Architettura di azionamento dei giunti robotici: dove vengono utilizzati gli ingranaggi elicoidali
I robot industriali utilizzano due tipi di ingranaggi nei loro riduttori di giunto: azionamenti a onda di deformazione (armonici) per giunti compatti di spalla e gomito ad alto rapporto, e stadi di ingranaggi planetari elicoidali compatti per i giunti del polso e l'asse rotante dei robot SCARA, dove la densità di coppia e i requisiti di retro-guidabilità favoriscono gli ingranaggi elicoidali rispetto ai progetti a onda di deformazione. I robot collaborativi (cobot) tendono a utilizzare esclusivamente stadi planetari elicoidali: la maggiore retro-guidabilità (minore attrito) degli ingranaggi elicoidali a denti metallici rispetto agli azionamenti a onda di deformazione è importante per la conformità alla sicurezza del rilevamento della forza. Le trazioni delle ruote degli AGV (Automated Guided Vehicle) utilizzano uno o due stadi ingranaggio elicoidale riduttori tra il motore del mozzo e la ruota.
Requisiti di gioco per ingranaggi elicoidali per robot e servomotori
Nelle giunzioni robotiche e negli assi di posizionamento servoassistiti, il gioco meccanico si manifesta direttamente come errore di posizionamento. La relazione:
Errore angolare in uscita = gioco j_t / (d_pinion × tan(1/i))
Errore lineare dell'utensile = errore_angolare × lunghezza_del_braccio_dell'utensile
Per un giunto del polso di un robot di precisione con un pignone di diametro primitivo di 50 mm, un gioco di 1 mm (j_t = 1 mm sul cerchio primitivo) e un rapporto di trasmissione i = 20:1, l'errore angolare dell'albero di uscita è di circa 0,5° — corrispondente a un errore di posizione di 4 mm a una portata dell'utensile di 500 mm. Ciò chiarisce immediatamente il requisito del gioco per i giunti del robot: è necessario un gioco inferiore al minuto d'arco all'uscita del giunto per una ripetibilità a livello millimetrico sull'effettore finale.
| Applicazione | Gioco di uscita richiesto | j_t equivalente all'ingresso (÷ rapporto di trasmissione) | Classe DIN 3967 |
|---|---|---|---|
| Asse macchina utensile CNC (alta precisione) | < 5 secondi d'arco ≈ 0,0014° | 0,002–0,010 mm | Classe h |
| Giunto per robot industriale (standard) | < 1–3 minuti d'arco ≈ 0,02–0,05° | 0,01–0,03 mm | Classe g–h |
| Giunto robotico collaborativo (cobot) | < 5–15 minuti d'arco | 0,02–0,05 mm | Classe g |
| Trazione AGV su ruote | < 0,1–0,5 mm lineare | 0,03–0,10 mm | Classe f–g |
| Asse servoassistito per confezionamento/etichettatura | < 0,05–0,2 mm lineare | 0,02–0,06 mm | Classe g |
Soluzioni a gioco zero per ingranaggi elicoidali servoassistiti
Metodo 1 — Tolleranza ristretta dello spessore del dente (DIN 3967 Classe h)
Specificare il ingranaggio elicoidale e pignone di accoppiamento conforme alla classe h (stretta) della norma DIN 3967. In corrispondenza di M2–M4, la classe h garantisce un gioco nominale di 0–0,06 mm. In combinazione con una distanza tra i centri dell'alloggiamento realizzata con precisione e mantenuta entro ±0,01 mm, il gioco di assemblaggio è tipicamente di 0,005–0,020 mm, sufficiente per assi di posizionamento di classe g. Questa è la soluzione più economica senza ulteriore complessità meccanica. Lo svantaggio: con l'usura degli ingranaggi, il gioco aumenta e non può essere ripristinato senza la sostituzione.
Metodo 2 — Ingranaggio diviso a molla (ingranaggio a forbice)
Un ingranaggio a forbice è costituito da due ingranaggi identici ingranaggio elicoidale Ruote montate coassialmente con una molla di torsione interposta, pre-torsionata per premere simultaneamente le due metà contro i fianchi opposti del pignone di accoppiamento: una metà entra in contatto con il fianco destro, l'altra con il fianco sinistro. Il precarico della molla elimina il gioco mantenendo un contatto costante tra i denti su entrambi i lati del pignone. Con l'usura, la molla compensa automaticamente, mantenendo un gioco prossimo allo zero per tutta la durata dell'ingranaggio. Lo svantaggio: la coppia di precarico (tipicamente 5-15% della coppia nominale) aumenta le perdite per attrito della trasmissione e riduce l'efficienza massima della trasmissione.
