如何为工业应用选择高精度旋转执行器？

1. 根据结构特点初步筛选旋转执行器系列

大家好，我是 HONPINE 技术总监 Theodore Li。

为工业应用选择高精度旋转执行器时，首先要了解不同产品系列的结构特点，并根据安装要求缩小选择范围。

今天，我将介绍 HONPINE 四款畅销的精密旋转执行器系列，并说明它们的主要区别。

HAS 系列 – 实心轴，紧凑型设计

HAS 系列采用实心轴结构，整体设计紧凑。适用于安装空间有限，且无需通过执行器内部布设电缆或气管的应用。

HAT 系列 – 中空轴，支持内部布线

HAT 系列采用中空轴结构，电缆和气管可从执行器中心穿过。因此，该系列适用于需要内部布线或气动连接的自动化设备。

HAM 系列 – 较大的中空孔径

HAM 系列提供较大的中心通孔，可为电缆、气管和其他内部连接留出更多安装空间。它尤其适用于内部布线要求较高的设备。

HPG 系列 – 面向机床应用的高精度与高刚性

HPG 系列专为机床应用设计，在这类应用中，定位精度和结构刚性至关重要。适用于需要在严苛运行条件下保持稳定性能的精密旋转定位系统。

2. 计算所需扭矩并选择合适的减速比

确定适合的执行器系列后，下一步是计算负载实际所需的扭矩，并选择合适的减速比。

执行器不仅需要提供足够的扭矩以支撑运行中的负载，还需要克服加速和减速过程中产生的阻力。

步骤 1：计算理论负载扭矩（重力扭矩 + 加速扭矩）

在启动和停止过程中，执行器需要克服两个主要的扭矩分量：

1. 重力扭矩（TG）

当执行器承载偏置负载，或需要克服重力进行旋转运动时，会产生重力扭矩。

公式：

TG = M × g × L × cosθ

其中：

M = 负载质量 (kg)

g = 重力加速度 (9.8 m/s²)

L = 负载重心到旋转轴的距离 (m)

θ = 重力方向与力臂之间的夹角

如果负载重心位于旋转轴上，且仅进行水平旋转，则可忽略重力扭矩分量。

2. 加速扭矩 (Ta)

加速扭矩是指在规定时间内将负载从静止加速至目标速度所需的扭矩。

公式：

Ta = J × α

其中：

J = 负载转动惯量 (kg·m²)，设置适当的材料属性后，可通过 3D CAD 软件获取。请确保坐标系原点位于旋转轴上。

α = 角加速度 (rad/s²)，根据所需的机器循环时间计算。例如，如果执行器必须在 0.2 秒内加速至目标速度，则应据此计算所需的角加速度。

步骤 2：计算启动和停止时所需的合成峰值扭矩 (ΣT)

计算出重力扭矩和加速扭矩后，将两者相加，并根据工业应用情况采用适当的安全系数。

公式：

ΣT = (TG + Ta) × 安全系数

建议安全系数：

运行条件

建议安全系数

1.2 – 负载通常运行平稳，例如标准物料搬运。

1.5 – 中等冲击负载，例如频繁正反向旋转。

2.0 或更高 – 重载或严重冲击工况，例如重型加工或冲压相关的上下料。

选择精密旋转执行器的步骤，从初步筛选产品和计算扭矩，到最终配置和安装注意事项。

步骤 3：将计算所得扭矩与执行器规格进行核对

计算得到的 ΣT 表示加速和减速期间所需的峰值扭矩。此时，需要查阅执行器数据表并核对两个关键参数。

1. 峰值扭矩核对（启动和停止期间）

要求：

ΣT ≤ 执行器允许的最大瞬时扭矩

根据制造商的规格，该参数可能标注为最大瞬时扭矩或最大加速扭矩 (T2B)。

需要区分最大瞬时扭矩和最大加速/减速扭矩：前者可能只允许持续数秒，后者则适用于重复启动和停止的工况。

选择执行器时，计算所得扭矩必须低于制造商规定的相应限值。对于频繁加速和减速的循环工况，要特别留意较低的允许扭矩限值。

如果计算所得的 ΣT 低于执行器规定的间歇峰值扭矩额定值（例如，允许持续不足 2 秒的峰值扭矩），则执行器在机械上可能能够承受所需的短时负载，但仍须遵守制造商对工作周期和运行条件的限制。

