不要让这种情况发生在你身上：避免这些机器设计错误

运动控制是一种启用技术。如果您是OEM或最终用户，您可能需要运动控制技术来操作您的设备。与此同时，你真的想专注于你的核心价值主张的大部分，无论是制作鸡锅馅饼或机器，按下和包装抗酸片拿走心脏烧伤你从吃它。运动控制只是交付到市场的一部分。试图简化您的生活，我们与专家讨论，以获取运动设计人员最常见的错误列表。

选择你的汽车
选择右电机是机器设计中最关键的方面之一，但它是最常见的错误之一。首先在电机规模错误列表中？超大。

“我们估计大约80％的欧洲应用程序 - 并且可能是一个类似大量的美国应用程序 - 超大，”机电产品经理Alby King说：伦茨美洲马萨诸塞州(中的)。“在应用程序的实际要求和我们应该提供的最佳解决方案方面，存在巨大的沟通差距。“一个更大的发动机会占用更多的空间，消耗更多的能量，成本也更高。它还需要更大的努力，而这加剧了这三个问题。

在许多情况下，公司以误导的努力来保护更大的框架尺寸以保护系统。OEM或最终用户可能会触摸外壳，并发现温暖令人不安。响应是选择更大的电机，可以在未来的设计中交换或使用。一个较大的电机会运行冷却器，思考是。它将是，但它也将消耗不必要的空间，力量和金钱。它还需要一个更大的驱动器，它自己吃了空间，力量和预算。实际上，电机旨在烫发。检查规范并找出该组件的评级是什么。你可能会惊讶。

另一种倾向是跳过尺寸计算，通过简单地在先前设计中使用的尺寸上增加安全裕度来选择电机。假设你正在构建一个新一代的平台，设计成6包包装汽水瓶，而不是4包。选择一个高扭矩电机来适应更重的负载似乎是一个简单的解决方案。问题是，以前的设计团队可能已经做了完全相同的事情，所以您在先前的缓冲上添加了一个缓冲，而先前的缓冲又被添加到先前的缓冲上，因此错误现在会叠加很多倍。合适的尺寸，你可以降低成本和占地面积，给你一个优势超过你的竞争对手。

有时，过大的偶然发生，但有时候它是一个有意识的决策和设计理念。“有些人会纯粹地超大它，纯粹是如何看待它，”解决方案工程师Derrick Stacey说B&R工业自动化(亚特兰大,乔治亚州)。“有一些公司老板告诉我，他们把自己的系统建得比其他人都大、更好，人们相信他们的产品，因为他们的产品太笨重、太重、看起来很结实。问题是使用一英寸厚的钢板和半英寸厚的钢板不会改变机器的刚度。完全超大的尺寸是没有意义的，因为那样所有东西都要贵上十倍。”

超大尺寸并不局限于电机。该公司的应用工程师乔尔·贝卡卡拉(Joel Bekkala)说，这种情况也可以发生在执行器上tolomatic.(哈默,明尼苏达州)。执行机构也可以是超大的。一个常见的错误是将气动/液压设计转换为机电版本。虽然有分级软件存在，但通常情况下，终端用户在没有充分利用程序功能的情况下，对液压伺服系统进行一对一的替换。如果不考虑机电执行器的具体好处，很容易使执行器过大，这会影响惯性比和控制负载的能力。

向下透明电机可以呈现不同的问题。公司可能试图在以前的库存上绘制或最小化零件总数。这是一个值得的目标，但尺寸尺寸可能会在系统控制方面引起严重问题。你放弃了控制，以减少部件号，这是一个权衡。在单个方向上运行的轮子可能不是问题，而是对于具有方向变化的精确定位应用，为机械要求选择右电机是必不可少的。

惯性问题
电机尺寸中最大的错误之一是没有考虑负载惯性与电机(转子)惯性的比率。每台机器都有一个振动频谱，其特征共振峰出现在特定的频率上，这是由顺应性等因素决定的。当这些峰值出现在机器的操作频带时，它们会导致铃声和在一定速度下超调等问题。

惯性比对共振峰的位置具有深远的影响。减小惯量比推动频率较高的峰值，扩大机器的有用操作带宽（参见“了解惯性失配的奥秘”)。相反，如果惯性比太高-如果电机尺寸不合适-这些共振峰值可以落在机器带宽内，并干扰性能。调整驱动可以有所帮助，但电子设备在弥补机械问题方面所能做的也就这么多。

对系统的机械变化可能对性能产生显着影响。考虑驱动带有20：1惯性比的轴的轴。现在增加车轮的直径。即使质量保持不变，惯性也会上升。“客户提出了一个要求，你做了一些小的变化，”斯蒂奇说。“现在你的惯性不匹配跳到50：1。突然间，你得到了缓慢的控制。“当谈到运动控制时，单独的扭矩是不够的。“魔鬼在细节中，”他说。“是的，你可以移动负载，但你可以控制它吗？ When you have a larger and larger inertia mismatch, that’s where all of a sudden the quality of the movement starts to fall off.”

