Arquitectura de accionamiento de articulaciones robóticas: dónde se utilizan engranajes helicoidales
Los robots industriales utilizan dos tipos de engranajes en sus reductores de articulación: accionamientos de onda de deformación (armónicos) para articulaciones compactas de hombro y codo de alta relación, y etapas compactas de engranajes planetarios helicoidales para articulaciones de muñeca y el eje rotatorio de los robots SCARA, donde la densidad de par y los requisitos de reversa favorecen los engranajes helicoidales sobre los diseños de onda de deformación. Los robots colaborativos (cobots) tienden a utilizar exclusivamente etapas planetarias helicoidales; la mayor reversa (menor fricción) de los engranajes helicoidales de dientes metálicos en comparación con los accionamientos de onda de deformación es importante para el cumplimiento de las normas de seguridad de detección de fuerza. Los accionamientos de las ruedas de los AGV (vehículos guiados automáticamente) utilizan etapas simples o dobles. engranaje helicoidal reductores entre el motor del cubo y la rueda.
Requisitos de holgura para engranajes helicoidales de robots y servomotores
En las articulaciones de los robots y en los ejes de posicionamiento accionados por servomotores, el juego mecánico aparece directamente como un error de posicionamiento. La relación es la siguiente:
Error angular en la salida = juego j_t / (d_pinion × tan(1/i))
Error lineal en la herramienta = error_angular × longitud_del_brazo_de_la_herramienta
Para una articulación de muñeca de robot de precisión con un piñón de diámetro primitivo de 50 mm, un juego de 1 mm (j_t = 1 mm en el círculo primitivo) y una relación de engranajes i = 20:1, el error angular del eje de salida es de aproximadamente 0,5°, lo que corresponde a un error de posición de 4 mm con un alcance de herramienta de 500 mm. Esto deja claro el requisito de juego para las articulaciones del robot: se necesita un juego inferior a un minuto de arco en la salida de la articulación para lograr una repetibilidad a nivel milimétrico en el efector final.
| Solicitud | Juego de salida requerido | j_t equivalente en la entrada (÷ relación de transmisión) | Clase DIN 3967 |
|---|---|---|---|
| Eje de máquina herramienta CNC (alta precisión) | < 5 segundos de arco ≈ 0,0014° | 0,002–0,010 mm | Clase h |
| Articulación de robot industrial (estándar) | < 1–3 minutos de arco ≈ 0,02–0,05° | 0,01–0,03 mm | Clase g–h |
| Articulación de robot colaborativo (cobot) | < 5–15 minutos de arco | 0,02–0,05 mm | Clase g |
| Tracción de las ruedas del AGV | < 0,1–0,5 mm lineal | 0,03–0,10 mm | Clase f–g |
| Eje de embalaje/etiquetado servoaccionado | < 0,05–0,2 mm lineal | 0,02–0,06 mm | Clase g |
Soluciones sin holgura para engranajes helicoidales servoaccionados
Método 1 — Tolerancia estricta del espesor del diente (DIN 3967 Clase h)
Especifique el engranaje helicoidal y piñón de acoplamiento según DIN 3967 clase h (ajustado). En M2–M4, la clase h proporciona un juego nominal de 0–0,06 mm. Combinado con una distancia entre centros de la carcasa fabricada con precisión y mantenida a ±0,01 mm, el juego de montaje suele ser de 0,005–0,020 mm, suficiente para ejes de posicionamiento de clase g. Esta es la solución de menor coste sin complejidad mecánica adicional. El inconveniente: a medida que los engranajes se desgastan, el juego aumenta y no se puede reajustar sin sustituirlos.
Método 2: Engranaje dividido con resorte (engranaje de tijera)
Un engranaje de tijera consta de dos piezas idénticas. engranaje helicoidal Ruedas montadas coaxialmente con un resorte de torsión entre ellas, pretorcido para presionar las dos mitades contra los flancos opuestos del piñón de acoplamiento simultáneamente: una mitad contacta con el flanco derecho y la otra con el izquierdo. La precarga del resorte elimina la holgura al mantener un contacto constante entre los dientes en ambos lados del piñón. A medida que se produce el desgaste, el resorte compensa automáticamente, manteniendo una holgura prácticamente nula durante toda la vida útil del engranaje. La desventaja: el par de precarga (normalmente de 5 a 151 TP3T del par nominal) aumenta las pérdidas por fricción de la transmisión y reduce la eficiencia máxima de la misma.
