【導(dǎo)讀】伺服電機(jī)憑借其高精度、高響應(yīng)速度和高可靠性的特點(diǎn)，已成為工業(yè)機(jī)器人和醫(yī)療機(jī)器人不可或缺的核心部件。本文將深入探討伺服電機(jī)在兩大領(lǐng)域的具體應(yīng)用，并結(jié)合實(shí)際案例，分析其技術(shù)優(yōu)勢及實(shí)戰(zhàn)方案。
摘要
伺服電機(jī)憑借其高精度、高響應(yīng)速度和高可靠性的特點(diǎn)，已成為工業(yè)機(jī)器人和醫(yī)療機(jī)器人不可或缺的核心部件。本文將深入探討伺服電機(jī)在兩大領(lǐng)域的具體應(yīng)用，并結(jié)合實(shí)際案例，分析其技術(shù)優(yōu)勢及實(shí)戰(zhàn)方案。
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在機(jī)器人的應(yīng)用場景中，機(jī)器人的控制系統(tǒng)會依據(jù)預(yù)設(shè)的任務(wù)指令，向伺服電機(jī)發(fā)送特定的控制信號。比如，當(dāng)機(jī)器人需要完成一個(gè)抓取物體的動(dòng)作時(shí)，控制系統(tǒng)會根據(jù)物體的位置、形狀以及抓取的角度等信息，精確計(jì)算出每個(gè)關(guān)節(jié)處伺服電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度、速度和時(shí)間，然后向?qū)?yīng)的伺服電機(jī)發(fā)送控制信號。伺服電機(jī)接收到信號后，迅速調(diào)整自身的運(yùn)行狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)按照預(yù)定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的抓取動(dòng)作。伺服電機(jī)在不同類型機(jī)器人中的應(yīng)用：
在汽車制造工廠中，機(jī)械臂在車身焊接、零部件裝配等環(huán)節(jié)中忙碌而有序地運(yùn)作 。每個(gè)機(jī)械臂通常由多個(gè)關(guān)節(jié)組成，而每個(gè)關(guān)節(jié)都配備了高性能的伺服電機(jī)。這些伺服電機(jī)能夠精確控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和力度，確保焊接點(diǎn)的位置誤差控制在極小的范圍內(nèi)，從而保證了車身的焊接質(zhì)量和整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行焊接作業(yè)，焊接缺陷率相比傳統(tǒng)人工焊接降低了約 30% - 50%，大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。在電子產(chǎn)品的裝配線上，工業(yè)機(jī)器人同樣發(fā)揮著重要作用。以手機(jī)主板的貼片裝配為例，由于手機(jī)主板上的電子元件體積越來越小，精度要求卻越來越高，傳統(tǒng)的人工裝配方式已難以滿足生產(chǎn)需求。而搭載伺服電機(jī)的工業(yè)機(jī)器人能夠憑借其極高的定位精度和重復(fù)定位精度，快速、準(zhǔn)確地將微小的電子元件貼裝到指定位置，極大地提高了裝配效率和產(chǎn)品的一致性。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化裝配線后，電子產(chǎn)品的生產(chǎn)效率可提高 2 - 3 倍，同時(shí)產(chǎn)品的次品率也能降低至 1% 以下 。醫(yī)療機(jī)器人正朝著微創(chuàng)、精準(zhǔn)、智能的方向發(fā)展，伺服電機(jī)為其提供了強(qiáng)大的動(dòng)力支持。以目前應(yīng)用較為廣泛的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人為例，它由主控臺、機(jī)械臂和手術(shù)器械組成。醫(yī)生在主控臺通過操作手柄，向機(jī)械臂上的伺服電機(jī)發(fā)送指令，伺服電機(jī)則能夠精確地控制手術(shù)器械的位置、角度和力度，實(shí)現(xiàn)毫米甚至亞毫米級別的精準(zhǔn)操作。在進(jìn)行心臟搭橋手術(shù)時(shí)，手術(shù)機(jī)器人能夠在狹小的胸腔空間內(nèi)，精確地縫合血管，大大提高了手術(shù)的成功率和安全性。相關(guān)研究表明，使用手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行復(fù)雜手術(shù)，患者的術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率可降低約 20% - 30%，住院時(shí)間也能縮短 1 - 3 天 。除了手術(shù)機(jī)器人，在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域，伺服電機(jī)也有著廣泛的應(yīng)用。例如，康復(fù)機(jī)器人能夠幫助患者進(jìn)行肢體康復(fù)訓(xùn)練，通過模擬人體的運(yùn)動(dòng)模式，為患者提供個(gè)性化的康復(fù)治療方案。這些康復(fù)機(jī)器人同樣依靠伺服電機(jī)精確控制機(jī)械關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，為患者提供穩(wěn)定、舒適的康復(fù)訓(xùn)練，幫助患者更快地恢復(fù)肢體功能 。先楫半導(dǎo)體推出基于HPM6200開發(fā)的四軸伺服驅(qū)控方案，本方案單軸采用FOC控制，同步計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)四軸電機(jī)以固定相位差運(yùn)動(dòng)。
四軸驅(qū)控樣機(jī)如下圖所示。
單軸驅(qū)控細(xì)節(jié)圖如下圖所示。
本方案測試電機(jī)型號信息如下表所示，如選用其他型號電機(jī)，需要重新調(diào)整PI控制參數(shù)相關(guān)宏定義即可。
| 電機(jī)型號 | 極對數(shù) | 編碼器類型 | 分辨率 |
|---|
| 雷賽智能BLM57050 | 2 | 增量式 | 4000count/r |
方案簡介：基于HPM6280高性能CPU，內(nèi)置FOC算法+H橋驅(qū)動(dòng)芯片，以50K電流環(huán)頻率實(shí)現(xiàn)4軸步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，步進(jìn)電機(jī)速度>1200RPM。該方案是專業(yè)為3D打印行業(yè)訂制，也適合舞臺燈光、雕刻機(jī)、飛達(dá)、橫機(jī)等行業(yè)應(yīng)用。方案特點(diǎn)：該行業(yè)定制化方案相比3D打印行業(yè)傳統(tǒng)TMC控制方案，具有高速打印、低系統(tǒng)成本、高同步性的優(yōu)勢。方案簡介：基于HPM6280高性能雙核MCU, 先進(jìn)精準(zhǔn)控制模塊和多達(dá)32路PWM的電機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單芯片控制雙軸和四軸伺服驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)也可以驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)。該方案非常適合工業(yè)機(jī)器臂、協(xié)同機(jī)器人、AGV、服務(wù)機(jī)器人等行業(yè)的應(yīng)用。方案特點(diǎn)：該產(chǎn)品充分利用HPM6200的雙核600MHz，支持FPU+DSP指令, 16bit ADC, 數(shù)字濾波器, PLA等特點(diǎn)，開發(fā)了高性價(jià)比的機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)。方案簡介：MR6450核心板是RISC-V核心板，采用完全國產(chǎn)自主的RISC-V內(nèi)核的HPM6450處理器，主頻高達(dá)816MHz，內(nèi)置8MB/32MB SDRAM，8MB Flash。EPC6450-AWI工控板搭載MR6450-WB32F8AWI-L核心板，將3路CANFD、2路百兆以太網(wǎng)口、1路USB-Host接口、1路DVP數(shù)字?jǐn)z像頭等資源悉數(shù)引出。應(yīng)用領(lǐng)域：電機(jī)控制、新能源、汽車儀表、醫(yī)療儀器、工業(yè)PLC、邊緣計(jì)算、音頻設(shè)備、人機(jī)界面
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