Metodo 3 — Precarico anti-gioco a doppio motore
Due servomotori identici, ciascuno dei quali aziona un pignone che ingrana con lo stesso ingranaggio elicoidale Le ruote (o cremagliere) sono azionate con una coppia di ripartizione controllata: un motore spinge in senso orario mentre l'altro oppone resistenza in senso antiorario, mantenendo contemporaneamente i fianchi di entrambi i pignoni a contatto con la ruota. Questo elimina il gioco senza bisogno di molle meccaniche e senza l'inerzia rotazionale di un meccanismo a ingranaggi scomponibili. Il servocontrollo applica una coppia differenziale di basso livello che si annulla in uscita (entrambi i motori contribuiscono alla coppia nella direzione desiderata, ma la loro coppia di ripartizione si annulla). Questa è la soluzione preferita per assi CNC di precisione ad alta velocità superiori a 30 m/min e per macchine a portale che richiedono una sincronizzazione precisa tra due assi.
Inerzia riflessa: perché il rapporto di trasmissione influenza la risposta del servosterzo
Quando un servomotore aziona un carico attraverso un ingranaggio elicoidale Nel caso di un riduttore di rapporto i, il motore non vede solo l'inerzia del carico J_carico, ma anche l'inerzia riflessa J_riflessa = J_carico / i². Per un riduttore 10:1, l'inerzia del carico contribuisce solo con 1% all'inerzia effettiva del motore: l'ingranaggio stesso e il rotore del motore sono predominanti. Questo è il problema di adattamento dell'inerzia del sistema servoassistito:
J_totale (al motore) = J_motore + J_pignone + J_carico / i²
Per massimizzare la larghezza di banda del servo, il rapporto tra J_totale e J_motore deve essere minimizzato. Rapporti di trasmissione elevati riducono J_riflesso/J_motore, ma gli ingranaggi stessi hanno inerzia. Il rapporto di trasmissione ottimale per massimizzare la larghezza di banda si verifica quando J_riflesso (dal carico) ≈ J_motore, dando i_opt = √(J_carico / J_motore). Per un giunto robotico con J_carico = 0,05 kg·m² e J_motore = 0,0005 kg·m²: i_opt = √(0,05/0,0005) = √100 = 10:1. Minimizzare ingranaggio elicoidale L'inerzia del corpo (ottenuta utilizzando corpi ingranaggi cavi per le applicazioni di giunti robotici) è quindi importante quanto la minimizzazione del gioco per l'ottimizzazione del circuito di azionamento del servomotore.
Retromarcia nei robot collaborativi: perché si preferiscono gli ingranaggi elicoidali
Un robot collaborativo (cobot) deve essere in grado di rispondere in modo sicuro quando un essere umano esercita una spinta contro di esso: l'articolazione deve essere reversibile (il carico deve poter azionare il motore all'indietro) in modo che il sensore di forza-coppia dell'articolazione possa rilevare il contatto e il sistema di sicurezza possa limitare la forza applicata. L'attrito nel riduttore dell'articolazione determina se la reversibilità è realizzabile.
UN ingranaggio elicoidale Lo stadio planetario con rapporto da 5:1 a 20:1 ha un'efficienza di ingranamento del 97-99%, corrispondente a un angolo di attrito di circa 1-3°. Questo valore è inferiore all'angolo di attrito di autobloccaggio: il giunto ruota in senso inverso sotto una forza pari a 1,05-1,10 volte la forza di azionamento in avanti. Un comportamento di sicurezza conforme è ottenibile con il rilevamento integrato di forza e coppia.
I riduttori a onde di deformazione (azionamenti armonici) con rapporto di riduzione da 50:1 a 160:1 non sono in genere retroazionabili: l'elevato rapporto di riduzione e l'attrito del generatore di onde impediscono all'uscita di azionare l'ingresso. I progetti di cobot che utilizzano azionamenti a onde di deformazione richiedono un controllo attivo della conformità (controllo dell'impedenza con sensori di coppia) piuttosto che una conformità meccanica passiva.
Korea Ever-Power — Fornitura di ingranaggi elicoidali di precisione per servomotori e robot
Rettifica di precisione HÖFLER ingranaggio elicoidale Per applicazioni di automazione di giunti robotici e servoassistiti: classe DIN 4–5, Ra ≤ 0,3 µm, spessore del dente conforme alla classe g–h della norma DIN 3967 per il minimo gioco, con certificazione dell'analizzatore di ingranaggi sia per la classe di precisione che per la deviazione dello spessore del dente.
Korea Ever-Power produce precisione ingranaggi a taglio elicoidale per applicazioni servo e robotiche in M0.5–M8, classe DIN 4–6, classe di spessore del dente g–h (gioco ridotto), in acciaio 20CrMnTi cementato HRC 58–62 per la massima capacità di carico in dimensioni compatte. Per i progetti di ingranaggi a forbice (a molla divisa), Korea Ever-Power produce coppie abbinate con spessore del dente confermato entro ±1 µm dal valore nominale, garantendo un precarico uguale su entrambe le metà dell'ingranaggio. Come diretto produttore di ingranaggi elicoidali, Korea Ever-Power fornisce il calcolo dell'inerzia riflessa (J_gear = 0,5 × m × r²) per ogni ordine di ingranaggi di precisione, fornendo al progettista del sistema servo le informazioni necessarie per l'adattamento dell'inerzia prima della progettazione del riduttore. Sfoglia il gamma di prodotti per ingranaggi elicoidali.
