【选型计算】非标机械设计：电机的选型计算

点击下方名片｜关注时光 专注于非标机械设计领域的研究，分享机械经验，选型计算，机械感悟，SW教学，CAD教学，电子资源，好书推荐的一个公众 号专栏。 首先，我们先来说说整个机械设计项目的流程吧！项目刚开始的时候，最需要弄清楚的，是工艺。因为了解工艺后，才能对设备的运作方式有整体的认识。需要注意的是，这里所说的工艺，不是零件的生产工艺，而是机器或者生产线，需要实现的工艺。比如，是实现自动切菜，还是自动上菜？是实现物料的搬运，存储？还是实现自动分拣打标？是实现自动印刷？还是自动校准固胶等？为什么这么说呢？因为这是客户最直接的需求。弄清楚工艺，也就是弄清楚客户的需求，需求决定解决方案。无论做什么，卖产品也好，卖服务也好，第一件事情，是了解客户需求，甚至以客户的身份，深度体验购买过程，剖析并深挖客户需求。比如，你在朋友圈卖石榴，在电商平台卖手机，在本地服务平台做清洁服务等，其实都是在满足客户的需求。卖石榴满足客户的营养，健康，口感，送礼等需求。卖手机满足客户的拍照，沟通，获取信息，娱乐，甚至创作等需求。做清洁服务，满足客户的卫生，健康，节省时间等需求。当然，在广告语上，往往只强调一个点，以突出卖点，锁定特定的客户，定位也更为清晰。例如，现在很多品牌手机，只强调拍照功能。好了，我们回到正题。了解和分析工艺这一步，需要多跟客户沟通。往往，客户会随着沟通的深入，不断增加新的需求，或者更新需求。比如，2年前，给英特尔做项目时，前期沟通了好几个月，他们陆陆续续地提出新的要求。而且，更严苛的是，他们还参与全程开发过程，以最大限度地掌控进度和质量。例如，从方案到概念再到具体设计，从生产到装配再到测试，整个项目开发过程中，项目进行到哪里了，遇到什么问题，问题的解决方案是什么，每一周都要更新状态，直到项目交付。强悍吧。不过想来也理解，人家是客户，有啥要求，我们就要满足，毕竟客户第一。说远了，继续回到工艺。一台设备，或者一个工作站，往往核心工艺只有一两个，其他的大部分是辅助功能，像物料传送，定位，夹紧，图像识别等。比如，最近做的等离子清洗机。核心工艺，就是对车载相机的镜头和传感器沾合前，做对应粘合面清洗。因为数据表明，经过清洗后，水滴角（水在平面上的张角）可明显减小，从原来的78度较小到24度，粘合力显著提高，有助于密封和粘合的可靠性(Reliability)。正是因为有这个工艺要求，所以才开发设备，而此机的核心工艺就是等离子清洗，其他的，就是物料的传输，定位，物料识别等功能。比如，前段时间的连杆推动机构《如何用连杆机构，把水平运动转为垂直运动？含案例剖析》，就属于物料传送模组。再比如，上次在文中提到的，150毫米气缸推动轴（参见《Rc1/8，G3/4，NPT1/4的含义是什么？BSPT，NPT，Rc，G等螺纹又有什区别？》），属于尾气处理系统的一部分。这个处理系统，包括推动轴和真空抽气装置，臭氧分解器及50毫米大管径先导阀控制气路等，都属于辅助功能模组。当然，设备的工艺，往往涉及多个动作和复杂的时序。这个时候，需要用PPT，或者时序表，把每一步动作表示出来，特别是时间上的分配，和动作衔接，这有利于后续方案选择，电机计算等。关于动作的表示，我有一个简单的例子，其实也是之前在文中提到过，叫《测头更换流程》。当然，实际的动作，还会加入运动时间，以及停留时间，并以此为依据，计算出各个电机的均方根扭矩和最大扭矩。且知道整个流程消耗的时间后，便可计算出整机的生产效率，如果不满足要求，那么就需要调整每个动作的时间分配，直到满足要求。到这里，我们明白了工艺为先的重要性。了解并分析工艺后，那么下一步呢？下一步，满足工艺要求的方案有哪些？