尚斌，莫冰，王春川，2，楊劍鋒，2，李小兵，2，3，劉文威 ，2，3

（1．工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370；2．廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511370；3．電子信息產(chǎn)品可靠性分析與測(cè)試技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程中心，廣東 廣州，511370）

0 引言

伺服驅(qū)動(dòng)器（servo drives）又被稱為“伺服控制器”“伺服放大器”，是伺服系統(tǒng)的核心組成部分，是現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制中必不可少的部件，被廣泛地應(yīng)用于諸如工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等自動(dòng)化設(shè)備中。一般是通過(guò)位置、速度和力矩3種方式對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位，是傳動(dòng)技術(shù)的高端產(chǎn)品[1]。

作為機(jī)器人的核心部件，伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)接收到通信信號(hào)控制輸出端旋轉(zhuǎn)角度，為機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)產(chǎn)生比較精準(zhǔn)的輸出力矩，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制。隨著電子產(chǎn)品朝著高集成度、高密度和高功率方向發(fā)展，機(jī)器人用伺服驅(qū)動(dòng)器也逐漸地朝著小型化、高精度、高穩(wěn)定性、大輸出力矩和高可靠方向發(fā)展[2]。作為電子產(chǎn)品的典型代表，由于技術(shù)密集度和功能復(fù)合度越來(lái)越高，由此帶來(lái)的不確定性因素增多，可靠性問(wèn)題愈發(fā)突出，其中因?yàn)榘l(fā)熱、散熱引起的可靠性問(wèn)題是關(guān)注的焦點(diǎn)[3-4]。基于此，首先，針對(duì)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器熱問(wèn)題，提出了基于數(shù)字仿真的分析優(yōu)化方法；然后，識(shí)別出了產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，并提出了改進(jìn)建議，用于指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)；最后，通過(guò)試驗(yàn)的方式驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。

1 分析流程

通過(guò)仿真的方式，利用數(shù)字樣機(jī)模型對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行熱仿真，仿真工具選擇Ansys Icepak 17.0。仿真分析流程分為5個(gè)階段：分析準(zhǔn)備階段、建模階段、分析前處理、求解和分析后處理[5]。其中，分析準(zhǔn)備階段的工作內(nèi)容包括建立伺服驅(qū)動(dòng)器的數(shù)學(xué)物理模型和確定分析類(lèi)型；建模階段的工作內(nèi)容為建立伺服驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字樣機(jī)，分析前處理階段的工作內(nèi)容包括定義單元類(lèi)型、定義材料屬性、劃分網(wǎng)格和定義邊界條件；求解階段的工作內(nèi)容為利用ANSYS公司自帶的求解器進(jìn)行求解；分析后處理階段的工作內(nèi)容包括后處理數(shù)據(jù)輸出和熱設(shè)計(jì)合格與否的判斷[6]。若仿真結(jié)果顯示熱設(shè)計(jì)不滿足散熱要求，則需要對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的熱設(shè)計(jì)進(jìn)行修改與優(yōu)化，反復(fù)修改熱設(shè)計(jì)，直到熱設(shè)計(jì)滿足要求為止，分析流程如圖1所示。

圖1 伺服驅(qū)動(dòng)器熱仿真分析流程

2 熱分析與計(jì)算

2.1 數(shù)字樣機(jī)建模

選取某型號(hào)機(jī)器人用伺服驅(qū)動(dòng)器，物理樣機(jī)如圖2所示，根據(jù)物理樣機(jī)建立伺服驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)化后的數(shù)字樣機(jī)，如圖3所示。

圖2 IS620NS2R81型伺服驅(qū)動(dòng)器物理樣機(jī)

圖3 伺服驅(qū)動(dòng)器數(shù)字樣機(jī)

伺服驅(qū)動(dòng)器分解如圖4所示。仿真模型采用簡(jiǎn)化模型，主要針對(duì)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部溫度大小與分布情況和散熱能力進(jìn)行分析研究，而非進(jìn)行元器件和印制電路板級(jí)的熱仿真分析。分析模型將伺服驅(qū)動(dòng)器中體積較小且發(fā)熱量可以忽略不計(jì)的電子元器件進(jìn)行了刪除，對(duì)于分析模型中的電子元器件則采用規(guī)則幾何體進(jìn)行等效模擬[7]。

圖4 伺服驅(qū)動(dòng)器分解圖

2.2 條件設(shè)置

伺服驅(qū)動(dòng)器的熱仿真模型包括體單元和殼單元，其中體單元由六面體單元和四面體單元構(gòu)成，殼單元由四邊形單元和三角形單元構(gòu)成。熱仿真模型中結(jié)構(gòu)件和元器件的參數(shù)材料根據(jù)實(shí)際的物理樣機(jī)進(jìn)行選擇，其中驅(qū)動(dòng)器的主體支架材料為鋁合金，印制電路板材料為FR-4，電容材料為陶瓷，其他元器件材料設(shè)置為導(dǎo)熱塑料。

熱仿真模型的網(wǎng)格劃分方法為六面體占優(yōu)法，該方法的單元類(lèi)型為六面體和四面體。為了降低網(wǎng)格數(shù)量，采用多級(jí)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，模型中單元總數(shù)為2 387 457，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 463 803，伺服驅(qū)動(dòng)器的有限元模型和網(wǎng)格切面如圖5-6所示。為了使模型的網(wǎng)格質(zhì)量滿足分析精度要求，對(duì)網(wǎng)格品質(zhì)進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果如表1和圖7-9所示。