当系统从定速或感应电机转换为伺服电机时，意外的共振也会发挥作用。鲍勃·布伦南威腾斯坦网络汽车（德国），回忆起钣金切割线，通过使用编码器将材料监测到伺服电机的编码器，其中编码器安装在测量轮上。“当伺服打开时，钣金开始像溜溜球一样来回振荡，”他说。“事实证明，这是由于弯曲在测量轮架上没有对先前的非伺服设计没有影响的。安装座重新设计，更加关注刚度和精度。结果，增加了产量和准确性很容易实现。“

串行设计的危险
几十年来，机器设计都是在一个孤立的环境中进行的。机械工程师开发了整体设计和结构，然后把它扔给了电气工程师和软件专家，让他们添加电子和编程。当问题出现时(这几乎是不可避免的)，电气团队带着一份需要解决的问题清单回到机械工程师那里。随后，双方展开了激烈的对话，最终达成了一些妥协。它既没有效率也没有效果。

通过缺乏理解，可以轻松地引入问题。例如，热管理可能是一个问题。机器可能只有有限的电机空间，但在无法冷却的空间内封闭电机，并且您正在寻求问题。“电气工程师说，”你需要给我更多的空间。“机械工程师说，”那些与我们的设计混乱“，”“斯蒂奇说。“他们不明白这个问题，我认为这只是缺乏交叉训练。它们可能不一定是驱动器专家，但他们确实需要至少了解像冷却一样的基本原理与电机性能一样多的命令和驱动器和过滤器。“

虽然问题仍然存在，但有希望。越来越多的公司正在使用机电调整设计技术，从非​​常开始强调整体方法和广泛的建模和模拟

保持您的选择打开
“问题不在于你知道什么，”马克·吐温曾经说过。“你知道得很清楚，但事实并非如此。”在过程的早期锁定一个特定的机械特性或传动系可能是一个问题。因为大量的工作需要被废弃，所以很容易拒绝向更好的方向改变。设计需要从应用程序的需求开始，并以尽可能多的自由度进行构建。“让你的设计围绕在不同的道路上，”Stacey说。“不要把自己设计到一个角落里，然后坚持下去，因为你已经走得太远了，如果你要做出改变，就需要大量的返工。”

不要提前选择组件，考虑从三种设计开始;例如，一个具有最好的高速性能，一个能够处理大的环境波动，也许有一个精度更高但速度更低。有了多种选择，就有可能向前发展并开发出真正创新的东西。该机电设计软件允许用户监控设计从物理特征到环境的动态细节。这使得在系统运行过程中，可以确定特定电机的转矩要求等因素。它节省了时间和麻烦，并产生了一个更好的机器整体。

对于服务于全球客户群的公司来说，温度建模功能尤为重要。一台在德卢斯的车间工作得很好的机器，在拆卸并运往巴西或加拿大时可能会遇到大问题。机电软件允许设计团队在设计过程的不同点上运行模拟，以便及早发现和解决问题。如果一台机器需要更多的刚性或阻尼来抑制振动，这是很容易做到的。

害怕新技术
在制造业，时间就是金钱。组织倾向于规避风险，更有可能坚持使用他们信任的、他们的员工知道如何使用的熟悉技术。也就是说，封闭的思想可以阻止组织利用可以给他们一个巨大的促进竞争的解决方案。该公司产品营销经理斯科特•卡尔伯格表示:“人们有解决某些应用程序的经验，但有时他们只是不知道解决他们的应用程序的其他一些选择。日本安川电气美国公司。(沃基根,伊利诺斯州)。“我们已经进入了一个应用，只有一个标准的旋转电机与直角齿轮头，相对较高的减速比。它们会使齿轮箱过热，并达到传统直角齿轮箱的性能极限。”卡尔伯格的团队建议将其替换为直接与负载耦合的直接驱动电机技术。“首先，这很好，因为你消除了机械顺应性。其次，你消除了齿轮头的成本，以较慢的速度运行电机，用电机轴承支撑负载。”

最新的发动机和驱动器更有能力在高性能水平启动和停止。例如，一个完整的传送带，需要大量的启动扭矩。这曾经意味着在那几秒钟里马达的尺寸太大了。今天，组件拥有高达400%的启动扭矩，允许终端用户使用更小的设备和它们所积累的所有好处。

