Backlash
- 又稱: Gear Backlash, Lost Motion, Free Play
- 類別: Actuation & drivetrain › Ratings
- 標籤: gears, transmission, accuracy, backlash, metrology
背隙即傳動機構中的空隙：換向後，輸出端在輸入端重新帶動它之前所移動的距離，通常以弧分表示。
定義
背隙是傳動機構輸入端與輸出端之間的空程：在輸入端完全不動的情況下，輸出端可以來回移動的量。它的存在是因為嚙合的齒輪齒需要間隙才能運轉而不卡死，而軸承、栓槽與聯軸器也各自貢獻了自己的鬆動量。它以輸出端的角度表示，通常以弧分為單位，一弧分等於六十分之一度。
背隙之所以重要，是因為它打破了大多數控制程式所做的假設，也就是指令的關節位置等於實際的關節位置。換向時，輸出端會在背隙的寬度內停住不動，然後才跟上；這會表現為每次換向時的位置誤差、限制位置迴路在開始振盪前所能調到的硬度，以及在加工或繪圖任務中可見的顫動。它也會沿著運動鏈累積：肩部一個小小的角度鬆動，乘上手臂的長度，就會在末端執行器變成很大的位置誤差。
背隙不應與順應性混淆。順應性是彈性的：關節在負載下偏轉，然後彈回，它是可重複的，可以建模或補償。背隙則是一個死區，在其中輸出端根本不受控制，而且並非可靠地可重複。這項區別決定了傳動機構的選擇：諧波減速機的背隙接近零，但在扭矩下有明顯的順應性；行星減速機剛性高，但除非施加預壓，否則背隙達數弧分；擺線減速機則介於兩者之間。
為何重要
背隙通常是製作者在精度上遇到的第一個硬性限制，而且在零件清單上看不出來。一支以好馬達與好編碼器組裝的機器手臂，末端仍可能偏移好幾毫米，因為每個關節幾弧分的鬆動會沿著運動鏈累積。由於編碼器通常裝在馬達端而不是輸出端，控制迴路甚至看不到這個誤差：關節回報的是它正好位在被指令的位置。了解背隙，才能把規格書上的數字轉化為對機器實際表現的預測。
主要應用
- 比較減速機規格書，其中背隙以弧分表示
- 診斷只在換向時才出現的位置誤差
- 決定編碼器應裝在馬達端還是關節輸出端
- 為加工、繪圖、點膠或檢測任務訂定關節規格
- 在多關節運動鏈中分配末端執行器的精度預算
實際應用
量測方法是鎖住輸入端，在已知半徑處對著量錶來回搖動輸出端，再把偏移量換算成角度。典型數值：諧波減速機低於一弧分，品質良好的擺線減速機約一弧分，精密行星減速機三到五弧分，標準行星減速機或列印的齒輪系則在十弧分以上。常見的緩解方法包括施加預壓或使用分割齒輪、把編碼器裝在輸出端而不是馬達端，讓迴路能看到真實的位置，以及每次都從同一個方向接近目標，讓鬆動量總是以相同的方式被吃掉，這是 CNC 機械加工師傅用了數十年的技巧。
常見誤解
- 背隙與順應性是同一回事：順應性是彈性且可重複的，背隙則是不受控制的死區
- 馬達端的編碼器能偵測到它：背隙位在編碼器之後，所以控制器會回報關節已到達目標
- 零背隙永遠是目標：消除背隙需要付出金錢、效率與耐衝擊性，而腿式機器人可能更在意能否承受衝擊
- 背隙是固定的：背隙會隨位置、溫度、預壓與磨耗而變化，這正是它難以用軟體補償的原因
誰需要了解
- 任何打造一支必須精確、而不只是有力之手臂的人
- 重複精度在一個方向很好、另一個方向很差的製作者
- 任何在行星、擺線與諧波傳動之間做選擇的人
- 決定在關節中何處放置編碼器的工程師
- 想了解工業手臂為何如此昂貴的學生
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