بنية محرك مفاصل الروبوت - حيث تُستخدم التروس الحلزونية
تستخدم الروبوتات الصناعية نوعين من التروس في مخفضات مفاصلها: محركات الموجة الانفعالية (التوافقية) لمفاصل الكتف والمرفق المدمجة ذات النسبة العالية، ومراحل التروس الكوكبية الحلزونية المدمجة لمفاصل الرسغ والمحور الدوراني لروبوتات SCARA حيث تُفضل متطلبات كثافة عزم الدوران وقابلية الدوران العكسي التروس الحلزونية على تصميمات الموجة الانفعالية. تميل الروبوتات التعاونية (الكوبوتات) إلى استخدام مراحل التروس الكوكبية الحلزونية حصريًا - تُعد قابلية الدوران العكسي الأعلى (الاحتكاك الأقل) للتروس الحلزونية ذات الأسنان المعدنية مقارنةً بمحركات الموجة الانفعالية أمرًا مهمًا للامتثال لمعايير السلامة الخاصة باستشعار القوة. تستخدم محركات عجلات المركبات الموجهة آليًا (AGV) مرحلة واحدة أو مرحلتين تروس حلزونية مخفضات السرعة بين محرك المحور والعجلة.
متطلبات رد الفعل العكسي للتروس الحلزونية للروبوتات والمحركات المؤازرة
في مفاصل الروبوت ومحاور تحديد المواقع التي تعمل بمحركات مؤازرة، يظهر رد الفعل العكسي مباشرةً كخطأ في تحديد الموقع. العلاقة:
الخطأ الزاوي عند المخرج = رد الفعل العكسي j_t / (d_pinion × tan(1/i))
الخطأ الخطي عند الأداة = الخطأ الزاوي × طول ذراع الأداة
بالنسبة لمفصل معصم روبوت دقيق ذي ترس بقطر دائرة خطوة 50 مم، وخلوص خلفي 1 مم (j_t = 1 مم عند دائرة الخطوة)، ونسبة تروس i = 20:1، يبلغ الخطأ الزاوي لعمود الخرج حوالي 0.5 درجة، وهو ما يعادل خطأً موضعيًا قدره 4 مم عند مدى وصول أداة 500 مم. وهذا يوضح متطلبات الخلوص الخلفي لمفاصل الروبوت بشكل فوري: يلزم خلوص خلفي أقل من دقيقة قوسية عند خرج المفصل لتحقيق دقة تكرار تصل إلى مستوى المليمتر عند أداة النهاية.
| طلب | رد الفعل العكسي المطلوب | قيمة j_t المكافئة عند المدخل (÷ نسبة التروس) | DIN 3967 الفئة |
|---|---|---|---|
| محور آلة CNC (عالي الدقة) | < 5 ثوانٍ قوسية ≈ 0.0014° | 0.002–0.010 مم | الفئة ح |
| مفصل الروبوت الصناعي (قياسي) | < 1–3 دقائق قوسية ≈ 0.02–0.05° | 0.01–0.03 مم | الفئة g–h |
| مفصل الروبوت التعاوني (كوبوت) | < 5–15 دقيقة قوسية | 0.02–0.05 مم | الفئة ج |
| نظام دفع بعجلات مركبة النقل الآلية (AGV) | < 0.1–0.5 مم خطي | 0.03–0.10 مم | الفئة f–g |
| محور التعبئة والتغليف/الوسم المؤازر | < 0.05–0.2 مم خطي | 0.02–0.06 مم | الفئة ج |
حلول خالية من رد الفعل العكسي للتروس الحلزونية المؤازرة
الطريقة 1 - التفاوت الضيق في سمك السن (DIN 3967 الفئة h)
حدد تروس حلزونية وترس التزاوج من الفئة h (محكم) وفقًا لمعيار DIN 3967. عند M2-M4، تُعطي الفئة h خلوصًا اسميًا يتراوح بين 0 و0.06 مم. وبالاقتران مع مسافة مركزية دقيقة الصنع للهيكل، مضبوطة على ±0.01 مم، يكون خلوص التجميع عادةً بين 0.005 و0.020 مم، وهو ما يكفي لمحاور تحديد المواقع من الفئة g. هذا هو الحل الأقل تكلفة دون أي تعقيد ميكانيكي إضافي. أما العيب فهو: مع تآكل التروس، يزداد الخلوص ولا يمكن إعادة ضبطه إلا بالاستبدال.
