Robotgewrichtaandrijvingsarchitectuur — Waar spiraalvormige tandwielen worden gebruikt
Industriële robots gebruiken twee soorten tandwielen in hun gewrichtsreductoren: harmonische aandrijvingen (strain wave) voor compacte schouder- en ellebooggewrichten met een hoge overbrengingsverhouding, en compacte planetaire tandwieloverbrengingen met spiraalvormige tandwielen voor polsgewrichten en de rotatieas van SCARA-robots, waar de koppelingsdichtheid en de terugdraaibaarheid de voorkeur geven aan spiraalvormige tandwielen boven strain wave-ontwerpen. Collaboratieve robots (cobots) gebruiken doorgaans uitsluitend planetaire tandwieloverbrengingen met spiraalvormige tandwielen – de hogere terugdraaibaarheid (lagere wrijving) van spiraalvormige tandwielen met metalen tanden in vergelijking met strain wave-aandrijvingen is belangrijk voor de naleving van de veiligheidsvoorschriften voor krachtdetectie. De wielaandrijvingen van AGV's (Automated Guided Vehicles) gebruiken enkel- of tweetrapsaandrijvingen. spiraalvormig tandwiel reductiekasten tussen de naafmotor en het wiel.
Spelingvereisten voor spiraalvormige tandwielen in robots en servo's
Bij robotgewrichten en servogestuurde positioneringsassen manifesteert speling zich direct als positioneringsfout. De relatie is als volgt:
Hoekfout bij uitgang = speling j_t / (d_pinion × tan(1/i))
Lineaire fout bij het gereedschap = hoekfout × lengte van de gereedschapsarm
Voor een precisie-robotpolsgewricht met een rondsel met een steekdiameter van 50 mm, een speling van 1 mm (j_t = 1 mm op de steekcirkel) en een overbrengingsverhouding i = 20:1, bedraagt de hoekfout van de uitgaande as ongeveer 0,5° — wat overeenkomt met een positioneringsfout van 4 mm bij een gereedschapsbereik van 500 mm. Dit maakt de vereiste speling voor robotgewrichten direct duidelijk: een speling van minder dan een boogminuut aan de gewrichtsuitgang is nodig voor herhaalbaarheid op millimeterniveau aan de eindeffector.
| Sollicitatie | Vereiste uitgangsspeling | Equivalent j_t bij ingang (÷ overbrengingsverhouding) | DIN 3967 Klasse |
|---|---|---|---|
| CNC-machine-as (hoge precisie) | < 5 boogseconden ≈ 0,0014° | 0,002–0,010 mm | Klasse h |
| Industriële robotverbinding (standaard) | < 1–3 boogminuten ≈ 0,02–0,05° | 0,01–0,03 mm | Klasse g–h |
| gewricht van een collaboratieve robot (cobot) | < 5–15 boogminuten | 0,02–0,05 mm | Klasse g |
| AGV-wielaandrijving | < 0,1–0,5 mm lineair | 0,03–0,10 mm | Klasse f–g |
| Servo-verpakkings-/etiketteeras | < 0,05–0,2 mm lineair | 0,02–0,06 mm | Klasse g |
Oplossingen zonder speling voor servo-spiraalvertandingen
Methode 1 — Strikte tolerantie voor tanddikte (DIN 3967 Klasse h)
Specificeer de spiraalvormig tandwiel en het bijbehorende rondsel volgens DIN 3967 klasse h (strak). Bij M2–M4 geeft klasse h een nominale speling van 0–0,06 mm. In combinatie met een nauwkeurig vervaardigde hartafstand van de behuizing van ±0,01 mm, bedraagt de speling van de complete assemblage doorgaans 0,005–0,020 mm – voldoende voor positioneringsassen van klasse g. Dit is de voordeligste oplossing zonder extra mechanische complexiteit. Het nadeel: naarmate de tandwielen slijten, neemt de speling toe en kan deze niet worden bijgesteld zonder vervanging.
Methode 2 — Veerbelaste schaaroverbrenging
Een schaarmechanisme bestaat uit twee identieke tanden. spiraalvormig tandwiel De wielen zijn coaxiaal gemonteerd met een torsieveer ertussen, die voorgespannen is om de twee helften tegelijkertijd tegen de tegenoverliggende flanken van het bijbehorende rondsel te drukken – de ene helft raakt de rechterflank, de andere de linkerflank. De voorspanning van de veer elimineert speling door constant tandcontact aan beide zijden van het rondsel te behouden. Naarmate slijtage optreedt, compenseert de veer automatisch, waardoor de speling gedurende de gehele levensduur van de tandwielen vrijwel nul blijft. Het nadeel: het voorspanningskoppel (doorgaans 5–15% van het nominale koppel) verhoogt de wrijvingsverliezen van de aandrijving en vermindert het maximale rendement.