表1 網(wǎng)格質(zhì)量檢查

圖5 伺服驅(qū)動(dòng)器有限元模型

圖6 模型網(wǎng)格X-Y平面切片圖

圖7 面對(duì)齊率

圖8 格體積值

圖9 網(wǎng)格偏斜度

為了使仿真結(jié)果與真實(shí)情況更相符，元器件與印制電路板之間，以及印制電路板與主體支架之間的連接均設(shè)置有熱阻，具體方法為采用Icepak中的plate板來(lái)填充連接間隙并充當(dāng)連接熱阻，通過(guò)設(shè)置不同的阻值來(lái)模擬不同的連接件[8]。該方法可以避免間隙過(guò)小而致使網(wǎng)格單元數(shù)量過(guò)大的不足，同時(shí)也可以較好地模擬實(shí)際情況。

分析模型中采用plate板模擬發(fā)熱芯片，并設(shè)置不同的發(fā)熱功率，共26處，利用Source熱源模擬散熱板上的熱源，共3處，環(huán)境溫度設(shè)置為27 ℃。采用并行計(jì)算方法進(jìn)行求解，重力方向設(shè)置與試驗(yàn)測(cè)試方向相同，大小為9.8 m/s2。計(jì)算過(guò)程中流體狀態(tài)通過(guò)計(jì)算雷諾數(shù)和貝克萊特樹(shù)，判定為紊流。計(jì)算迭代次數(shù)設(shè)置為80次，每隔兩個(gè)計(jì)算點(diǎn)顯示一次計(jì)算數(shù)據(jù)，并設(shè)置有3個(gè)溫度監(jiān)控點(diǎn)。

2.3 結(jié)果分析

計(jì)算過(guò)程中各個(gè)變量方程的殘差，其中Continuity的殘差為0.000 2，小于最低標(biāo)準(zhǔn)值0.001；能量方程的殘差為6e-9，遠(yuǎn)小于最低標(biāo)準(zhǔn)值1e-7的要求。當(dāng)?shù)螖?shù)高于70次時(shí)，3個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的溫度穩(wěn)定，計(jì)算收斂。

熱分析結(jié)果如圖10所示，該圖為分析結(jié)果的云圖顯示。對(duì)分析云圖進(jìn)行切面化顯示，得到圖11所示的分析結(jié)果，圖中正方形框?yàn)橛?jì)算區(qū)域，區(qū)域內(nèi)溫度顯示為27 ℃，分析模型中伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的最高溫度為46.6 ℃。

圖10 溫度云圖

圖11 溫度切面

對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行氣流速度矢量的顯示，如圖12所示。由該圖可以知道空氣在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)腔中的流動(dòng)情況，通過(guò)氣體速度矢量圖可以判斷模型中氣流的走向，發(fā)現(xiàn)氣流短路現(xiàn)象、渦流區(qū)域，改進(jìn)系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)，增加導(dǎo)流板等，有效地破壞氣流短路和渦流區(qū)域，改善氣流的組織形式，從而降低器件溫度。圖中顯示，中間結(jié)構(gòu)部分（①）阻礙了氣體的流動(dòng)，同時(shí)左下部分的散熱片（②）的結(jié)構(gòu)和大小需要優(yōu)化設(shè)計(jì)，以增大氣體流速，提高交換熱量。

圖12 氣流速度矢量

3 溫度試驗(yàn)

對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)采用紅外成像儀進(jìn)行溫度測(cè)試，測(cè)試其熱點(diǎn)情況及熱分布升溫情況，試驗(yàn)條件如表2所示。

表2 試驗(yàn)條件

伺服驅(qū)動(dòng)器安放在強(qiáng)化試驗(yàn)系統(tǒng)中的位置如圖13所示。試驗(yàn)箱溫度設(shè)為27 ℃，溫度測(cè)試結(jié)果如圖14所示。由圖14可知，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的不同部位進(jìn)行溫度測(cè)試時(shí)，會(huì)得到不同的測(cè)試結(jié)果。最高溫度出現(xiàn)在伺服驅(qū)動(dòng)器的頂部，達(dá)到46.1 ℃。

圖13 伺服驅(qū)動(dòng)器測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖14 伺服驅(qū)動(dòng)器紅外成像結(jié)果

通過(guò)對(duì)比伺服驅(qū)動(dòng)器的熱仿真和溫度測(cè)試結(jié)果可知，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差較小，仿真結(jié)果可以較為準(zhǔn)確地顯示伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布情況和空氣的流動(dòng)情況，從而指導(dǎo)伺服驅(qū)動(dòng)器的熱設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

通過(guò)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行熱仿真與溫度試驗(yàn)研究，可以得到優(yōu)化伺服驅(qū)動(dòng)器散熱能力的措施，具體如下：

1）伺服驅(qū)動(dòng)器的主體支架中間結(jié)構(gòu)部分阻礙了空氣的流動(dòng)，可以增加通孔數(shù)量和修改孔徑大小來(lái)增強(qiáng)空氣的流動(dòng)；

2）伺服驅(qū)動(dòng)器中散熱片的結(jié)構(gòu)和大小需要重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以增大氣體流速，提高熱交換量。

4 結(jié)束語(yǔ)

首先，針對(duì)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器熱設(shè)計(jì)優(yōu)化需求，采用仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)其散熱能力進(jìn)行研究分析，給出了熱仿真分析流程；然后，用數(shù)字樣機(jī)模型進(jìn)行熱分析，識(shí)別了熱設(shè)計(jì)的不足之處，并給出了改進(jìn)建議；最后，利用溫度試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)比結(jié)果表明，兩者結(jié)果接近，通過(guò)仿真的方式可以有效地分析伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布情況和空氣的流動(dòng)情況，從而指導(dǎo)伺服驅(qū)動(dòng)器的熱設(shè)計(jì)與優(yōu)化。