3.6.3多軸機(jī)器人應(yīng)用中DIPIPM™的健康管理
多軸機(jī)器人在工業(yè)控制領(lǐng)域是一個(gè)比較時(shí)髦的應(yīng)用，也是工業(yè)4.0，中國(guó)制造2025里的重要內(nèi)容。圖11就是一個(gè)典型的多軸機(jī)器人。其一共有6個(gè)受伺服電機(jī)控制的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，所以也被稱為6軸機(jī)器人。
圖11 6軸機(jī)器臂示意圖
前一節(jié)我們是針對(duì)一個(gè)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的門機(jī)變頻器進(jìn)行校驗(yàn)�？此欠衲軡M足多年的運(yùn)行的條件。這次我們換個(gè)方向。如何從設(shè)計(jì)之初就考慮壽命問題。如何確定設(shè)計(jì)一款伺服驅(qū)動(dòng)器能滿足多年運(yùn)行的要求。
首先，重中之重的第一步是確定一下基本條件，就像表2這樣。
表2 伺服驅(qū)動(dòng)器相關(guān)應(yīng)用條件
然后是運(yùn)行周期。同樣是運(yùn)行50000小時(shí)，是以10s一個(gè)循環(huán)走還是以20s一個(gè)循環(huán)走，對(duì)循環(huán)次數(shù)的影響非常明顯。多軸機(jī)器人的最常見運(yùn)動(dòng)以急加速、急減速為特征的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。圖12為伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行模式示意圖。
圖12 伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行模式示意圖
其中：
黃色：速度曲線
灰色：輸出電流曲線。
T1：加速時(shí)間。一般此時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)器會(huì)以允許的最大電流工作。我們假設(shè)T1=3s。
T2：整個(gè)運(yùn)行循環(huán)的時(shí)間。我們假設(shè)T2=20s
那么在50000小時(shí)的壽命中，我們的伺服驅(qū)動(dòng)器需要運(yùn)行50000小時(shí)/20s=9M次
根據(jù)圖5的功率循環(huán)曲線和表2的1000ppm的損壞率要求。那么單次運(yùn)行中ΔTj-c需要低于25℃。
可能有些讀者要說了，你都整了這么多了，模塊用哪個(gè)啊？是時(shí)候介紹我們的主角了。接下來有請(qǐng)我們新一代明星，PSS50S73F6。它是三菱電機(jī)第7代小型DIPIPM™。在兼容以前同封裝器件的基礎(chǔ)上，又把最大結(jié)溫提升到了175℃。讓我們看看，在表2的條件下PSS50S73F6可以跑到多少電流。
圖13 PSS50S73F6仿真界面
答案來了。Io=24Arms。也就是說PSS50S73F6在上述這些工況下，每10s跑一個(gè)24A有效值的電流，可以跑50000小時(shí)。
另外需要說明的是這個(gè)電流是在無限散熱支持下，需要重復(fù)運(yùn)行的電流。怎么理解？
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伺服驅(qū)動(dòng)器并不具備無限散熱能力。設(shè)計(jì)條件中的Ts=90℃是需要實(shí)踐驗(yàn)證的，你設(shè)計(jì)的散熱器､風(fēng)道､風(fēng)扇是否足以將相應(yīng)的熱量帶走。
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既然是需要重復(fù)運(yùn)行，那就涉及到周期，多久跑一次。如果周期更短，周期數(shù)更多，相應(yīng)需要更低的ΔTj-c和更低的運(yùn)行電流。
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對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)器來說除了需要重復(fù)運(yùn)行的電流，還有不需要重復(fù)運(yùn)行的電流，比如堵轉(zhuǎn)。此類工況的仿真主要涉及到Tjmax的仿真。待會(huì)我們來詳細(xì)說說。
我們現(xiàn)在中場(chǎng)休息。廣告之后馬上回來。
好了，我們下半場(chǎng)開始。下半場(chǎng)我們?cè)敿?xì)講講堵轉(zhuǎn)工況的仿真。
首先什么是堵轉(zhuǎn)？字面意義上理解，電機(jī)由于外部機(jī)械原因?qū)е虏荒苻D(zhuǎn)動(dòng)。沒錯(cuò)，這是被動(dòng)的堵轉(zhuǎn)。相應(yīng)的還會(huì)有主動(dòng)的“堵轉(zhuǎn)”。當(dāng)然一般也不會(huì)叫這個(gè)名字。一般會(huì)被叫做‘驅(qū)動(dòng)器使能’或者‘力矩保持’等等。兩者的異同主要如表3所示。
表3 主動(dòng)堵轉(zhuǎn)和被動(dòng)堵轉(zhuǎn)的異同
這一節(jié)呢，我們主要講一講由于機(jī)械原因?qū)е碌谋粍?dòng)堵轉(zhuǎn)。當(dāng)這種堵轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí)，我們需要以怎么樣的方式去設(shè)置保護(hù)點(diǎn)。我們還是羅列一下工作條件，如表4。
表4 堵轉(zhuǎn)工況仿真條件
好了，我們來看一下仿真結(jié)果，圖14。由于PSS50S73F6最大結(jié)溫為175℃，它的最大運(yùn)行結(jié)溫可以到150℃。當(dāng)Io=23.5Arms或者說Io=33.2Apeak時(shí)，ΔTj-c(max)=52.36℃，Tj(max)=150.87℃。這基本上就是我們的堵轉(zhuǎn)保護(hù)的極限值。
圖14 PSS50S73F6堵轉(zhuǎn)仿真
既然如此，我就再說說這其中的其他幾個(gè)坑。
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首先，交流還是直流？驅(qū)動(dòng)器中常見的電流計(jì)算方式是電流峰值/1.414=交流有效值。當(dāng)在交流情況下，這樣的計(jì)算沒有問題。但是如果出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)，情況就不一樣了。我們來看表5。發(fā)現(xiàn)問題了么？你以為是10Arms的交流電，實(shí)際上可能是14Arms/peak的直流電。
表5 交流電還是直流電
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接下來是仿真頻率的問題。首先當(dāng)Fo<10Hz以下時(shí)，ΔTj-c(max)和Tj(max)逐漸變大到不可忽視的程度。其次選用多少頻率進(jìn)行上述仿真，各個(gè)公司習(xí)慣不太一樣。我的習(xí)慣是伺服驅(qū)動(dòng)器用1Hz來仿真，通用變頻器用5Hz來仿真。
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剛才仿真出來的ΔTj-c(max)=52.36℃，對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù)大約是10萬次。對(duì)于單次堵轉(zhuǎn)來說無所謂。但是如果該工況是需要重復(fù)出現(xiàn)的，可以考慮限制ΔTj-c(max)≤40℃。對(duì)應(yīng)的壽命大約為100萬次。
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最后是散熱器溫度事情。如前所述，Ts=90℃是一個(gè)理想散熱下能夠維持的溫度。但是沒有一個(gè)散熱系統(tǒng)是理想的。如果堵轉(zhuǎn)只發(fā)生1-2s，我們可以忽略散熱器溫度的變化。畢竟150℃到175℃還有25℃的余量。但是如果這個(gè)堵轉(zhuǎn)要持續(xù)10s，散熱器溫度的變化不可忽視。在這10s里，散熱器溫度會(huì)逐漸升高，并推動(dòng)Tj逐漸升高，直到最終損壞。
好了，就這樣吧，下課。
