用于高精度定位的谐波旋转执行器：究竟是什么决定了定位精度？

介绍

当工程师寻找用于高精度定位的谐波旋转执行器时，第一个问题通常很简单：执行器的精度如何？

然而，定位精度不能仅凭一个指标来判断。

谐波旋转执行器可能采用高精度谐波减速器、高分辨率编码器和高性能伺服电机，但机器的最终定位结果仍然取决于这些部件的协同工作情况。减速器传动误差、齿隙、扭转刚度、编码器反馈、轴承支撑、负载惯性、控制参数和外部干扰等因素都会影响负载的最终位置。

这在半导体设备、精密自动化、机器人关节、光学对准系统、数控旋转轴、激光加工设备和自动化检测设备等应用中尤为重要。在这些应用中，问题不仅仅在于执行器能否旋转到指令角度，真正的要求是负载在实际运行条件下能否反复到达所需位置。

因此，选择用于高精度定位的谐波旋转执行器应该从系统级工程决策的角度来考虑，而不是比较单个产品的规格。

本文解释了真正决定定位精度的因素，为什么有些机器在安装后会失去精度，以及工程师如何选择符合其实际定位要求的谐波旋转执行器平台。

高精度定位不仅仅是低反冲

谐波传动技术因其能提供高减速比、结构紧凑、齿隙极低等优点，被广泛应用于精密旋转运动中。

然而，首先需要澄清一个常见的误解。

不应自动将谐波减速器描述为绝对零间隙。

在工程实践中，谐波减速器通常被描述为具有近零齿隙或极低齿隙。制造公差、装配条件、弹性变形和工作载荷都会影响实际的传动性能。一些供应商将“零齿隙”作为营销宣传，但这并不意味着输出系统在任何工况下都具有数学意义上的零定位偏差。

更重要的是，即使减速器没有可测量的机械间隙，整个旋转系统仍然可能出现定位误差。

例如，根据电机侧编码器的读数，执行器可能达到正确的理论输出角度，但实际负载位置却会受到扭转变形、轴承挠曲或结构柔性的影响。这意味着，即使减速器性能优异，末端执行器的定位仍然可能存在误差。

因此，工程师在评估用于高精度定位的谐波旋转执行器时，需要超越反冲，了解整个运动链。

定位精度始于指令位置与实际位置之间的差异

精密旋转执行器的根本目的是减小指令位置与实际输出位置之间的差异。

在一个简单的系统中，控制器发出运动指令，伺服驱动器产生电机扭矩，电机旋转，谐波传动装置降低速度并增加输出扭矩，最终输出结构移动负载。

每个阶段都可能出现错误。

电机编码器可能能够精确测量旋转，但传动装置可能会发生弹性变形。减速器的齿隙可能非常小，但输出轴承在偏心载荷作用下可能会发生挠曲。执行器本身可能具有优异的重复定位性能，但其外部机械结构可能会发生振动或扭曲。

因此，高精度定位通常取决于多种因素的综合性能，包括传动精度、齿隙特性、扭转刚度、编码器分辨率和精度、控制回路性能、轴承支撑、负载条件和机械安装质量。

这就是为什么使用相同谐波旋转执行器的两台机器可以实现不同的定位结果的原因。

执行器是定位系统的一部分，但机器结构决定了执行器的理论性能有多少能真正转移到应用中。

为什么谐波减速器的精度仍然重要？

虽然定位精度是系统级的结果，但谐波减速器仍然是精密旋转执行器中最重要的机械部件之一。

传动间隙只是传动精度的一部分

减速器决定电机运动如何传递到输出端。

高质量的谐波传动装置有助于实现结构紧凑、减速比高，同时减少换向过程中可能出现的机械间隙。这对于涉及重复分度、小角度运动、双向定位和频繁启停运动的应用尤为重要。

然而，工程师应该区分几个不同的概念。

反冲是指旋转方向改变时机械运动的损失。定位精度是指输出位置与指令位置的接近程度。重复定位精度是指系统在重复循环中返回同一位置的一致性。

这些规格相关，但并不完全相同。

一个系统可能具有极佳的重复定位精度，因为它每次都能停在几乎相同的位置，但其绝对定位精度却会受到传动误差或编码器偏移的影响。同样，减速器可能具有极低的齿隙，但由于弹性变形，机器在负载变化时仍会出现位置偏差。