其实就是做方案对比和选择了。这里所说的方案，包含两部分，一部分是整体的方案，可以说是整体概念设计，另一部分是功能模块的方案设计。其实，在做整机布局的时候，就已经开始思考，整机需要哪些功能，实现哪些动作，用什么模组来分解动作，动作的先后顺序等问题。比如，在等离子清洗机上。需要Z升降平台，把镜头物料盘输送到中间传送带（由连杆机构踢出物料盘），然后中间传送带整体移动，把镜头输送到工作平台上，工作平台上有定位和夹紧机构，平台可以做直线运动，把物料传送到拾取头下方，拾取头拾取并翻转180度，把镜头送到等离子清洗头下方，等待做清洗。清洗完成，需要把镜头放回物料盘，每一次取放之前，需要相机拍照定位，并且判断物料盘中对应的凹槽里是否有镜头，等等功能，在整体方案阶段，这些功能就确定了。做方案的时候，可以先不忙画三维模型，更多的是用草图，简单的块视图，和表格等表示，以避免产生过多的无用功。视图表达运动轴和重要的结构，以及大概的布局等。例如，我之前在《如何用连杆机构，把水平运动转为垂直运动？含案例剖析》中分析方案时，都是用块视图表达概念。还记得多年前，曾经的老板用PPT块视图，画了一台机。而表格，则列出重要的参数，比如行程，速度，动作时间，推力等信息，这些信息大部分都是从工艺分析得来的，到后期，会构成模组和设备的设计参数。当然，整体布局可能只是一个大体方向，在具体三维布局时，可能会做一些调整，因为还涉及到模组之间的交接，空间细节分配等问题。同时，方案可能会讨论很多次，更新很多次，最后挑选最好最合适的。这样，整体概念就有了。整体概念有了，那接下来呢？整体方案差不多了，就开始分配具体的子模组了。这个时候，需要把动作分配到不同的模组，通过相互配合，来实现需要的功能。从刚刚说的工艺分析和整体概念设计，就得到了子模组的设计需求，比如行程，载荷，速度，位置检测等。每一个功能模块，一般会做几个方案，结合重点考虑因素，比如精度，行程，载荷，空间，可靠性(Reliability)，刚性，成本等因素综合选择。不同的因素，在不同的应用里重要程度不同，可以自己给这些因素打分，做加权评估来选择。如果在行业内，已经有竞争对手在做这件事（一般都会有，因为现在的市场都非常细分），那么，方案阶段，也会分析竞争对手的做法。看看他们是如何设计的，有哪些好处，值得学习的地方，可以借鉴。比如，我在《记三坐标测量机设计经历》，和《机器人末端的快换装置，有哪些设计要点？》中，有考察对手的做法。可以说，向对手（有时是供应商）学习，是非常好的一个学习思路，可以迅速找到重点。其实，我发现，不只是在设计上会考察对手，在其他很多领域里，都会有类似的思维模式。比如，在产品定位，在营销获客，在客户后端价值开发等方面，都有拆解对手这一思想。例如，你想通过朋友圈卖橘子，首先你要对自己做一个定位，你是单纯卖橘子，还是卖健康，还是卖个人品牌等，不同的定位做法不一样，因为这决定了你客户群体，也间接对客户做了一个定位。期间，需要收集一批竞争对手，比如收集10个，看看他们如何定位的，如何对外传播的，你如何区别于他们，优势是什么，这就要充分考察对手，并做自我剖析。扯远了，我们回到子模组的设计上。子模组的设计，往往就会探讨得更为具体了。比如，动作的实现方式，驱动方式，传动方式，动作或者位置的检测，定位方式，布局的维护方便性等。更为具体的，就是电机，气缸，导轨，传感器等标准件的计算，选择，空间布局等。选择并布局好了标准件，接下来就是零件设计。零件设计主要是结构设计，涉及选材，刚性，散热，可加工性，安装便捷性等问题。比如，对于刚性的考虑，需要在确定负载，精度，分辨率等控制参数后，得到运动轴的最小设计频率。或者用经验公式2πf＝√(Acceleration/Error)，来估算系统需要的频率。