CN108920880B - 一种智能驱动单元的电机和减速器选型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能驱动单元的电机、减速器选型方法，属于机器人应用开发领域，根据智能驱动单元三个设计指标，驱动单元目标输出力矩、驱动单元目标转速、驱动单元的目标荷质比，通过计算电机、减速器关键参数的方式，分步骤地从建立的电机、减速器数据库中选取最为合适的电机、减速器型号，并通过荷质比这个设计指标来确定最终的选型方案。该电机、减速器计算与选型方法主要针对协作机器人智能驱动单元的电机、减速器的选型，具有选型快速、准确等特点，克服机器人关节传统选型费时、费力、效率不高的缺点，极大地节约了智能驱动单元电机、减速器选型的时间，提高了电机、减速器选型的精准性。

Description

一种智能驱动单元的电机和减速器选型方法

【技术领域】

本发明属于机器人智能驱动单元应用开发领域，尤其涉及一种智能驱动单元的电机、减速器选型方法，该方法主要针对智能驱动单元，能够快速的找到匹配设计性能要求的智能驱动单元电机和减速器。

【背景技术】

智能驱动单元是机器人应用领域新兴的关节一体化技术，是协作机器人最主要的关键部件。智能驱动单元集传动、驱动、传感、控制等技术为一体，是一个高度集成化的机电部件，其集成度和智能化程度直接关系着机器人的精确程度。智能驱动单元的性能，如定位精度、速度以及响应时间都与电机、减速器的选型密切相关，选用合适的电机、减速器，既能保证智能驱动单元的正常工作，又能避免电机、减速器性能上的浪费。

传统的电机、减速器选型通常是按照工作条件通过大量计算得到输出功率、传动比、输出转速、输出转矩等参数，容易出错，设计过程中必须通过大量的计算和验证，不允许计算中出现失误，计算中的失误极有可能导致选型错误，再依据这些确定的参数，尽量使得选用的电机、减速器参数接近理想输出功率、减速比，这个过程需要反复的查询机械设计手册，通过初选，然后验算选取的电机、减速器的型号是不是符合初选要求，而往往初选的时候会考虑多种电机减速器进行对比，需要消耗大量的人力。随着协作机器人以后大规模的生产以及电机、减速器的种类、品牌、型号越来越多，人工对电机、减速器选型已经不符合机器人高速发展的技术要求，需要更多的“智能”选型方法。

【发明内容】

为克服智能驱动单元电机、减速器选型参数工作量大、效率低等缺点，本发明提供一种智能驱动单元的电机及减速器选型方法。该方法能根据智能驱动单元的设计技术指标，计算出最符合性能要求的匹配的电机、减速器参数和型号。

本发明在现有技术中建立电机、减速器数据库思想的基础上，通过新的计算方法获得适用于智能驱动单元的电机、减速器关键参数，电机、减速器的选型更加精准，并提出一个新的考核参数荷质比作为最终的选型依据，同时该发明是针对新兴领域机器人智能驱动单元而开发的，电机和减速器都要求是空心的，具有其专门的应用领域。综上，该计算和选型方法有利于提高驱动单元的性能及设计效率，降低成本及减小智能驱动单元设计难度。

本发明采用的技术方案如下：

一种智能驱动单元的电机和减速器选型方法，包括以下步骤：

(1)建立适用于智能驱动单元的电机、减速器产品数据库；

(2)电机初步选型，包括：由下述公式计算得到初选电机的最小额定输出功率P_e，即

P_e＝120％·0.01745·T·ω/η

其中T是驱动单元目标输出力矩，ω是所述驱动单元的目标转速，η为减速器的传动效率；

额定输出达到P_e的电机即为初步选型的电机；并同时得到初步选型电机的额定扭矩、额定转速和重量；

(3)减速器初步选型，即根据选定电机的参数来选择相应的减速器，从而获得多组电机、减速器匹配对，具体包括：

基于选定电机的参数，由下述公式计算得到最小减速比i_min：

i_min＝T/(T_R·η)

其中，T_R为电机的额定扭矩；

再由下述公式确定最大减速比i_max：

i_max＝N_E/(ω/6)