الطريقة الثانية - التروس المنقسمة ذات الزنبرك (التروس المقصية)
تتكون التروس المقصية من جزأين متطابقين تروس حلزونية عجلات مثبتة محوريًا بواسطة نابض التواء بينها، ملتوية مسبقًا لضغط نصفيها على جانبي الترس المخروطي المقابل في آنٍ واحد - يلامس نصفها الجانب الأيمن، والآخر الجانب الأيسر. يُزيل التحميل المسبق للنابض الخلوص عن طريق الحفاظ على تلامس ثابت للأسنان على جانبي الترس المخروطي. مع حدوث التآكل، يُعوض النابض تلقائيًا، محافظًا على خلوص شبه معدوم طوال عمر الترس. أما العيب فهو أن عزم التحميل المسبق (عادةً ما بين 5 و15% من عزم الدوران المقنن) يزيد من فقدان الاحتكاك في نظام الدفع ويقلل من كفاءة الدفع القصوى.
الطريقة الثالثة - التحميل المسبق المضاد للارتداد لمحركين
محركان مؤازران متطابقان، يقوم كل منهما بتدوير ترس صغير يتعشق مع نفس تروس حلزونية يتم تشغيل العجلة (أو المسننة) بنظام عزم دوران مُتحكم به، حيث يدفع أحد المحركين باتجاه عقارب الساعة بينما يقاوم الآخر عكس اتجاه عقارب الساعة، مما يُبقي جانبي التروس ملامسين للعجلة في آنٍ واحد. هذا يُزيل أي رد فعل عكسي دون الحاجة إلى تحميل زنبركي ميكانيكي أو قصور ذاتي دوراني كما في آلية التروس المنفصلة. يُطبق نظام التحكم المؤازر عزم دوران تفاضلي منخفض المستوى يُلغى عند المخرج (يُساهم كلا المحركين بعزم الدوران في الاتجاه المطلوب، لكن عزم الدوران المُتحيز يُلغي أحدهما الآخر). يُعد هذا الحل الأمثل لمحاور CNC عالية السرعة والدقة التي تتجاوز 30 مترًا/دقيقة، ولآلات الجسر التي تتطلب تزامنًا دقيقًا بين محورين.
القصور الذاتي المنعكس - لماذا تؤثر نسبة التروس على استجابة المؤازرة
عندما يقوم محرك سيرفو بتحريك حمل عبر تروس حلزونية في مُخفِّض السرعة ذي النسبة i، لا يرى المحرك عزم القصور الذاتي للحمل J_load فحسب، بل يرى أيضًا عزم القصور الذاتي المنعكس J_reflected = J_load / i². بالنسبة لمُخفِّض سرعة بنسبة 10:1، يُساهم عزم القصور الذاتي للحمل بمقدار 1% فقط في عزم القصور الذاتي الفعال للمحرك - حيث يهيمن الترس نفسه ودوار المحرك. هذه هي مشكلة مُطابقة عزم القصور الذاتي لنظام المؤازرة.
J_total (عند المحرك) = J_motor + J_gear_pinion + J_load / i²
لتحقيق أقصى عرض نطاق للمحرك المؤازر، يجب تقليل نسبة J_total إلى J_motor. تقلل نسب التروس العالية من J_reflected/J_motor، ولكن للتروس نفسها قصور ذاتي. تتحقق نسبة التروس المثلى لأقصى عرض نطاق عندما تكون J_reflected (من الحمل) ≈ J_motor، مما يعطي i_opt = √(J_load / J_motor). بالنسبة لمفصل روبوت حيث J_load = 0.05 كجم·م² و J_motor = 0.0005 كجم·م²: i_opt = √(0.05/0.0005) = √100 = 10:1. تروس حلزونية وبالتالي فإن قصور الجسم (عن طريق استخدام أجسام التروس المجوفة لتطبيقات مفاصل الروبوت) لا يقل أهمية عن تقليل رد الفعل العكسي لتحسين حلقة المؤازرة.