Methode 3 — Dubbele motor anti-speling voorspanning
Twee identieke servomotoren, die elk een tandwiel aandrijven dat in contact staat met hetzelfde tandwiel. spiraalvormig tandwiel De tandwielen (of tandheugels) worden aangedreven met een gecontroleerde koppelverdeling: de ene motor duwt met de klok mee, terwijl de andere tegen de klok in weerstand biedt, waardoor de flanken van beide tandwielen tegelijkertijd contact houden met het tandwiel. Dit elimineert speling zonder mechanische veerbelasting en zonder de rotatietraagheid van een gesplitst tandwielmechanisme. De servobesturing past een laag differentieel koppel toe dat elkaar opheft aan de uitgang (beide motoren leveren koppel in de gewenste richting, maar hun koppelverdeling heft elkaar op). Dit is de voorkeursoplossing voor snelle, nauwkeurige CNC-assen boven de 30 m/min en voor portaalmachines die een exacte synchronisatie tussen twee assen vereisen.
Weerkaatste traagheid — Waarom de overbrengingsverhouding de servoreactie beïnvloedt
Wanneer een servomotor een last aandrijft via een spiraalvormig tandwiel Bij een reductiekast met een overbrengingsverhouding van i ziet de motor niet alleen de belastingsinertie J_load, maar ook de gereflecteerde inertie J_reflected = J_load / i². Bij een reductiekast met een overbrengingsverhouding van 10:1 draagt de belastingsinertie slechts 1% bij aan de effectieve inertie van de motor — de tandwielkast zelf en de motorrotor zijn dominant. Dit is het probleem van inertie-afstemming in servosystemen:
J_totaal (bij de motor) = J_motor + J_tandwiel + J_belasting / i²
Voor een maximale servobandbreedte moet de verhouding tussen J_totaal en J_motor worden geminimaliseerd. Hoge overbrengingsverhoudingen verlagen J_gereflecteerd/J_motor, maar de tandwielen zelf hebben inertie. De optimale overbrengingsverhouding voor maximale bandbreedte treedt op wanneer J_gereflecteerd (van de belasting) ≈ J_motor — wat i_opt = √(J_belasting / J_motor) oplevert. Voor een robotgewricht met J_belasting = 0,05 kg·m² en J_motor = 0,0005 kg·m²: i_opt = √(0,05/0,0005) = √100 = 10:1. Minimaliseren spiraalvormig tandwiel Lichaamsinertie (door gebruik te maken van holle tandwielkasten voor robotgewrichten) is daarom net zo belangrijk als het minimaliseren van speling voor de optimalisatie van de servolus.
Achterwaartse aandrijving in collaboratieve robots — Waarom spiraalvormige tandwielen de voorkeur genieten
Een collaboratieve robot (cobot) moet veilig reageren wanneer een mens ertegenaan duwt — het gewricht moet omkeerbaar zijn (de belasting moet de motor achteruit kunnen laten draaien) zodat de kracht-koppelsensor in het gewricht contact kan detecteren en het veiligheidssysteem de uitgeoefende kracht kan beperken. De wrijving in de gewrichtsreductor bepaalt of omkeerbare aandrijving mogelijk is:
A spiraalvormig tandwiel Een planetaire vertanding met een verhouding van 5:1 tot 20:1 heeft een vertandingsrendement van 97–99%, wat overeenkomt met een wrijvingshoek van ongeveer 1–3°. Dit ligt onder de zelfvergrendelende wrijvingshoek – het gewricht draait achteruit bij een kracht van 1,05–1,10 keer de voorwaartse aandrijfkracht. Dankzij de geïntegreerde kracht-koppelmeting is een soepel en veilig gedrag te bereiken.
Reductoren met een rekgolfaandrijving (harmonische aandrijving) met een overbrengingsverhouding van 50:1 tot 160:1 zijn doorgaans niet terug te sturen – de hoge overbrengingsverhouding en de wrijving in de golfgenerator voorkomen dat de uitgang de ingang aandrijft. Cobot-ontwerpen die gebruikmaken van rekgolfaandrijvingen vereisen actieve compliantiecontrole (impedantiecontrole met koppelsensoren) in plaats van passieve mechanische compliantie.
Korea Ever-Power — Leverancier van precisieservo's en spiraalvormige tandwielen voor robots
Nauwkeurig HÖFLER-geslepen spiraalvormig tandwiel Voor robotgewrichten en servoautomatiseringstoepassingen — DIN-klasse 4–5, Ra ≤ 0,3 µm, tanddikte volgens DIN 3967 klasse g–h voor minimale speling, met tandwielanalysatorcertificering van zowel nauwkeurigheidsklasse als tanddikteafwijking.
Korea Ever-Power produceert precisieapparatuur spiraalvormig gesneden tandwielen Voor servo- en robottoepassingen in M0.5–M8, DIN-klasse 4–6, tanddikteklasse g–h (kleine speling), in gecarburiseerd 20CrMnTi met een hardheid van HRC 58–62 voor maximale belastbaarheid in een compact formaat. Voor schaartandwielen (met gesplitste veren) produceert Korea Ever-Power bijpassende paren met een gegarandeerde tanddikte binnen ±1 µm van de nominale waarde, waardoor een gelijke voorspanning op beide tandwielhelften wordt gegarandeerd. Als directe fabrikant van spiraalvormige tandwielenKorea Ever-Power levert de berekening van de gereflecteerde inertie (J_gear = 0,5 × m × r²) voor elke precisietandwielordening. Dit geeft de servosysteemontwerper de informatie die nodig is voor inertie-afstemming voordat de versnellingsbak wordt ontworpen. Bekijk de assortiment spiraalvormige tandwielen.