其中N_E为电机额定转速；

由最大、最小减速比得到减速器的减速比范围，减速比范围内的减速器即为匹配选定电机的减速器；

(4)验证电机、减速器匹配对并根据荷质比择优选取；包括：基于下述两个条件验证一对电机、减速器是否满足设计指标的要求，即

验证条件1：减速器平均负载转矩的容许最大值大于驱动单元输出力矩；

验证条件2：减速器容许平均转速大于电机的额定转速；

如果一对电机、减速器同时满足上述两个验证条件，则这对匹配的电机减速器满足设计指标的要求，否则视为不满足设计指标要求；

从满足设计指标的电机减速器对中，选取荷质比μ最大者作为最终选型方案，其中荷质比μ通过下述公式计算：

其中，m_E为选择电机的重量，m_H为选择减速器的重量；

(5)计算电机、减速器选型后的驱动单元参数。

进一步地，所述电机数据库的主要参数包括：电机的类型、极对数、额定电压、额定转速、额定转矩、输出功率、额定电流、25℃转矩常数、反电势常数、定子电感、定子电阻、磁链、转动惯量、阻尼系数、基本尺寸、重量。

进一步地，所述减速器数据库的主要参数包括：减速器型号、减速比、容许的最大转矩(起动、停止时)、平均负载转矩的容许最大值、瞬间容许最大转矩、容许最高输入/出转速、容许平均输入转速、背隙、基本尺寸、重量。

进一步地，所述步骤(5)包括根据选型的电机、减速器性能重新计算驱动单元的运动速度和力矩。

进一步地，由下述公式计算得到驱动单元的运动速度，即智能驱动单元的转速ω_R：

其中n_E为选定电机转速，i为选定减速器的减速比。

进一步地，由下述公式得到驱动单元的驱动力矩，则在选定电机、减速器的配置下，驱动单元的力矩T₁为：

T₁＝T_Eη_Ei

其中T_E为选定电机的额定扭矩，η_E为选定减速器的传动效率。

【附图说明】

此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明电机计算与选型方法流程图。

图2是本发明减速器计算与选型方法流程图。

图3是本发明电机、减速器方案确定方法流程图。

【具体实施方式】

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

智能驱动单元的基本组件包括力矩传感器、绝对值编码器、减速器、电机、增量式编码器、制动器、驱动器等，通过智能驱动单元的主轴将这些组件有机的串联在一起组成智能驱动单元。智能驱动单元受到组件之间的匹配和尺寸的限制。本发明针对其中的电机和减速器进行选型，具体方法详细说明如下：

(1)建立适用于智能驱动单元的电机、减速器产品数据库

智能驱动单元使用的电机、减速器与其他电机、减速器的主要区别是空心的，电机数据库的主要参数包括：电机的类型、极对数、额定电压、额定转速、额定转矩、输出功率、额定电流、25℃转矩常数、反电势常数、定子电感、定子电阻、磁链、转动惯量、阻尼系数、基本尺寸、重量。

智能驱动单元用减速器数据库的主要参数包括：减速器型号、减速比、容许的最大转矩(起动、停止时)、平均负载转矩的容许最大值、瞬间容许最大转矩、容许最高输入/出转速、容许平均输入转速、背隙、基本尺寸、重量。

(2)电机初步选型

参见附图1，其示出了本发明电机初步选型的过程，通过下述三个设计指标来初步确定智能驱动单元的电机和减速器，驱动单元目标输出力矩T、驱动单元目标转速ω、驱动单元的目标荷质比μ；

驱动单元目标转速ω的单位是度每秒(°/s)，驱动单元目标输出力矩T的单位是N·m，由下述公式(1)计算得到电机输出功率P_e，单位w，则由功率范围系数确定初选电机的额定输出范围：

P_e＝120％·0.01745·T·ω/η

(1)其中P_e为初选电机最小的额定输出功率，η为减速器的传动效率，考虑20％的电机裕度；额定输出达到此参数的电机即为符合要求的电机，初步选定电机，同时可以获得电机的关键参数，包括电机的额定扭矩、额定转速和重量。

(3)减速器初步选型

参见附图2，其示出了本发明减速器初步选型的过程，首先由下述公式(2)计算得到最小减速比i_min：

i_min＝T/(T_R·η)

(2)其中，i_min为减速器最小减速比，T_R为电机的额定扭矩；

再由下述公式(3)确定最大减速比i_max：

i_max＝N_E/(ω/6)

(3)

其中N_E为电机额定转速；

由最大、最小减速比得到减速器的减速比范围，减速比范围内的减速器即为满足要求的减速器，减速器的选择是根据选定的电机参数获得的，因此初步选定减速器的同时，可以得到满足输出要求的n组电机、减速器匹配对。