إمكانية الحركة العكسية في الروبوتات التعاونية - لماذا تُفضل التروس الحلزونية
يجب أن يستجيب الروبوت التعاوني (الكوبوت) بأمان عند دفعه من قبل إنسان، إذ يجب أن يكون المفصل قابلاً للدوران العكسي (بحيث يمكن للحمل أن يدفع المحرك للخلف) حتى يتمكن مستشعر عزم الدوران والقوة في المفصل من اكتشاف التلامس، ويتمكن نظام الأمان من الحد من القوة المطبقة. ويحدد الاحتكاك في مخفض سرعة المفصل إمكانية تحقيق الدوران العكسي.
أ تروس حلزونية تتميز المرحلة الكوكبية بنسبة تروس تتراوح بين 5:1 و20:1 بكفاءة تعشيق تتراوح بين 97 و99%، ما يُعادل زاوية احتكاك تتراوح بين 1 و3 درجات تقريبًا. هذه الزاوية أقل من زاوية الاحتكاك اللازمة للقفل الذاتي، حيث يتحرك المفصل للخلف بقوة تتراوح بين 1.05 و1.10 ضعف قوة الدفع الأمامي. ويمكن تحقيق سلوك أمان متوافق بفضل نظام استشعار القوة والعزم المتكامل.
عادةً ما تكون مخفضات سرعة الموجة الانفعالية (محرك التوافقيات) بنسب تتراوح بين 50:1 و160:1 غير قابلة للتشغيل العكسي، حيث تمنع نسبة التخفيض العالية واحتكاك مولد الموجة الخرج من تشغيل المدخل. تتطلب تصميمات الروبوتات التعاونية التي تستخدم محركات الموجة الانفعالية تحكمًا فعالًا في المرونة (التحكم في المعاوقة باستخدام مستشعرات عزم الدوران) بدلاً من المرونة الميكانيكية السلبية.
شركة كوريا إيفر باور - مورد تروس حلزونية دقيقة للمحركات المؤازرة والروبوتات
دقة عالية مصقولة من قبل هوفلر تروس حلزونية لتطبيقات أتمتة مفاصل الروبوتات والمحركات المؤازرة - فئة DIN 4-5، Ra ≤ 0.3 ميكرومتر، سمك السن وفقًا لفئة DIN 3967 g-h لتقليل الخلوص، مع شهادة محلل التروس لكل من فئة الدقة وانحراف سمك السن
شركة كوريا إيفر باور تنتج منتجات دقيقة تروس قطع حلزونية لتطبيقات المؤازرة والروبوتات بأحجام M0.5–M8، وفئة DIN 4–6، وفئة سُمك الأسنان g–h (خلوص خلفي ضيق)، مصنوعة من فولاذ 20CrMnTi المُكربن، وصلابة HRC 58–62 لتحقيق أقصى قدرة تحمل في حجم صغير. بالنسبة لتصميمات التروس المقصية (ذات الزنبرك المنفصل)، تُنتج شركة Korea Ever-Power أزواجًا متطابقة بسُمك أسنان مُؤكد ضمن ±1 ميكرومتر من السُمك الاسمي، مما يضمن تحميلًا مُسبقًا متساويًا على نصفي الترس. مصنع التروس الحلزونيةتوفر شركة إيفر-باور الكورية حساب القصور الذاتي المنعكس (J_gear = 0.5 × m × r²) لكل طلبية تروس دقيقة، مما يمنح مصمم نظام المؤازرة المعلومات اللازمة لمطابقة القصور الذاتي قبل تصميم علبة التروس. تصفح مجموعة منتجات التروس الحلزونية.
الأسئلة الشائعة
التكرارية هي قدرة الروبوت على العودة إلى موضع سبق له زيارته من نفس اتجاه الاقتراب، ولا تتأثر بالارتداد إذا كان اتجاه الاقتراب ثابتًا. أما الدقة فهي القدرة على الوصول إلى إحداثيات ديكارتية مطلقة دون معايرة مسبقة، وتتأثر بشكل مباشر بالارتداد لأن الموضع المطلق يعتمد على اتجاه حركة المفصل، سواء كان باتجاه عقارب الساعة أو عكسها. تُحدد معظم الروبوتات الصناعية التكرارية (±0.01-0.05 مم) دون تحديد الدقة المطلقة، ولذلك تستخدم تعويض الارتداد في أنظمة التحكم الخاصة بها بدلاً من تحديد قيمة صفرية للارتداد. تروس حلزونية. تتطلب الروبوتات التعاونية المستخدمة في مهام التجميع التي يتم التحكم فيها بالقوة حيث تكون الدقة المطلقة مهمة تروسًا ذات رد فعل خلفي ضيق ومعايرة حركية كاملة.