因此，对于需要高度一致的双向定位的应用，工程师应该考虑完整的传动性能，而不是仅仅关注单一的“零反冲”声明。

扭转刚度与反冲同样重要

为什么机械变形会影响最终位置？

在许多高负载精密应用中，最大的定位问题并非来自传统的机械反冲。

它源于形变。

当扭矩施加到旋转系统时，电机轴、减速器部件、输出结构和机架都会发生弹性变形。如果系统刚度不足，则指令位置和实际负载位置可能会出现暂时偏差。

当应用涉及快速加速、频繁的方向改变或负载扭矩的大幅变化时，这一点就显得尤为重要。

考虑一个携带不断变化的有效载荷的机械臂。执行器在两种不同的载荷下可能接收到相同的位置指令，但关节的机械变形却可能不同。结果是，即使控制系统运行正常，实际输出位置也可能发生变化。

同样的问题也可能出现在半导体设备、精密搬运系统和大型光学定位平台中。执行器在空载时可能表现出色，但实际运行精度取决于整个结构在负载下的响应。

因此，扭转刚度是高精度定位中使用的谐波旋转执行器的重要选择参数。

更高的刚度有助于减少扭矩作用下的角度变形，从而改善执行器输出位置与实际负载位置之间的关系。

这也是为什么绝不能只在空载条件下评估高精度定位的原因。

编码器反馈决定了控制系统实际能看到什么。

电机侧编码器与输出侧反馈

伺服系统无法准确纠正它无法检测到的错误。

因此，编码器在精密定位中起着核心作用。

编码器将机械运动转换为控制器用于闭合位置环路的反馈信息。然而，编码器的位置通常与其分辨率同样重要。

电机侧编码器测量电机的位置。然后，控制器根据减速比计算理论输出位置。

这种方法对很多应用都很有效，特别是当传动系统足够刚性且定位要求不高时。

然而，当传动装置发生弹性变形、极低但非零的齿隙、结构柔度或负载扰动时，实际输出位置可能与理论位置有所不同。

对于高性能应用，输出端反馈或双编码器架构可以提供额外的优势。

双编码器如何提高反馈质量？

双编码器系统可以使用一个编码器提供电机侧反馈，另一个编码器监测实际输出位置。这两个反馈信号之间的差异可以提供有关传动变形和机械柔顺性的有用信息。

这对于在负载变化和动态运动下运行的机器人关节电机来说尤其有价值。

需要注意的是，双编码器系统并不能神奇地消除所有机械误差。相反，它能让控制系统更清楚地了解电机和输出之间实际发生的情况。

对于用于高精度定位的谐波旋转执行器，应根据应用选择正确的编码器架构，而不是简单地选择可用的最高编码器分辨率。

高编码器分辨率并不一定意味着高定位精度

分辨率不等同于精度

在选择执行器时，有时会误解编码器规格。

高分辨率编码器可以将一次旋转分成大量的测量增量。这提高了控制器检测位置微小变化的能力。

然而，分辨率并不等同于精度。

理论上，编码器可以提供极其精细的位置增量，但整个机械系统仍然会受到安装偏心、温度变化、磁干扰、结构变形或传动误差引起的定位误差的影响。

因此，工程师应综合考虑编码器精度、重复性、环境稳定性、安装方法和控制系统兼容性等多个特性。

在机器人关节和工业自动化设备中，最终定位性能取决于反馈信息在实际操作中是否保持可靠。

安装在不稳定的机械环境中的高分辨率编码器，其机器性能可能不如集成到更稳定系统中的分辨率稍低的编码器。

工程目标并非选择规格表上数值最大的编码器，而是选择一个能够为所需运动任务提供可靠信息的反馈系统。

重复定位精度和绝对定位精度不应混淆

不同的应用场景对精度的要求也不同。

在选择旋转执行器时，这种区别尤为重要。

重复定位精度描述了执行器在重复运动后能否稳定地返回到同一位置。这在自动化生产设备中至关重要，因为相同的运动循环会重复成千上万次。

绝对定位精度描述了实际输出位置与指令目标位置的接近程度。

自动化装配机由于需要连续执行相同的定位操作，因此可能需要极高的重复性。光学校准系统则可能更注重绝对定位精度，因为每个指令角度都必须与实际物理角度紧密对应。

因此，应根据应用中的主要误差要求来选择用于高精度定位的谐波旋转执行器。

如果机器反复返回几个固定位置，重复性可能是首要考虑因素。如果机器按多个预设角度运动或执行精密扫描，绝对精度和校准性能可能就更为重要。

了解这种差异可以防止不必要的过度设计，并帮助工程师选择更具成本效益的执行器解决方案。

负载惯性会改变实际定位性能

仅凭扭矩不足以选择执行器。

一个在小负载下表现完美的执行器，在连接到大型旋转结构时，其行为可能会截然不同。

负载惯性直接影响加速、减速和控制稳定性。

如果负载惯量相对于执行器的设计工作范围过大，快速运动可能会导致过冲、振动和更长的稳定时间。执行器最终可能到达指令位置，但稳定所需的时间对于高速生产而言可能变得无法接受。