(4)验证电机、减速器匹配对并根据荷质比择优选取

参见附图3，其示出了本发明选取电机、减速器匹配对的过程，验证电机、减速器的匹配基于下述两个条件：

验证条件1：减速器平均负载转矩的容许最大值大于驱动单元输出力矩。

验证条件2：减速器容许平均转速大于电机的额定转速。

如果一对电机、减速器满足上述两个验证条件，则这对匹配的电机减速器即满足设计指标的要求，如果有其中任何一个条件不满足，则该对电机减速器不符合性能要求，不能选用。

从满足设计指标的电机减速器对中，选取荷质比μ最大者作为最终选型方案，荷质比由公式(4)得出：

其中μ为电机减速器荷质比，m_E为选择电机的重量，m_H为选择减速器的重量。

(5)计算电机、减速器选型后的驱动单元参数

由以上计算及选型确定一对符合条件的电机、减速器型号时，根据电机、减速器的性能重新计算驱动单元的运动速度和力矩；由下述公式(5)计算得到驱动单元的运动速度，即智能驱动单元的转速ω_R：

其中n_E为选定电机转速，i为选定减速器的减速比。

由下述公式(6)得到驱动单元的驱动力矩，则在选定电机、减速器的配置下，驱动单元的力矩T₁

T₁＝T_Eη_Ei

(6)其中T₁为驱动单元的输出力矩，T_E为选定电机的额定扭矩，η_E为选定减速器的传动效率。

由以上步骤，根据智能驱动单元的设计指标目标扭矩、目标转速对电机型号进行初步选定；根据设计指标目标扭矩、目标转速以及初步选定电机的扭矩、转速初步选定减速器，最终通过验证条件以及智能驱动单元另一个指标荷质比来确定电机、减速器选型的最终方案。

本发明根据智能驱动单元三个设计指标，驱动单元目标输出力矩、驱动单元目标转速、驱动单元的目标荷质比，通过计算电机、减速器关键参数的方式，分步骤地从建立的电机、减速器数据库中选取最为合适的电机、减速器型号。该电机、减速器计算与选型方法主要针对协作机器人智能驱动单元的电机、减速器的选型，具有选型快速、准确等特点，克服机器人关节传统选型费时、费力、效率不高的缺点，极大地提高了智能驱动单元电机、减速器选型的效率。

下面使用一个具体的实施例对本发明的选型方法进行说明：

(1)建立适用于智能驱动单元的电机、减速器产品数据库

本实施例中采用苏州奥特维新电机、科尔摩根的无框力矩电机和绿地谐波减速器。苏州奥特维新电机的系列有：ATM60.35.14、ATM60.35.25、ATM60.35.51、ATM86.10、ATM86.20、ATM86.30和ATM138.40；科尔摩根的电机TBM60系列(TBM-6013、TBM-6025、TBM-6051)、TBM76系列(TBM-7615、TBM-7631、TBM-7646)、TBM129系列(TBM-12913、TBM-12941、TBM-12955)。参数有电机的类型、极对数、额定电压、额定转速、额定转矩、输出功率、额定电流、25℃转矩常数、反电势常数、定子电感、定子电阻、磁链、转动惯量、阻尼系数、基本尺寸、重量等。绿地谐波减速器的系列有LSS-I型谐波减速器、LSS-II型谐波减速器、LSS-C型谐波减速器、LHT-I型谐波减速器、LHT-II型谐波减速器、LHT-III型谐波减速器、LHT-IV型谐波减速器、LHT-V型谐波减速器。参数有减速器型号、减速比、容许的最大转矩(起动、停止时)、平均负载转矩的容许最大值、瞬间容许最大转矩、容许最高输入/出转速、容许平均输入转速、背隙、基本尺寸、重量等。

(2)电机初步选型

某智能驱动单元的三个设计指标为：关节额定转速280°/s，额定扭矩50N·m，荷质比为0.45；

由公式(1)可得输出功率为315w，则初步选定的电机分别为ATM86.20(326.7w)和TBM-7631-A(325w)。ATM86.20电机的额定扭矩1.3Nm，额定转速2400r/min，重量0.69kg，TBM-7631-A电机的额定扭矩1.3Nm，额定转速2375r/min，重量0.704kg。这两款电机的关键参数基本一致。

(3)减速器初步选型

根据公式(2)，两款电机的额定扭矩都是1.3N·m，可得到减速器的最小减速比都为i_min＝48。根据公式(3)，ATM86.20电机对应减速器的最大减速比i_max＝60，TBM-7631-A电机对应减速器的最大减速比i_max＝59.4。根据减速器规格表，可以选择减速比为50的减速器。根据实际情况和减速器在智能驱动单元上的安装方便，选取LHSG-III型中的LHSG-20-50-C-III和LHSG-25-50-C-III两种型号的减速器满足要求。这样可以获得ATM86.20电机和LHSG-20-50-C-III减速器、ATM86.20电机和LHSG-25-50-C-III减速器、TBM-7631-A电机和LHSG-20-50-C-III减速器以及TBM-7631-A电机和LHSG-25-50-C-III四组电机减速器对。

