置和速度的錯誤，決定馬達是否需要增加或減少？功率以滿足命令要求的位置和速度。

一款PID控制環能夠實現更快，定位更準確的運動系統，同時滿足命令運動的實現。但相比簡易的開環系統，它的控制器則更復雜。

3 機械設計控制避免背隙和自由運動

在一個有明顯背隙和自由運動的機械系統中，研發先進控制系統及指定電機與頂部的范圍編碼器是沒有任何意義的，因為結果是系統不準確、低可重復性，看著與用著都不精確。

在運動系統中，形成自由運動的兩大基本原因是軸承的排布與齒輪的背隙（其他系統特定因素）。齒輪的背隙通過妥善的元件選擇能夠避免，例如：應變波齒輪沒有背隙，精確行星齒輪組背隙極小。另外，雖然并非所有情況都適用，但直接驅動系統也可以完全避免這個兩個問題。

來自軸承接合處的自由運動，通過元件的準確規格和預載的應用可以避免。使用預加載角接觸球軸承可以消除關節臂的所有自由運動，使用彈簧加載聚合物軸承可以使直線滑塊和導軌感覺堅固。

機械強度及對齊：一個運動系統越精確或其性能越高，就越需要重視部件的機械強度和裝配的幾何公差，以保證其性能。例如一個簡單的XY運動系統，在一對直線導軌上采用了緊密配合的聚合物軸承，這些軌道的微小偏差將導致系統的干擾，在制造、裝配或由于正常工作負載導致的變形中出現偏差。

4 摩擦、疲勞和使用壽命

由于相對運動導致的部件磨損會隨著時間的推移導致其性能變化，甚至是災難性的故障。金屬滾子軸承和聚合物軸承的設計都強調軸承壽命，以確定維修時間間隔，及對使用壽命進行評估。在設計那些使用壽命長、維修不頻繁的系統時，聚合物軸承比鋼軸承有更大優勢。鋼軸承依靠潤滑來限制或消除金屬表面的磨損，當潤滑劑被污染、摩擦增加時，性能就會降低。干運轉聚合物軸承能夠在其使用壽命期間保持相同的摩擦特性。

運動系統設計的最佳建議

1 選擇馬達時，馬達轉子與負載之間的慣性系數也應考慮在內；

2 開環與閉環控制系統：開環系統是否已經足夠滿足性能要求？是否需要借助閉環系統實現更快速度及精確定位要求？

3 為避免系統中出現由于軸承和齒輪這類普通要素導致的自由運動和背隙，應當細致地對機械設計進行計劃；

4 考慮元件的機械強度、幾何公差及其匹配性以實現最佳系統性能；

5 設計系統時，了解元件的摩擦、疲勞及使用壽命。是否需要實現一個使用壽命長、性能優秀的解決方案？該系統維修頻繁嘛？