Domande frequenti
La ripetibilità è la capacità di un robot di tornare a una posizione precedentemente visitata dalla stessa direzione di avvicinamento; non è influenzata dal gioco meccanico se la direzione di avvicinamento è sempre la stessa. La precisione è la capacità di raggiungere una coordinata cartesiana assoluta senza calibrazione preliminare; è direttamente influenzata dal gioco meccanico perché la posizione assoluta dipende dal fatto che l'articolazione sia arrivata in senso orario o antiorario. La maggior parte dei robot industriali specifica la ripetibilità (±0,01–0,05 mm) ma non la precisione assoluta, motivo per cui utilizzano la compensazione del gioco meccanico nei loro sistemi di controllo anziché specificare un gioco meccanico nullo. ingranaggi elicoidaliI cobot utilizzati per attività di assemblaggio a controllo di forza, dove la precisione assoluta è fondamentale, richiedono ingranaggi con gioco ridotto e calibrazione cinematica completa.
In genere no: oltre al gioco, le giunzioni dei robot richiedono una bassa inerzia riflessa (i riduttori standard hanno corpi ingranaggi relativamente pesanti), una lunghezza assiale compatta (i riduttori standard hanno dimensioni dell'alloggiamento fisse che potrebbero non essere adatte all'inviluppo della giunzione) e rigidità torsionale (i riduttori standard possono avere torsione sotto rapida accelerazione che limita la larghezza di banda del servo). Un riduttore epicicloidale di precisione ingranaggio elicoidale La piattaforma progettata specificamente per applicazioni servoassistite, con albero di uscita cavo per il passaggio dei cavi, alloggiamento in alluminio leggero e flangia di uscita precisa, è il prodotto ideale. Ever-Power, azienda coreana, produce i componenti degli ingranaggi epicicloidali (ingranaggi solari e planetari) per queste piattaforme servoassistite compatte; l'alloggiamento e l'assemblaggio sono in genere progettati dal produttore del robot.
Le ruote AGV per robot di logistica indoor utilizzano in genere M2–M4 ingranaggi elicoidali in riduttori a singolo o doppio stadio, riducendo la velocità del motore (3000–6000 giri/min) alla velocità della ruota (100–400 giri/min). La geometria compatta del mozzo ruota limita il diametro esterno dell'ingranaggio a 30–80 mm, che in M2–M4 fornisce un numero di denti di 15–40 denti, adeguato per i rapporti richiesti. Materiale: 20CrMnTi cementato per una maggiore durata in servizio nel funzionamento giornaliero 24 ore su 24 tipico degli AGV logistici. Classe di precisione: DIN Classe 6–7 (l'ambiente di alloggiamento sigillato IP67 e le velocità moderate degli AGV non richiedono la precisione DIN 5).
Per giunti servoassistiti e robotici ingranaggi elicoidaliL'angolo di elica β = 20–25° è standard, lo stesso intervallo utilizzato per gli ingranaggi industriali di precisione. Un angolo di elica maggiore riduce l'errore di trasmissione (minore rumorosità) ma aumenta la spinta assiale sull'albero del servomotore, che non sempre è supportata dal cuscinetto dell'albero del motore per carichi assiali. Nelle applicazioni servo, il cuscinetto a contatto angolare preinstallato sull'albero di uscita del servomotore assorbe una modesta spinta assiale; oltre β = 25°, il carico assiale può superare la capacità di carico assiale del cuscinetto dell'albero motore, richiedendo un cuscinetto reggispinta esterno sull'albero di ingresso del riduttore. Korea Ever-Power verifica la spinta assiale prevista (F_a = F_t × tan β) rispetto alla capacità di carico assiale del cuscinetto dell'albero motore per ogni ordine di servomotori.
Richiesta di informazioni su servomotori di precisione e ingranaggi elicoidali per robot
Fornisci i requisiti di gioco, il rapporto di trasmissione, la coppia di uscita e qualsiasi vincolo di inerzia. Ever-Power Korea conferma il modulo, il numero di denti, la classe DIN e la classe di spessore del dente, con il calcolo dell'inerzia riflessa e il certificato di gioco inclusi di serie in ogni ordine di servomotori.
M0.5–M8 · DIN Classe 4–6 · Gioco di classe g–h · Calcolo dell'inerzia · Coppie di ingranaggi a forbice · Quantità minima d'ordine 1 pezzo
Redattore: Cxm