King说:“我们曾经有过这样的例子，我们提供了一种新技术，它完全可以完成与旧发动机相同的工作，但要小得多。”他举了一个以前由1.5马力发动机驱动的传送带的例子。当客户重新订购的时候，King没有给他们发通常的1马达。相反，他发送了一个新电机的样品，功率大约是它的一半，用于应用程序测试。在托盘上放了800磅，但一旦启动，滚轮就在那里。“它运行得非常好，但即使它运行得很好，他们还没有准备好对这项新技术采取信心的飞跃，这是相当惊人的。”这也是一个显著的成本差异。”

在变速箱外面思考
谈到齿轮箱时，我们通常在用于降低电机速度的减少比率或切割电机“看到”载荷的惯性方面。1：1齿轮箱不会引入减少率，但实际上可以提供显着的好处。它可以充当机械块，以防止电动机从反射扭矩导致它振荡。权衡是它可以引入间隙，但所谓的零间隙变速箱可以解决该特定问题。

“You shouldn’t think of it not in terms of what a gear box does but what it is: another mechanical component that can absorb stress and not pass it on from the motor to the load and from the load to the motor,” says Stacey. “You can use it has a mechanical buffer, and in some cases it can be helpful that you’re on that border line where the design is set, but we do need something there to lower our inertia mismatch or to prevent mechanical resonance coming back into our system.”

甚至重新考虑变速箱的类型也可以是指导性的。一个公司可能决定它需要一个行星齿轮箱的设计，只是从形式因素的观点，当一个标准的内联斜齿轮箱可以做的工作，成本的一小部分。这不仅会提供一个更小、更高效的设计，还可能允许使用更小的发动机。

做出的假设
关于假设的话题可以追溯到马克·吐温的名言。例如，King指着一个运行着传送带的包装传送带。设计团队担心皮带对电机轴施加了过多的张力，并花了大量时间进行运行计算，以确定它是否会导致早期故障。然后，有人想联系制造者，却发现他们错了。“事实证明，我们假设了皮带张力本身的一些值，”金说。“我们联系了皮带制造商，发现真正的皮带张力明显降低了。”问题解决了，但并没有损失一些时间。

在滚珠丝杠执行器的情况下，对评级进行假设是危险的。我们可以说施加到铅螺杆的扭矩转化为施加到螺母的力。“我完全同意这一点，”Terry Anderson，Tech Sales专家Terry Andomatic说。“很多客户倾向于将导线螺钉和螺母作为致动器的面包和黄油从性能的角度来看。这种“铅螺丝/螺母”心态的问题是将电机连接到执行器导线螺钉的部件经常被忽视。“很容易假设铅螺丝力是您需要知道的，但现实是还有更多的进展。耦合组件通常不能处理导螺杆的扭矩水平。在尺寸调整执行器并伪装其他部件时，必须考虑到这一点。

另一个例子是仔细检查材料的属性。例如，钢的摩擦系数是恒定的。然而，如果使用低端钢材来省钱，那么这些材料的性能就会发生变化。它不会使设计失效，但它确实需要考虑，以避免在机器运行时出现令人不快的意外。不要做任何假设-检查，确认，文件。从长远来看，预先付出的努力可以让生活变得更加轻松。

最后的例子涉及跳跃到伺服电动机速度曲线上的结论。顾名思义，它作为速度的函数绘制扭矩。该曲线包括一个限定峰值扭矩包络的外曲线。电动机可以在这些参数下操作以进行短暂的时间。下部区域识别出用于操作恒定速度的安全操作区，而不会过热。当然，曲线不能总是保护工程师。

布伦南讲述了一个故事:有一家公司在冷藏室里放置了一台巧克力装盒机。伺服电机被设置为在速度-扭矩曲线的限制范围内运行。于是，生产工程师决定冒险。因为机器在较低的环境温度下运行，他们决定忽略速度-扭矩曲线，并尝试在更高的电流下运行电机，以获得更大的吞吐量。它起作用了——大约一个小时。

没花多少时间就找到了解决办法。伺服电机能够在新的条件下运行，因为它们是在冷藏环境中。然而，电缆没有，它已经额定为批准的运行电流。在较高的水流中运行一小时后，它不仅失败了，还融化了。布伦南说:“要吸取教训。”“了解电机曲线上的线条及其与伺服电机运行的关系。”

任何参与任何创意努力的人都知道，无论你做多少错误，你都会找到新的。然而，我们希望这一收集的TidBits和建议可以帮助您在下一个设计项目上拯救您一些时间和悲伤。

致谢
谢谢莱兹美洲的自动化集团主管克雷格·达尔奎斯特;Aaron Dietrich，Tolomation的营销总监。