例如，系统能够达到的加速度是10m/s^2，系统要求的误差是0.1mm=0.1*10^-3m，那么系统需要做到的最小频率为f＝［√10/（0.1*10^-3）］/（2*3.14）＝50.4Hz。以得到的频率为依据，做满足刚性的结构，通常就需要做模态分析，看频率分布如何，如果关心的方向自然频率太低，那么就要加强刚性。同时，对于高精度，一般也需要做误差分析，特别是有悬臂结构的时候，更需要结合结构刚性，分析误差。我举一个例子，之前做过一个抓子，这个抓子安装在机器人UR5末端关节上，抓取的物料是矩形塑料盘。因为物料盘可能堆叠，所以只能从上方抓取，而真空抓取可用的面积非常小，且不太可靠，所以决定用机械方式抓取，而底部只有四个角落处有开口，所以只能从这里入手。设计概念如下图，通过电机驱动中间的粉红色轴，进而驱动偏心轮，偏心轮上的滚轮推动抓子做直线运动，实现抓放功能。误差分析如上图。因为盘子可能堆叠15片，所以盘子本身可能是倾斜的，抓取的位置只能是盘子两侧的开口，开口宽度25.4毫米，高度非常有限，只有2.54毫米，这就意味着，抓子要伸进这2.54毫米里面去抓取。因为抓子相对于机器人末端关节，是悬臂结构，所以抓子结构刚性，机器人定位误差，视觉定位，加工装配等，都会引入误差，这些误差加上抓子的厚度，必须要落入这2.54毫米里面，要求还是挺高的。所以当时有一个误差分配。物料误差：0.6mm，因为物料盘是行业标准，所以无法改变。机器人重复定位误差:0.1mm。因协作机器人是采购的，定位精度和重复性误差已确定(关于二者的区别，可以参考《分辨率，定位精度，重复定位精度三者之间有什么关系？》)，所以无法改变。视觉定位误差：0.1mm，可以通过算法优化实现。刚度误差：0.2mm，可以结构优化实现。加工装配误差：0.2mm，提要求，可以做到。这些误差总和最大可能达到1.2mm，这就意味着抓子在进入物料时，上下间隙只有（2.54-1.2-T）/2mm，其中T表示抓子厚度。如果要保证上下至少0.5毫米的间隙，那么抓子厚度，最大只能做到0.34毫米。要想再厚的话，就只有压缩刚度误差，视觉定位误差，或者加工装配误差，不然，抓子卡住的风险就很高了。所以，后来通过刚性加强，算法优化，公差控制，装配指引等控制好误差，才通过试验测试。好开心，OK。等模组主体结构做得差不多了，还需要考虑模组的电线如何布置。通常会在电元件附近用中间接头断开一次，然后对接接头再接到控制器，电源等接口处。例如，通常的电机，传感器，电磁阀等，中间插头放置在对应元件附近，方便元件损坏时，快速更换。另外，对于编码器等重要信号，还有抗电磁干扰等考虑，所以一般用屏蔽接头，屏蔽电缆。同时，对于气动方面，气路设计是怎么样？是否加减压阀？是否加真空传感器？这些元件放置在哪里？等等问题，都需要弄清楚。等子模组都设计得差不多了，会重点考虑两个事情。第一，需要定义模组之间，模组和机器安装板之间的装配关系，以及校调方式。对于高速高精度运动，往往模组和整机，或者机架，还需要做CAE分析，看模态分布，低频出现在哪一阶，以此为依据，来加强某个方向的刚性。第二，模组设计得差不多了，就需要考虑整机的电配置了，有多少电机，多少传感器，多少编码器，多少电磁阀，电子原件编号是多少等。把这些信息汇总到一个表格里，方便管理，也方便部门之间的沟通协作，特别是和做控制，做电路的同事沟通。并以这个列表，来决定系统上用多少控制器，多少功率的电配置等。同时，需要考虑机器的电箱和PC如何布置，电线如何走到电箱，插头容易插拔吗，空间是否足够等问题。这些都影响到机器的机架设计，很多时候，都会因为电箱的布局，调整机架设计。