这对于半导体设备、数控分度机构、机械臂和自动化检测平台尤其重要。

因此，应将谐波旋转执行器与实际负载惯量、重心和所需的加速度曲线一起进行评估。

最好的执行器不一定是扭矩最大的执行器。

尺寸过大的执行器可能会增加重量和成本，而仅根据额定扭矩选择的执行器可能无法提供所需的动态响应。

为了实现高精度定位，工程师应评估输出扭矩、负载惯性、加速度要求和所需稳定时间之间的完整关系。

轴承支撑和外部载荷会影响精度

为什么扭转乾坤的时机如此重要？

输出轴承系统在将执行器性能转化为机器性能方面起着重要作用。

即使电机和谐波传动装置提供了优秀的旋转控制，外部径向载荷、轴向载荷和倾覆力矩也可能导致机械变形。

当负载安装在远离执行器中心线的位置时，这一点尤为重要。

较长的机器人连杆、大型夹具或偏心工件会产生较大的倾覆力矩。如果支撑结构刚度不足，输出角度在负载作用下可能会发生轻微变化。

对于涉及重型夹具或大型外部负载的应用，工程师不仅应该评估输出扭矩，还应该评估执行器支撑所需机械负载的能力。

选择过程应包括实际安装结构、载荷重心和预期工作力。

这就是为什么为轻型光学平台选择的执行器可能不适用于重型机器人关节，即使所需的扭矩看起来相似。

单凭扭矩并不能描述全部的机械要求。

控制调校决定了机械性能的利用程度。

机械精度和伺服性能必须协同工作

机械的精确性创造了潜力。控制的调整决定了这种潜力的运用效率。

谐波旋转执行器可能具有高刚度、优秀的反馈和精密的传动系统，但伺服调谐不良仍可能产生过冲、振荡或稳定缓慢等现象。

为了实现高精度定位，控制系统必须平衡响应速度和稳定性。

在某些情况下，提高控制回路增益可以改善响应，但过高的增益会导致振动。强滤波可以提高稳定性，但会降低动态响应。

最佳解决方案取决于应用的机械特性。

例如，轻型机器人关节所需的控制参数可能与高惯性半导体搬运轴不同。柔性机器结构所需的控制策略可能与高刚性精密定位平台不同。

这也是集成执行器平台变得越来越重要的另一个原因。

当电机、变速器、编码器和驱动系统被设计成一个协调的解决方案时，工程师可以减少独立组件之间所需的兼容性测试量。

安装结构可能会破坏您为之付费的精度。

执行器只是精密系统的一部分

最常见的工程问题之一是投资购买高精度执行器，然后由于外部机械设计问题而导致其性能下降。

执行器可安装在薄安装板上。负载可由柔性支架支撑。紧固面可能不够平整。电缆布线可能对运动结构施加外部力。

在这种情况下，改进执行器规格可能无法解决实际问题。

定位误差不再主要来自执行器。

它来自机器。

因此，高精度定位的评估应从执行器输出端到最终工作点进行。工程师应考虑安装接口的刚度、连接部件的几何形状以及执行器与最终负载之间的距离。

紧凑且高度集成的执行器可以通过减少运动链中独立机械接口的数量来简化这个问题。

为什么集成谐波旋转执行器能够简化精密系统设计？

减少接口可以降低集成复杂性

传统旋转系统通常由独立的伺服电机、谐波减速器、联轴器、编码器和外部驱动组件组成。

这种架构可以提供灵活性，但每个额外的机械和电气接口都会引入额外的集成工作。

必须控制对准情况。必须选择合适的联轴器。必须连接反馈系统。必须布线。必须配置通信功能。

对于高精度定位，这些集成步骤可能会影响最终的系统结果。

集成式谐波旋转执行器将关键的旋转运动组件组合到一个更紧凑的平台中，有助于降低系统集成的复杂性。

对于设备制造商而言，这可以带来诸多优势。

整体机械结构可以更加紧凑，组件接口数量可以减少，电气集成可以简化，执行器也更容易安装到机器人关节或精密自动化系统中。

这也是集成执行器技术越来越多地应用于新型机器人架构和紧凑型自动化设备的原因之一。

在 HONPINE，针对不同的应用需求设计了不同的集成执行器平台，使工程师能够根据扭矩、集成度、通信架构、空心轴要求和机械安装条件等因素选择解决方案，而不是将每个机器人或自动化项目都视为相同。

