AZD-KRD（AZ系列小型驅(qū)動(dòng)器）開發(fā)

近年來(lái)，關(guān)節(jié)機(jī)器人等自動(dòng)化設(shè)備變得越來(lái)越小，越來(lái)越輕，因此越來(lái)越需要將驅(qū)動(dòng)器放置在更靠近電機(jī)的位置以節(jié)省空間。由于其激進(jìn)的設(shè)計(jì)，AZD-KRD 緊湊型驅(qū)動(dòng)器的體積比傳統(tǒng)產(chǎn)品更小。這是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的：取消開關(guān)，用 RS-485 通信取代 I/O 控制，并重新設(shè)計(jì)連接器和外殼的結(jié)構(gòu)。此外，為減少布線，驅(qū)動(dòng)器采用菊花鏈連接，將電源線和通信線組合到一個(gè)連接器中。為了進(jìn)一步增強(qiáng)產(chǎn)品，AZD-KRD 配備了無(wú)電池絕對(duì)系統(tǒng)和多種操作功能。本文將詳細(xì)解釋小型化是如何實(shí)現(xiàn)的。

一、簡(jiǎn)介

替代人工的自動(dòng)化設(shè)備的引入取得了進(jìn)展。在前幾代產(chǎn)品中，驅(qū)動(dòng)器安裝在控制面板內(nèi)，接線連接到電機(jī)。這種布線占用大量空間并且可能難以布線。此外，電纜會(huì)給電機(jī)增加額外的負(fù)載，這可能需要更大的電機(jī)來(lái)滿足更高的需求。布線是影響設(shè)備尺寸的因素之一。為了減少接線，需要將驅(qū)動(dòng)器靠近電機(jī)放置，如圖 1 所示。

Oriental Motor 開發(fā)了 AZ 系列緊湊型驅(qū)動(dòng)器（AZD-KRD），以滿足小型、輕量、減少接線的驅(qū)動(dòng)器的需求。

2.驅(qū)動(dòng)器小型化

2.1 優(yōu)化驅(qū)動(dòng)界面

使驅(qū)動(dòng)器更小的挑戰(zhàn)之一是如何減少連接器和開關(guān)占用的空間。AZD-KRD 將電源線和通信線整合到一個(gè)連接器中，將電機(jī)、編碼器和電磁制動(dòng)器整合到另一個(gè)連接器中。AZD-KRD 由 RS-485 通信控制，因此可以移除開關(guān)和 I/O 連接器。通過使用我們的 MEXE02 支持軟件，可以通過專用 USB 連接從 PC 更改驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置。表 1 比較了傳統(tǒng)的 AZD-KD 和 AZD-KRD 迷你接口。圖 4 顯示了 AZD-KRD 連接器的布局。

2.2 高密度貼裝元器件

減小印刷電路板的尺寸可以減少電子元件的安裝面積。因此，有效利用板空間對(duì)于使驅(qū)動(dòng)器更小是必不可少的。KRD采用表面貼裝連接器和無(wú)螺絲結(jié)構(gòu)，有效利用電路板空間。使用通孔連接器時(shí)，電路板另一側(cè)的元件需要遠(yuǎn)離焊點(diǎn)。這會(huì)導(dǎo)致 PBC 板上的空間浪費(fèi)。AZD-KRD 采用表面貼裝型連接器，因此可以在同一區(qū)域安裝更多組件（圖 5）。

PCB 和散熱器通常用螺絲固定。用螺釘固定需要孔周圍有死角，從而防止元件或走線放置在附近，這實(shí)際上減少了元件的安裝表面。AZD-KRD 采用無(wú)螺絲設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)最大的安裝表面。

外殼的所有四個(gè)側(cè)面都有閂鎖。PCB和散熱片夾在外殼和散熱器之間。外殼和散熱器在四個(gè)側(cè)面鎖定，如圖 7 所示。

2.3. 熱量措施

由于元器件的高密度貼裝，會(huì)增加發(fā)熱量，需要采取散熱措施。AZD-KRD 采用對(duì)策，將所有發(fā)熱元件放置在 PCB 的背面，在那里它們可以直接通過散熱片散熱（圖 9）。

當(dāng)與 150x150x2 mm 鋁散熱器一起使用時(shí)，AZD-KRD 環(huán)境溫度規(guī)格為 0~50°C。但是，也可以使用其他尺寸和材料。散熱量難以預(yù)測(cè)，因此最好通過網(wǎng)絡(luò)通訊或?qū)Ｓ密浖O(jiān)測(cè) AZD-KRD 的內(nèi)部溫度。
在產(chǎn)生過熱警報(bào)之前，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部溫度的閾值是 85°C。圖 10 顯示了環(huán)境溫度與散熱器尺寸不同時(shí)的工作負(fù)載之間的關(guān)系。
無(wú)論負(fù)載如何，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都以恒定電流控制電機(jī)。然而，當(dāng)轉(zhuǎn)速變高時(shí)，由于電機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，流向電機(jī)的電流會(huì)減少。由于這種行為，驅(qū)動(dòng)器在低速、恒定電流區(qū)域產(chǎn)生的熱量最多。圖 10 顯示了觸發(fā)過熱保護(hù)之前的工作限制。例如，使用 100x100x2 毫米散熱器的 48VDC 輸入驅(qū)動(dòng)器可以在高達(dá) 50°C 的溫度下以 85% 的占空比運(yùn)行。