到这里，基本就是细节设计快完成的时候了。这个时候，还有很重要但是常常被忽略的一件事，就是分析各个模组可能的失效形式。以及失效后有什么影响，如何从设计上减小失效的概率等，也就是大家常说的DFMEA。这就要结合模组原理和采购件的失效形式来判断。比如，使用同步带驱动时，那么，有可能的失效形式是同步带断掉，需要加位移传感器，来检测驱动是否到位。如果断掉，设计上要做到方便快速地更换，以免耽误生产。再比如，使用线性马达驱动时，如果太靠近高温热源，那么，磁铁有可能会退磁，导致马达坏掉，驱动不了。这个时候，需要考虑做冷却，或者隔热处理等。还有一些重要的电部件的电缆，比如相机数据传送线，传感器等的信号线，有最小弯曲半径要求，一般至少是电线半径的10倍，例如电线直接6毫米，弯曲半径最小30毫米，如果设计得太小，内应力会使得使用寿命大打折扣，特别是当它被设计成运动线，循环应力会导致疲劳，很快线芯就断了，应当避免，可以设计成比较大的弯曲半径，比如15倍线半径。如果设计时满足最小弯曲半径要求，但是用久了，还是有可能会断掉，那么就需要更换电线或者部件，就要考虑更换的方便性，空间可操作性等。最后，等结构设计完成，电路设计完成，气路设计完成，各种电和气元件摆放好，还需要做一些电和气元件的支撑件和安装件等。同时，在各个模块设计好后，还需要做机器盖子，门板，还有机器外观设计等。其中，动门设计需要有安全锁，比如门一打开，里面的运动模块就停下，以保证操作人员的安全。等等，等等，还有很多内容。但是我发现，我已经严重超出篇幅了。所以，先说到这里，更多的内容，以后再细说。最后总结一下，有一个问题列表，基本上就是按照流程，去解决这些问题。1.客户要完成的工艺是什么？2.满足工艺要求的方案有哪些？包括整体方案和模块方案。3.竞争对手是怎么做的？4.我们用哪种方案，为什么？从精度，载荷，行程，可靠性(Reliability)，可加工性，成本，刚性，强度，复杂程度，占用空间，重量，等方面综合比较。5.整机整体上有哪些动作？被分成哪些子模组？需要光学定位，成像分析等模块否？6.各个模组有哪些动作？动作的先后顺序是什么？动作和停留时间是多久？7.各个模组用什么原理实现？用滚珠丝杆等标准设计，还是凸轮，楔形块，连杆等自由设计？8.驱动用电机还是气缸？多大电机或者气缸？电机的扭矩余量是多少？气缸的推力或者扭矩余量是多少？9.传动用什么？齿轮齿条，滚珠丝杠，同步带，减速器等的选择，满足精度要求吗？满足受力，扭矩或者寿命要求吗？余量是多少？10.导向用什么？直线导轨，交叉滚柱，衬套，滑板，还是自己设计的低摩擦导轨？精度和受力，作用力矩够吗？余量是多少？寿命是多久？11.结构件的设计刚性足够吗？怎么加工？成本可接受吗？如何改进可以使得成本更低？12.关键结构的频率是多少？满足控制频率要求吗？如何加强刚性？13.模组上的电线电流够用吗？需要电磁屏蔽吗？如何布局线缆，弯曲半径够吗？方便更换电元件吗？14.各个模组，可能有哪些失效形式？失效后有什么影响？原因是什么？设计上如何改进？15.模组怎么装配，装配指引是怎么样的？怎么拆卸？16.模组之间怎么校调，怎么连接的？连接后的刚性够吗？前几阶模态频率是多少？17.整机的电缆如何布局？插拔方便吗？18.从模组和整机来看，如何做易损件的更换？空间足够吗？操作方便吗？19.对于关键交互模组，系统误差分配是怎么样的？20.哪些设计需要做测试验证？如何简单验证，验证的关键结果是什么？21.在装机之前，模组需要做哪些测试？有准备好测试项目列表吗？测试的内容和数据，满足哪些要求才算通过？ 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