ليس عادةً - فبالإضافة إلى رد الفعل العكسي، تتطلب مفاصل الروبوت قصورًا ذاتيًا منخفضًا (تحتوي علب التروس القياسية على أجسام تروس ثقيلة نسبيًا)، وطولًا محوريًا صغيرًا (تحتوي علب التروس القياسية على أبعاد غلاف ثابتة قد لا تتناسب مع نطاق المفصل)، وصلابة التوائية (يمكن أن يحدث تراكم في علب التروس القياسية تحت التسارع السريع مما يحد من عرض نطاق المؤازرة). ترس كوكبي دقيق تروس حلزونية تُعدّ المنصة المصممة خصيصًا لتطبيقات المؤازرة - ذات عمود إخراج مجوّف لتوجيه الكابلات، وهيكل من الألومنيوم خفيف الوزن، وحافة إخراج دقيقة - المنتج الأمثل. تُنتج شركة إيفر-باور الكورية مكونات التروس الكوكبية (التروس الشمسية والكوكبية) لهذه المنصات المؤازرة المدمجة؛ أما الهيكل والتجميع، فعادةً ما يكونان من تصميم الشركة المصنعة للروبوت.
تستخدم محركات عجلات المركبات الموجهة آلياً (AGV) الخاصة بروبوتات الخدمات اللوجستية الداخلية عادةً محركات من نوع M2 إلى M4 تروس حلزونية في علب التروس أحادية أو ثنائية المرحلة، يتم تخفيض سرعة المحرك (3000-6000 دورة في الدقيقة) إلى سرعة العجلة (100-400 دورة في الدقيقة). يحد التصميم الهندسي المدمج لمحور العجلة من قطر الترس الخارجي إلى 30-80 مم، مما يوفر في التروس M2-M4 عدد أسنان يتراوح بين 15-40 سنًا، وهو عدد كافٍ للنسب المطلوبة. المادة: فولاذ 20CrMnTi معالج بالكربنة لضمان عمر خدمة طويل في التشغيل اليومي على مدار 24 ساعة، وهو أمر شائع في مركبات النقل الموجهة آليًا (AGVs) اللوجستية. فئة الدقة: DIN الفئة 6-7 (لا تتطلب بيئة الغلاف المحكم IP67 وسرعات مركبات النقل الموجهة آليًا المعتدلة دقة DIN 5).
للمفاصل المؤازرة والروبوتية تروس حلزونيةزاوية الحلزون β = 20-25° هي الزاوية القياسية، وهي نفس نطاق زوايا التروس الصناعية الدقيقة. تقلل زاوية الحلزون الأعلى من خطأ النقل (ضوضاء أقل)، ولكنها تزيد من قوة الدفع المحورية على عمود محرك المؤازرة، والتي لا يتحملها دائمًا محمل عمود المحرك للأحمال المحورية. في تطبيقات المؤازرة، يمتص محمل التلامس الزاوي المدمج مسبقًا في عمود خرج محرك المؤازرة قوة دفع محورية معتدلة؛ وعندما تتجاوز β = 25°، قد يتجاوز الحمل المحوري قدرة تحمل محمل عمود المحرك، مما يستدعي تركيب محمل دفع خارجي على عمود إدخال علبة التروس. تؤكد شركة إيفر-باور الكورية قوة الدفع المحورية المتوقعة (F_a = F_t × tan β) مقابل قدرة تحمل محمل عمود المحرك لكل طلبية تروس مؤازرة.
استفسار عن التروس الحلزونية الدقيقة للمحركات المؤازرة والروبوتات
حدد متطلباتك من حيث الخلوص، ونسبة التروس، وعزم الدوران الناتج، وأي قيود على القصور الذاتي. تؤكد شركة إيفر-باور الكورية على الوحدة، وعدد الأسنان، وفئة DIN، وفئة سُمك السن - مع تضمين حساب القصور الذاتي المُنعكس وشهادة الخلوص كمعيار قياسي في كل طلبية تروس مؤازرة.
M0.5–M8 · فئة DIN 4–6 · خلوص من الفئة g–h · حساب القصور الذاتي · أزواج تروس مقصية · الحد الأدنى للطلب قطعة واحدة
المحرر: Cxm