2. 额定扭矩核对（连续运行）

要求：

实际连续运行扭矩 ≤ 执行器额定扭矩

即使峰值扭矩未超出允许限值，也必须核对连续运行扭矩。

如果执行器长期在高于额定扭矩的条件下运行，可能会导致过热以及谐波减速器柔轮加速疲劳，从而显著缩短使用寿命。

对于工业设备，常见的初步设计准则是将连续运行扭矩控制在额定扭矩的约 80% 以下，以留出足够的运行余量。

重要提示：启动和停止期间所需的负载扭矩必须低于允许的峰值扭矩，并留有足够的安全余量。同时，连续运行扭矩必须处于执行器额定扭矩范围内。

选择旋转执行器时，安装结构也是一项重要考量。

HONPINE 提供多种结构配置，以满足不同的安装要求。

HAM – 圆柱形、无安装法兰设计

HAM 系列采用不带集成安装法兰的圆柱形机身。适用于客户采用定制安装结构，或希望安装方式更加灵活的设备设计。

HAMF – 集成安装法兰

HAMF 系列带有集成安装法兰，便于机械安装和定位。

应根据设备的机械布局、安装空间和安装要求，选择 HAM 或 HAMF。

4. 是否需要电磁制动器？

是否需要电磁制动器，取决于设备的运行条件和安全要求。

HONPINE 旋转执行器提供带制动器的规格，并标明相应的保持扭矩额定值。选择型号时，请核对标示的制动扭矩，确保其满足负载保持要求。

在型号标识中：

B 表示配置带制动器。

A 表示配置不带制动器。

如果应用要求电机断电后执行器仍保持当前位置，则可能需要电磁制动器。

典型应用包括垂直定位系统、升降机构，以及断电后负载可能在重力作用下移动的设备。

制动器配置应根据实际负载、所需保持扭矩和设备安全设计进行选择。

[图片：带电磁制动器与不带电磁制动器的旋转执行器对比]

5. 确认电机编码器的分辨率和类型

编码器的选择会直接影响旋转执行器的反馈分辨率和位置监控能力。

HONPINE 提供两种多圈绝对值编码器选项：

23 位多圈绝对值编码器

17 位多圈绝对值编码器

两种选项均为多圈绝对值编码器，断电后仍可保留位置信息。

增量式编码器在断电后需要重新进行位置参考，而多圈绝对值编码器可在多圈范围内保留绝对位置信息，有助于简化系统启动和位置管理。

应根据设备的定位要求、控制架构和整体精度要求选择合适的编码器分辨率。

还需注意，编码器分辨率不等同于实际定位精度。最终定位性能取决于整个传动系统、机械刚性、背隙、控制策略等多种因素。

6. 确认电缆出线方向

最后需要考虑电缆出线方向，因为它会直接影响安装便利性和内部电缆管理。

HONPINE 旋转执行器提供两种电缆出线配置：

端面出线：电缆从执行器端面引出。适用于轴向布线更方便的设备布局。

侧面出线：电缆从执行器侧面引出，适用于轴向空间有限或更适合侧向布线的安装方式。

选择电缆出线配置前，请考虑执行器的安装方向、周边机械部件、可用空间和电缆弯曲半径。

选择合适的电缆出线方向有助于简化装配，并减少设备运行时的电缆干涉。

需要为您的工业应用选配高精度旋转执行器吗？

选择高精度旋转执行器，不能只根据额定扭矩选择型号。

还需要考虑执行器的结构设计、负载惯量、加速要求、减速比、安装配置、制动要求、编码器分辨率和电缆布线。

HONPINE 提供多种精密旋转执行器系列，包括 HAS、HAT、HAM 和 HPG，以满足不同的工业运动控制和定位需求。

如果您正在为工业设备选择高精度旋转执行器，请联系 HONPINE，索取最新产品数据表，并与我们的技术团队讨论最适合的执行器配置。