Método 3: Precarga antibalanceo de doble motor
Dos servomotores idénticos, cada uno accionando un piñón que engrana con el mismo engranaje helicoidal En este sistema, la rueda (o cremallera) funciona con un par de torsión controlado: un motor empuja en sentido horario mientras el otro resiste en sentido antihorario, manteniendo simultáneamente los flancos de ambos piñones en contacto con la rueda. Esto elimina la holgura sin necesidad de resortes mecánicos ni la inercia rotacional de un mecanismo de engranajes divididos. El servocontrol aplica un par diferencial de bajo nivel que se anula en la salida (ambos motores contribuyen con par en la dirección deseada, pero su par de torsión se anula). Esta es la solución preferida para ejes CNC de alta velocidad y precisión superiores a 30 m/min y para máquinas pórtico que requieren una sincronización exacta entre dos ejes.
Inercia reflejada: por qué la relación de transmisión afecta la respuesta del servomotor.
Cuando un servomotor impulsa una carga a través de un engranaje helicoidal En un reductor de relación i, el motor percibe no solo la inercia de carga J_load, sino también la inercia reflejada J_reflected = J_load / i². Para un reductor de 10:1, la inercia de carga contribuye únicamente con 1% a la inercia efectiva del motor; el engranaje y el rotor del motor son los factores dominantes. Este es el problema de igualación de inercia del servomotor:
J_total (en el motor) = J_motor + J_engranaje_piñón + J_carga / i²
Para obtener el máximo ancho de banda del servo, la relación entre J_total y J_motor debe minimizarse. Las relaciones de engranajes altas reducen J_reflejada/J_motor, pero los engranajes mismos tienen inercia. La relación de engranajes óptima para el máximo ancho de banda se produce cuando J_reflejada (de la carga) ≈ J_motor, lo que da i_opt = √(J_carga / J_motor). Para una articulación de robot con J_carga = 0,05 kg·m² y J_motor = 0,0005 kg·m²: i_opt = √(0,05/0,0005) = √100 = 10:1. Minimizar engranaje helicoidal Por lo tanto, la inercia del cuerpo (mediante el uso de cuerpos de engranajes huecos para aplicaciones de articulaciones de robots) es tan importante como minimizar el juego para la optimización del bucle de servocontrol.
Capacidad de reversa en robots colaborativos: por qué se prefieren los engranajes helicoidales
Un robot colaborativo (cobot) debe responder de forma segura cuando un humano lo empuja; la articulación debe ser reversible (la carga puede hacer girar el motor en sentido inverso) para que el sensor de fuerza-par de la articulación pueda detectar el contacto y el sistema de seguridad pueda limitar la fuerza aplicada. La fricción en el reductor de la articulación determina si se puede lograr la reversibleidad.
A engranaje helicoidal La etapa planetaria con una relación de 5:1 a 20:1 presenta una eficiencia de engranaje de 97–99%, lo que corresponde a un ángulo de fricción de aproximadamente 1–3°. Este valor es inferior al ángulo de fricción de autobloqueo: la articulación retrocede con una fuerza de 1,05–1,10 veces la fuerza de avance. Se logra un comportamiento seguro y adaptable mediante la detección integrada de fuerza y par.
Los reductores de onda de deformación (accionamiento armónico) con relaciones de 50:1 a 160:1 generalmente no permiten el accionamiento inverso: la alta relación de reducción y la fricción del generador de ondas impiden que la salida impulse la entrada. Los diseños de cobots que utilizan accionamientos de onda de deformación requieren un control de cumplimiento activo (control de impedancia con sensores de par) en lugar de un cumplimiento mecánico pasivo.
Korea Ever-Power — Suministro de engranajes helicoidales para servomotores y robots de precisión
Rectificado de precisión HÖFLER engranaje helicoidal Para aplicaciones de automatización de articulaciones de robots y servomotores: DIN Clase 4–5, Ra ≤ 0,3 µm, espesor de diente según DIN 3967 clase g–h para juego mínimo, con certificación de analizador de engranajes tanto de la clase de precisión como de la desviación del espesor del diente.
Korea Ever-Power produce precisión engranajes de corte helicoidal Para aplicaciones de servo y robótica en M0.5–M8, DIN Clase 4–6, espesor de diente clase g–h (juego reducido), en 20CrMnTi carburizado HRC 58–62 para máxima capacidad de carga en tamaño compacto. Para diseños de engranajes de tijera (divididos por resorte), Korea Ever-Power produce pares emparejados con espesor de diente confirmado dentro de ±1 µm del nominal, lo que garantiza una precarga igual en ambas mitades del engranaje. Como un directo fabricante de engranajes helicoidales, Korea Ever-Power proporciona el cálculo de inercia reflejada (J_gear = 0,5 × m × r²) para cada orden de engranaje de precisión, lo que proporciona al diseñador del sistema servo la información necesaria para la igualación de inercia antes de diseñar la caja de engranajes. Explore la Gama de productos de engranajes helicoidales.
