目前大部分工業(yè)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制和傳動(dòng)系統(tǒng)中，在電動(dòng)機(jī)動(dòng)力源與負(fù)載運(yùn)動(dòng)部件之間，仍然經(jīng)常需要使用中間機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，比如：伺服電機(jī)、行星減速機(jī)、同步帶、滾珠絲杠......盡管包括直線電機(jī)、直驅(qū)電機(jī)等直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，而機(jī)械部件傳動(dòng)在運(yùn)控設(shè)備的驅(qū)動(dòng)方式中將依然占據(jù)非常主流的地位。

本期，我們就來談?wù)勥@些機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的中間環(huán)節(jié)在運(yùn)控設(shè)備中起到了哪些重要作用，以及選擇怎樣的傳動(dòng)速比更合適。

實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)

受到我們目前動(dòng)力源技術(shù)能力的限制，很多直線運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用需要使用旋轉(zhuǎn)電機(jī)，并借助直線執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)部件的直線運(yùn)動(dòng)。雖然市面上已經(jīng)有非常成熟的直線電機(jī)技術(shù)，但從集成、成本和實(shí)施操作的技術(shù)門檻等各方面，旋轉(zhuǎn)電機(jī)與機(jī)械直線機(jī)構(gòu)的集成組合對(duì)于目前大多數(shù)運(yùn)控設(shè)備應(yīng)用，仍然是更為現(xiàn)實(shí)的解決方案。

比較常見的機(jī)械直線機(jī)構(gòu)，如：滾珠絲杠、齒輪齒條、蝸輪蝸桿、機(jī)械凸輪、曲柄連桿等，各自有不同的特點(diǎn)，適應(yīng)不同類型的應(yīng)用場(chǎng)合，我們會(huì)在以后的內(nèi)容中詳細(xì)聊。

降低轉(zhuǎn)速

直線運(yùn)動(dòng)需要機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，是因?yàn)樾枰獙㈦姍C(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為負(fù)載的直線運(yùn)動(dòng)；而旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，則更多的是源自轉(zhuǎn)速匹配的要求。這一點(diǎn)和汽車很類似。汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速往往幾千轉(zhuǎn)，而車速達(dá)到 100km/h 時(shí)，車輪的轉(zhuǎn)速也才一千多轉(zhuǎn)，因此在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪之間需要減速箱匹配轉(zhuǎn)速。

運(yùn)控設(shè)備也是一樣。如果了解伺服電機(jī)原理，就不難理解，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是和繞組級(jí)數(shù)成反比例關(guān)系的，也就是說，電機(jī)繞組級(jí)數(shù)越多，電機(jī)轉(zhuǎn)速越低，換言之，如果希望電機(jī)輸出速度降低，需要在相同的體積內(nèi)完成更密集的繞線，因此，低轉(zhuǎn)速的電機(jī)的制造難度更高。市面上的運(yùn)控伺服電機(jī)，大部分的額定輸出轉(zhuǎn)速都在1000 rpm 以上，比較普遍的是在1500 ～ 2500 rpm 之間。

我們生產(chǎn)設(shè)備中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)應(yīng)用中，轉(zhuǎn)速需求范圍是極大的，而且大部分都低于電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出能力，幾十轉(zhuǎn)、幾百轉(zhuǎn)是比較常見的要求，比如一臺(tái)高速柔版印刷機(jī)，線速度 400m/min, 印刷輥直徑為 300mm，其轉(zhuǎn)速需求僅為 424 rpm。因此為了匹配負(fù)載部件與電機(jī)的轉(zhuǎn)速，需要通過一些機(jī)械旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)速降到負(fù)載需要的范圍內(nèi)，我們通常稱這類旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為“減速”機(jī)構(gòu)。

比較常見的機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，主要有兩大類，一個(gè)是各類減速機(jī)（齒輪箱），另一類則是同步皮帶輪或鏈條（鏈輪），從運(yùn)控系統(tǒng)的性能（尤其是剛性）的方面看，我更推崇使用伺服級(jí)別的減速機(jī)，我們會(huì)在以后的內(nèi)容中詳細(xì)聊傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性。

提升扭矩力輸出

前面說了，在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，機(jī)械旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將較高的電機(jī)速度轉(zhuǎn)換為負(fù)載可用的較低的轉(zhuǎn)速，而我們知道，功率是轉(zhuǎn)速和扭矩的乘積

P ＝ M ＊ β

P：功率、M：扭矩、β：角速度轉(zhuǎn)速

根據(jù)能量守恒的原理，既然傳動(dòng)機(jī)構(gòu)按照傳動(dòng)減速比降低了旋轉(zhuǎn)輸出速度，那么也同時(shí)按照這樣的比例提升了旋轉(zhuǎn)輸出的扭矩。

減輕系統(tǒng)慣量，匹配慣量比

從負(fù)載側(cè)向電機(jī)側(cè)看，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)輸出速度按比例降低、同時(shí)將輸出扭矩按比例提升；而從電機(jī)側(cè)向負(fù)載側(cè)看，負(fù)載慣量在從被驅(qū)動(dòng)側(cè)向驅(qū)動(dòng)側(cè)傳遞時(shí)，其傳遞慣量是和過渡傳動(dòng)比成反比例平方關(guān)系的，也就是和速比的平方成反比，也就是說，通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按照速比的平方比例被極大的轉(zhuǎn)換降低了。

優(yōu)化設(shè)備性價(jià)比

在對(duì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)沒有大的改動(dòng)的情況下，通過調(diào)整傳動(dòng)鏈中部件之間的減速比，降低負(fù)載側(cè)（被驅(qū)動(dòng)側(cè)）的傳遞慣量，減小了系統(tǒng)負(fù)載；同時(shí)，通過機(jī)械傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)，又是可以幫助降低電機(jī)側(cè)扭矩需求的，而我們前文書有提過，電機(jī)的扭矩又是和其電流成正比的，因此，通過調(diào)整減速比，除了可以降低對(duì)電機(jī)扭矩的需求，同時(shí)可以幫助降低對(duì)驅(qū)動(dòng)器電流的需求，同時(shí)與之匹配的一系列配電組件都可以得到一定程度的優(yōu)化（比如電纜、開關(guān)、濾波器、變壓器......）。因此，其實(shí)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是可以幫助優(yōu)化運(yùn)控設(shè)備總體成本的。

通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)慣量得以降低，這一方面進(jìn)一步降低了對(duì)伺服電機(jī)動(dòng)力源扭矩輸出的要求，同時(shí)，負(fù)載慣量比也極大降低，這對(duì)于運(yùn)控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和性能的提升有著非常重要的意義。

而無論是優(yōu)化設(shè)備成本還是提升設(shè)備性能，正像文中反復(fù)提到的，這里面起到關(guān)鍵作用的就是機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的減速比。