空心轴设计比机械包装更能提升性能

内部电缆布线支持紧凑型机器设计

当工程师寻找空心谐波旋转致动器时，他们通常会关注电缆布线。

这无疑是一项重要的优势。

电源线、编码器线、通信线、气动管路或其他组件可能会穿过执行器的中心，而不是绕着旋转结构的外部布线。

然而，其工程价值不仅限于更简洁的外观。

外部电缆布线会影响机器人运动，在连续旋转过程中产生额外的弯曲应力，并引入电缆管理问题。

空心轴结构有助于打造更紧凑的旋转系统，并降低周围机械设计的复杂性。

在机器人关节中，这一点尤其有价值，因为随着关节数量的增加，电缆布线往往会变得更加困难。

对于高精度定位设备，内部布线还可以简化整机结构，减少旋转轴周围的外部干扰。

如何选择用于高精度定位的谐波旋转执行器？

先从应用程序入手，而不是产品目录。

选择过程应该从应用场景开始，而不是从执行器目录开始。

首先，明确实际的定位需求。确定应用主要关注的是绝对定位精度、重复定位精度、稳定时间还是轨迹稳定性。

然后评估机械载荷。这不仅应包括所需的扭矩，还应包括载荷惯性、径向载荷、轴向载荷和倾覆力矩。

接下来，考虑运动轨迹。频繁的小角度定位、连续旋转、高速分度和快速双向运动会产生截然不同的要求。

反馈架构应与所需的性能水平相匹配。对于许多应用而言，电机侧编码器可能就足够了；而当负载变形和传动柔顺性有显著影响时，输出反馈或双编码器架构则可能更具优势。

最后，对整个机器结构进行评估。

执行器不应作为独立部件选择。其安装方式、负载连接和周围的机械结构都是定位系统的一部分。

这种以解决方案为导向的方法通常比简单地比较最大扭矩、减速比或编码器位数更有效。

高精度谐波旋转执行器的典型应用

不同的应用需要不同的解决方案

谐波旋转执行器可用于高精度定位，并可应用于多种类型的设备，但不同应用的工程要求各不相同。

在半导体设备领域，重点可能包括紧凑的安装、平稳的低速运动以及晶圆处理、检测或精密加工所需的高度可重复定位。

在工业自动化设备中，主要要求可能是在连续生产过程中进行可靠的重复索引。

在机器人关节中，执行器可能需要平衡扭矩密度、紧凑尺寸、反馈能力和动态响应。

在光学对准系统中，低速平滑性和精细角度控制可能尤为重要。

在数控和激光加工设备中，定位性能必须与机器刚性、振动和工艺要求一起考虑。

这就是为什么不存在“最佳”谐波旋转执行器的原因。

正确的解决方案取决于机器实际需要实现的目标。

从元件选择到运动系统设计

为每种应用选择合适的执行器架构

精密自动化市场正逐渐摆脱简单的基于组件的思维方式。

工程师们越来越需要能够缩短开发时间并提供可预测系统性能的运动解决方案。

对于精密机械而言，问题不应该仅仅是“哪种谐波减速器规格最高？”

一个更有用的问题是：“哪种执行器架构能够使整台机器达到所需的定位性能？”

这种转变对机器人制造商来说尤为重要。

现代机器人设计必须在精度、扭矩密度、重量、线缆布线、通信、传感和可制造性之间取得平衡。单独选择各个组件会增加开发复杂性，并带来额外的集成风险。

集成解决方案，包括谐波关节模组、行星关节模组和其他机器人关节电机平台，使制造商能够根据不同关节的要求选择不同的驱动架构。

高精度机器人腕关节未必需要与高扭矩基座关节相同的执行器架构。紧凑型专用机器人与大型工业机械臂的需求可能截然不同。

因此，精密运动设计的未来不在于为每个应用选择一种技术。

关键在于针对实际的机械问题选择合适的关节和执行器架构。

结论

绝不能仅凭单一指标来评估用于高精度定位的谐波旋转执行器。

低齿隙固然重要，但谐波减速器的实际作用应该体现在提供接近零或极低的齿隙，而非在所有工况下都实现绝对零齿隙。定位精度还受传动误差、扭转刚度、编码器反馈、轴承支撑、负载惯性、控制调谐以及执行器周围机械结构的影响。

因此，最佳解决方案是平衡的方案。

对于某些应用，采用电机侧反馈的高重复性谐波旋转执行器可能就足够了。对于要求更高的机器人或精密自动化系统，输出侧反馈或双编码器架构可以更好地控制实际负载位置。对于紧凑型机器，集成式和空心轴执行器设计可以进一步简化机械和电气集成。

在HONPINE，我们的目标不仅仅是提供性能卓越的谐波旋转执行器。更重要的目标是帮助设备制造商选择一种能够满足其设备实际定位、负载、集成和控制需求的执行器架构。

因为在高精度运动中，执行器本身并不能决定性能。

整个系统确实如此。