(4)验证电机、减速器匹配对并根据荷质比择优选取

根据验证条件1，减速器平均负载转矩的容许最大值大于驱动单元输出力矩，而LHSG-20-50-C-III减速器的平均负载转矩的容许最大值为42Nm，小于智能驱动单元的输出力矩50Nm，因此含有LHSG-20-50-C-III减速器的电机减速器组可以排除，不符合要求。

剩下2组电机减速器对：ATM86.20电机和LHSG-25-50-C-III减速器，TBM-7631-A电机和LHSG-25-50-C-III。这两组电机加速器对的输出扭矩相同，而TBM-7631-A电机和LHSG-25-50-C-III组合比ATM86.20电机和LHSG-25-50-C-III减速器组合略重，荷质比小0.5％，且能提供智能驱动单元的转速低1％。因此最终选择方案为ATM86.20电机和LHSG-25-50-C-III减速器组合。

(5)计算电机、减速器选型后的驱动单元参数

由公式(4)计算得到驱动单元的荷质比，则智能驱动单元的荷质比为：

由公式(5)计算得到驱动单元的运动速度，则智能驱动单元的转速：

由公式(6)得到驱动单元的驱动力矩，则在电机、减速器的配置下，驱动单元的力矩：

T₁＝T_Eη_Ei＝52N·m

最终确定的智能驱动单元的参数，输出扭矩52N·m(设计50N·m)，额定转速288°/s(设计280°/s)，荷质比0.458(设计0.45)，完全满足设计指标。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (4)

1.一种智能驱动单元的电机和减速器选型方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立适用于智能驱动单元的电机、减速器产品数据库；所述智能驱动单元的组件包括力矩传感器、绝对值编码器、减速器、电机、增量式编码器、制动器、驱动器，通过智能驱动单元的主轴将这些组件串联在一起组成智能驱动单元；

(2)电机初步选型，包括：由下述公式计算得到初选电机的最小额定输出功率P_e，即

P_e＝120％·0.01745·T·ω/η

其中T是驱动单元目标输出力矩，ω是所述驱动单元的目标转速，η为减速器的传动效率；

额定输出达到P_e的电机即为初步选型的电机；并同时得到初步选型电机的额定扭矩、额定转速和重量；

(3)减速器初步选型，即根据选定电机的参数来选择相应的减速器，从而获得多组电机、减速器匹配对，具体包括：

基于选定电机的参数，由下述公式计算得到最小减速比i_min：

i_min＝T/(T_R·η)

其中，T_R为电机的额定扭矩；

再由下述公式确定最大减速比i_max：

i_max＝N_E/(ω/6)

其中N_E为电机额定转速；

由最大、最小减速比得到减速器的减速比范围，减速比范围内的减速器即为匹配选定电机的减速器；

(4)验证电机、减速器匹配对并根据荷质比择优选取；包括：基于下述两个条件验证一对电机、减速器是否满足设计指标的要求，即

验证条件1：减速器平均负载转矩的容许最大值大于驱动单元输出力矩；

验证条件2：减速器容许平均转速大于电机的额定转速；

如果一对电机、减速器同时满足上述两个验证条件，则这对匹配的电机减速器满足设计指标的要求，否则视为不满足设计指标要求；

从满足设计指标的电机减速器对中，选取荷质比μ最大者作为最终选型方案，其中荷质比μ通过下述公式计算：

其中，m_E为选择电机的重量，m_H为选择减速器的重量；

(5)计算电机、减速器选型后的驱动单元参数，根据选型的电机、减速器性能重新计算驱动单元的运动速度和力矩，由下述公式计算得到驱动单元的运动速度，即智能驱动单元的转速ω_R：

其中n_E为选定电机转速，i为选定减速器的减速比。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电机数据库的主要参数包括：电机的类型、极对数、额定电压、额定转速、额定转矩、输出功率、额定电流、25℃转矩常数、反电势常数、定子电感、定子电阻、磁链、转动惯量、阻尼系数、基本尺寸、重量。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的方法，其特征在于，所述减速器数据库的主要参数包括：减速器型号、减速比、起动、停止时容许的最大转矩、平均负载转矩的容许最大值、瞬间容许最大转矩、容许最高输入/出转速、容许平均输入转速、背隙、基本尺寸、重量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由下述公式得到驱动单元的驱动力矩，则在选定电机、减速器的配置下，驱动单元的力矩T₁为：

T₁＝T_Eη_Ei

其中T_E为选定电机的额定扭矩，η_E为选定减速器的传动效率。

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