Preguntas frecuentes
La repetibilidad es la capacidad de un robot para regresar a una posición visitada previamente desde la misma dirección de aproximación; no se ve afectada por el juego mecánico si la dirección de aproximación es siempre la misma. La precisión es la capacidad de alcanzar una coordenada cartesiana absoluta sin calibración previa; se ve directamente afectada por el juego mecánico, ya que la posición absoluta depende de si la articulación llegó en sentido horario o antihorario. La mayoría de los robots industriales especifican la repetibilidad (±0,01–0,05 mm), pero no la precisión absoluta, por lo que utilizan compensación de juego mecánico en sus sistemas de control en lugar de especificar juego mecánico cero. engranajes helicoidalesLos cobots utilizados para tareas de ensamblaje con control de fuerza, donde la precisión absoluta es fundamental, requieren engranajes con juego reducido y una calibración cinemática completa.
Normalmente no; además del juego mecánico, las articulaciones de los robots requieren una inercia reflejada baja (las cajas de engranajes estándar tienen cuerpos de engranajes relativamente pesados), una longitud axial compacta (las cajas de engranajes estándar tienen dimensiones de carcasa fijas que pueden no ser adecuadas para el espacio de la articulación) y rigidez torsional (las cajas de engranajes estándar pueden tener torsión bajo una aceleración rápida que limita el ancho de banda del servo). Un planetario de precisión engranaje helicoidal La etapa diseñada específicamente para aplicaciones de servomotores —con eje de salida hueco para el enrutamiento de cables, carcasa de aluminio ligera y brida de salida precisa— es el producto idóneo. Korea Ever-Power fabrica los componentes de engranajes planetarios (engranajes solares y planetarios) para estas etapas de servomotores compactas; la carcasa y el ensamblaje suelen ser diseño del fabricante del robot.
Los sistemas de accionamiento de ruedas AGV para robots de logística de interior suelen utilizar M2–M4. engranajes helicoidales En reductores de una o dos etapas, reduce la velocidad del motor (3000–6000 RPM) a la velocidad de la rueda (100–400 RPM). La geometría compacta del cubo de la rueda limita el diámetro exterior del engranaje a 30–80 mm, lo que en M2–M4 proporciona un número de dientes de 15–40, adecuado para las relaciones requeridas. Material: 20CrMnTi carburizado para una vida útil prolongada en el funcionamiento diario de 24 horas típico de los AGV logísticos. Clase de precisión: DIN Clase 6–7 (el entorno de la carcasa sellada IP67 y las velocidades moderadas del AGV no requieren la precisión DIN 5).
Para servomotores y articulaciones de robots engranajes helicoidalesEl ángulo de hélice β = 20–25° es estándar, el mismo rango que los engranajes industriales de precisión. Un ángulo de hélice mayor reduce el error de transmisión (menor ruido) pero aumenta el empuje axial en el eje del servomotor, que no siempre es soportado por el cojinete del eje del motor para cargas axiales. Para aplicaciones de servo, el cojinete de contacto angular preinstalado en el eje de salida del servomotor absorbe un empuje axial moderado; más allá de β = 25°, la carga axial puede exceder la capacidad axial del cojinete del eje del motor, lo que requiere un cojinete de empuje externo en el eje de entrada de la caja de engranajes. Korea Ever-Power confirma el empuje axial esperado (F_a = F_t × tan β) en comparación con la capacidad axial del cojinete del eje del motor para cada orden de engranaje de servo.
Consulta sobre servomotores de precisión y engranajes helicoidales para robots
Indique sus requisitos de holgura, relación de transmisión, par de salida y cualquier restricción de inercia. Korea Ever-Power confirma el módulo, el número de dientes, la clase DIN y la clase de espesor de diente, incluyendo de serie el cálculo de inercia reflejada y el certificado de holgura en cada pedido de servomotor.
M0.5–M8 · Clase DIN 4–6 · Juego de clase g–h · Cálculo de inercia · Pares de engranajes de tijera · Cantidad mínima de pedido: 1 pieza
Editor: Cxm