Veelgestelde vragen
Herhaalbaarheid is het vermogen van een robot om terug te keren naar een eerder bezochte positie vanuit dezelfde aanlooprichting. Deze wordt niet beïnvloed door speling als de aanlooprichting altijd hetzelfde is. Nauwkeurigheid is het vermogen om een absolute Cartesiaanse coördinaat te bereiken zonder voorafgaande kalibratie. Deze wordt direct beïnvloed door speling, omdat de absolute positie afhangt van of het gewricht met de klok mee of tegen de klok in is gekomen. De meeste industriële robots specificeren herhaalbaarheid (±0,01–0,05 mm), maar geen absolute nauwkeurigheid. Daarom gebruiken ze spelingcompensatie in hun besturingssystemen in plaats van een spelingvrije specificatie. spiraalvormige tandwielenCobots die worden gebruikt voor krachtgestuurde assemblagetaken waarbij absolute nauwkeurigheid van belang is, vereisen tandwielen met een zeer kleine speling en een volledige kinematische kalibratie.
Niet typisch — afgezien van speling vereisen robotgewrichten een lage gereflecteerde inertie (standaard tandwielkasten hebben relatief zware tandwielhuizen), een compacte axiale lengte (standaard tandwielkasten hebben vaste behuizingsafmetingen die mogelijk niet geschikt zijn voor de afmetingen van het gewricht) en een hoge torsiestijfheid (standaard tandwielkasten kunnen bij snelle acceleratie last krijgen van winding, wat de bandbreedte van de servo beperkt). Een precisie planetaire tandwielkast spiraalvormig tandwiel Een speciaal voor servo-toepassingen ontworpen platform — met een holle uitgaande as voor kabelgeleiding, een lichtgewicht aluminium behuizing en een nauwkeurige uitgangsflens — is het juiste product. Korea Ever-Power produceert de planetaire tandwielcomponenten (zonne- en planeetwielen) voor deze compacte servoplatformen; de behuizing en assemblage worden doorgaans door de robotfabrikant ontworpen.
De wielaandrijvingen voor AGV-robots voor indoorlogistiek maken doorgaans gebruik van M2-M4. spiraalvormige tandwielen In enkel- of tweetraps tandwielkasten wordt de motorsnelheid (3000-6000 tpm) gereduceerd tot de wielsnelheid (100-400 tpm). De compacte wielnaafgeometrie beperkt de tandwieldiameter tot 30-80 mm buitendiameter, wat bij M2-M4 resulteert in 15-40 tanden – voldoende voor de vereiste overbrengingsverhoudingen. Materiaal: 20CrMnTi gecarburiseerd voor een langere levensduur bij de 24-uursbedrijfsvoering die kenmerkend is voor AGV's in de logistiek. Nauwkeurigheidsklasse: DIN-klasse 6-7 (de IP67-behuizing en de gematigde AGV-snelheden vereisen geen DIN 5-precisie).
Voor servo- en robotgewrichten spiraalvormige tandwielenEen helixhoek β van 20–25° is standaard — hetzelfde bereik als precisie-industriële tandwielen. Een grotere helixhoek vermindert de transmissiefout (minder ruis), maar verhoogt de axiale stuwkracht op de servomotoras, die niet altijd door het aslager van de motor wordt opgevangen. Bij servo-toepassingen absorbeert het hoekcontactlager dat in de uitgaande as van de servomotor is ingebouwd een bescheiden axiale stuwkracht; bij een helixhoek groter dan 25° kan de axiale belasting de axiale draagkracht van het aslager van de motor overschrijden, waardoor een extern druklager op de ingaande as van de versnellingsbak nodig is. Korea Ever-Power bevestigt de verwachte axiale stuwkracht (F_a = F_t × tan β) ten opzichte van de axiale draagkracht van het aslager van de motor voor elke servo-tandwielbestelling.
Aanvraag voor precisieservo's en spiraalvormige tandwielen voor robots
Geef uw spelingvereisten, overbrengingsverhouding, uitgangskoppel en eventuele inertiebeperkingen op. Korea Ever-Power bevestigt de module, het aantal tanden, de DIN-klasse en de tanddikteklasse, inclusief een berekening van de gereflecteerde inertie en een spelingcertificaat, standaard inbegrepen bij elke bestelling van servotandwielen.
M0.5–M8 · DIN-klasse 4–6 · Spelingklasse g–h · Traagheidsberekening · Schaartandwielparen · Minimale bestelhoeveelheid: 1 stuk
Redacteur: Cxm