2.4. 有效利用再生能源

AZD-KD內(nèi)置再生處理電路，產(chǎn)生的再生電力可消耗在各驅(qū)動(dòng)器中。相反，由于驅(qū)動(dòng)器旨在用于多軸菊花鏈連接，因此可以在驅(qū)動(dòng)器之間有效地使用電機(jī)產(chǎn)生的再生電力。因此，電機(jī)產(chǎn)生的再生電能通過電源線配置回饋電源，每臺(tái)AZD-KRD驅(qū)動(dòng)器都沒有內(nèi)置再生處理電路。
另一方面，根據(jù)運(yùn)行條件、負(fù)載條件和連接臺(tái)數(shù)，驅(qū)動(dòng)器之間可能無(wú)法完全消耗再生電力。為了滿足軸驅(qū)動(dòng)和節(jié)拍時(shí)間短的運(yùn)轉(zhuǎn)等產(chǎn)生更大再生功率的運(yùn)轉(zhuǎn)的要求，我們計(jì)劃提供再生處理電路作為選項(xiàng)。

3.使用更少的接線

3.1. AZD-KRD接線

圖 11 是 AZD-KRD 接線示意圖的示例。電源和主機(jī)控制器放置在控制面板內(nèi)。電源和通信可以連接到同一個(gè)連接器。AZD-KRD 的菊花鏈功能允許驅(qū)動(dòng)器為下一個(gè)驅(qū)動(dòng)器供電并與其通信。距離主機(jī)控制器最遠(yuǎn)的驅(qū)動(dòng)器也需要一個(gè)終端電阻。

3.2. 減少布線的示例

圖 12 顯示了使用傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器與 AZD-KRD 的 7 軸機(jī)器人的接線比較。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器安裝在控制面板內(nèi)，每臺(tái)電機(jī)和傳感器電纜都將連接到單獨(dú)的電機(jī)。由于多根線纜捆綁布線，布線繁瑣，占用空間，增加機(jī)械臂質(zhì)量。另一方面，AZD-KRD 可以靠近電機(jī)放置，并且通過簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)器之間的布線，運(yùn)動(dòng)部件的總質(zhì)量是傳統(tǒng)系統(tǒng)的四分之一。

3.3. 電纜延長(zhǎng)距離

AZD-KRD為了減少配線，電源線和通信線使用共用電纜。但是，這會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)噪聲。
為此，AZD-KRD 在其電路中設(shè)計(jì)了一個(gè)噪聲濾波器。電纜越長(zhǎng)，越容易受到噪音的影響，因此所有菊花鏈連接的總長(zhǎng)度必須小于 5 米。電機(jī)電纜、編碼器電纜、電磁制動(dòng)器電纜以配線的簡(jiǎn)易性為中心，使用無(wú)屏蔽的導(dǎo)線。因此最大延伸距離為0.5米。

3.4. AZD-KRD直聯(lián)電機(jī)

為了減輕重量、減少布線并提高連接的便利性，傳統(tǒng)的屏蔽電纜被導(dǎo)線類型取代。AZD-KRD 的直接連接電機(jī)陣容可以直接連接到驅(qū)動(dòng)器，也可以使用轉(zhuǎn)換電纜將標(biāo)準(zhǔn) AZ 電機(jī)連接到 AZD-KRD。

4.功能

4.1. AZ 系列特點(diǎn)

AZD-KRD 是一種內(nèi)置于緊湊型驅(qū)動(dòng)器中的無(wú)電池絕對(duì)系統(tǒng)。此外，還有各種操作和功能可用，例如存儲(chǔ)數(shù)據(jù)操作和簡(jiǎn)單序列功能。
關(guān)節(jié)型機(jī)器人采用步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：定位精度高、響應(yīng)性高、調(diào)諧少、使用無(wú)電池絕對(duì)式編碼器可快速歸位。AZ 系列的標(biāo)準(zhǔn)安裝尺寸適用于 20 毫米至 60 毫米的電機(jī)尺寸。Oriental Motor 還提供齒輪電機(jī)、電動(dòng)滑塊、電動(dòng)缸、中空旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器、電動(dòng)夾具等多種產(chǎn)品系列。

4.2. 支持

ROS（機(jī)器人操作系統(tǒng)）是一種用于機(jī)器人的開源操作系統(tǒng)，由于它可以輕松地同時(shí)移動(dòng)傳感器、執(zhí)行器和機(jī)器人，因此在全球范圍內(nèi)變得越來(lái)越流行。Oriental Motor 有一個(gè) ROS 包，可以讓我們的產(chǎn)品通過 Modbus RTU 進(jìn)行通信。圖 15 顯示了控制節(jié)點(diǎn)和 Modbus RTU 節(jié)點(diǎn)之間的配置示例。

主機(jī)設(shè)備和驅(qū)動(dòng)程序之間的通信需要更高級(jí)別的設(shè)備創(chuàng)建查詢、發(fā)送查詢和處理響應(yīng)。由于Modbus RTU包中包含了通訊定時(shí)、錯(cuò)誤校驗(yàn)等功能，因此無(wú)需編寫通訊代碼。

5.總結(jié)

AZD-KRD 是一種產(chǎn)品，具有更小、更輕的驅(qū)動(dòng)器，減少了布線，專注于機(jī)器人應(yīng)用。通過重新審視接口和結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，我們實(shí)現(xiàn)了尺寸的顯著減小。此外，驅(qū)動(dòng)器可以安裝在電機(jī)附近，布線可以菊花鏈?zhǔn)竭B接，從而進(jìn)一步減小系統(tǒng)尺寸。盡管體積小，AZD-KRD 配備了與其較大的兄弟姐妹相同的功能。有了可用的 ROS 包，它可以用于各種機(jī)器人應(yīng)用程序。今后，我們將繼續(xù)開發(fā)滿足客戶需求的產(chǎn)品和技術(shù)。

審核編輯：湯梓紅