Arquitetura de acionamento conjunto de robôs — onde engrenagens helicoidais são utilizadas.
Os robôs industriais utilizam dois tipos de engrenagens em seus redutores de juntas: acionamentos por onda de tensão (harmônicos) para juntas compactas de ombro e cotovelo com alta relação de transmissão, e estágios compactos de engrenagens planetárias helicoidais para juntas de pulso e o eixo rotativo de robôs SCARA, onde os requisitos de densidade de torque e capacidade de reversão favorecem as engrenagens helicoidais em relação aos projetos de onda de tensão. Robôs colaborativos (cobots) tendem a usar exclusivamente estágios planetários helicoidais — a maior capacidade de reversão (menor atrito) das engrenagens helicoidais com dentes metálicos em comparação com os acionamentos por onda de tensão é importante para a conformidade com os requisitos de segurança de detecção de força. Os acionamentos de rodas de AGVs (Veículos Guiados Automaticamente) utilizam estágios simples ou duplos. engrenagem helicoidal Redutores entre o motor do cubo e a roda.
Requisitos de folga para engrenagens helicoidais de robôs e servomotores
Em juntas de robôs e eixos de posicionamento servoacionados, a folga se manifesta diretamente como erro de posicionamento. A relação é a seguinte:
Erro angular na saída = folga j_t / (d_pinion × tan(1/i))
Erro linear na ferramenta = erro_angular × comprimento_do_braço_da_ferramenta
Para uma junta de pulso de robô de precisão com um pinhão de diâmetro primitivo de 50 mm, folga de 1 mm (j_t = 1 mm no círculo primitivo) e relação de engrenagem i = 20:1, o erro angular do eixo de saída é de aproximadamente 0,5° — correspondendo a um erro posicional de 4 mm com um alcance da ferramenta de 500 mm. Isso torna imediatamente clara a necessidade de folga para juntas de robôs: uma folga inferior a um minuto de arco na saída da junta é necessária para repetibilidade em nível milimétrico no efetor final.
| Aplicativo | Folga de saída necessária | j_t equivalente na entrada (÷ relação de transmissão) | Classe DIN 3967 |
|---|---|---|---|
| Eixo de máquina-ferramenta CNC (alta precisão) | < 5 segundos de arco ≈ 0,0014° | 0,002–0,010 mm | Classe h |
| Junta de robô industrial (padrão) | < 1–3 minutos de arco ≈ 0,02–0,05° | 0,01–0,03 mm | Classe g–h |
| Junta de robô colaborativo (cobot) | < 5–15 minutos de arco | 0,02–0,05 mm | Classe g |
| AGV com tração nas rodas | < 0,1–0,5 mm linear | 0,03–0,10 mm | Classe f–g |
| Eixo servo para embalagem/etiquetagem | < 0,05–0,2 mm linear | 0,02–0,06 mm | Classe g |
Soluções sem folga para engrenagens helicoidais servo
Método 1 — Tolerância rigorosa da espessura do dente (DIN 3967 Classe h)
Especifique o engrenagem helicoidal e pinhão de acoplamento conforme a norma DIN 3967 classe h (apertado). Nos tamanhos M2 a M4, a classe h proporciona uma folga nominal de 0 a 0,06 mm. Combinada com uma distância entre centros da carcaça fabricada com precisão e mantida em ±0,01 mm, a folga do conjunto é tipicamente de 0,005 a 0,020 mm — suficiente para eixos de posicionamento da classe g. Esta é a solução de menor custo, sem complexidade mecânica adicional. A desvantagem: com o desgaste das engrenagens, a folga aumenta e não pode ser reajustada sem a substituição das peças.
Método 2 — Engrenagem bipartida com mola (engrenagem tipo tesoura)
Uma engrenagem de tesoura consiste em duas peças idênticas. engrenagem helicoidal Engrenagens montadas coaxialmente com uma mola de torção entre elas, pré-torcidas para pressionar as duas metades contra os flancos opostos do pinhão simultaneamente — uma metade entra em contato com o flanco direito e a outra com o flanco esquerdo. A pré-carga da mola elimina a folga, mantendo o contato constante entre os dentes em ambos os lados do pinhão. Conforme o desgaste ocorre, a mola compensa automaticamente, mantendo a folga próxima de zero durante toda a vida útil da engrenagem. A desvantagem: o torque de pré-carga (tipicamente 5–15% do torque nominal) aumenta as perdas por atrito na transmissão e reduz a eficiência máxima da mesma.
Método 3 — Pré-carga Anti-folga com Motor Duplo
Dois servomotores idênticos, cada um acionando um pinhão que se engata com o mesmo. engrenagem helicoidal As engrenagens (ou cremalheiras) são operadas com um torque diferencial controlado — um motor empurra no sentido horário enquanto o outro resiste no sentido anti-horário, mantendo os flancos de ambos os pinhões em contato com a engrenagem simultaneamente. Isso elimina a folga sem qualquer carga mecânica por mola e sem a inércia rotacional de um mecanismo de engrenagem dividida. O servocontrole aplica um torque diferencial de baixo nível que se cancela na saída (ambos os motores contribuem com torque na direção desejada, mas seus torques diferenciais se cancelam). Esta é a solução preferida para eixos CNC de alta precisão e velocidade acima de 30 m/min e para máquinas pórtico que exigem sincronização exata entre dois eixos.
Inércia refletida — Por que a relação de transmissão afeta a resposta do servo
Quando um servomotor aciona uma carga através de um engrenagem helicoidal Em um redutor de relação i, o motor percebe não apenas a inércia da carga J_carga, mas também a inércia refletida J_refletida = J_carga / i². Para um redutor de 10:1, a inércia da carga contribui com apenas 1% para a inércia efetiva do motor — a própria engrenagem e o rotor do motor predominam. Este é o problema de correspondência de inércia do servomotor:
J_total (no motor) = J_motor + J_pinhão + J_carga / i²
Para obter a largura de banda máxima do servo, a relação entre J_total e J_motor deve ser minimizada. Relações de engrenagem elevadas reduzem J_refletido/J_motor, mas as próprias engrenagens possuem inércia. A relação de engrenagem ideal para largura de banda máxima ocorre quando J_refletido (da carga) ≈ J_motor — resultando em i_opt = √(J_carga / J_motor). Para uma junta robótica com J_carga = 0,05 kg·m² e J_motor = 0,0005 kg·m²: i_opt = √(0,05/0,0005) = √100 = 10:1. Minimizar engrenagem helicoidal A inércia do corpo (obtida através do uso de engrenagens ocas em aplicações de juntas robóticas) é, portanto, tão importante quanto minimizar a folga para a otimização do circuito servo.
Capacidade de reversão em robôs colaborativos — Por que as engrenagens helicoidais são preferidas
Um robô colaborativo (cobot) deve obedecer com segurança quando um humano o empurra — a junta deve ser reversível (a carga deve poder acionar o motor para trás) para que o sensor de força-torque da junta possa detectar o contato e o sistema de segurança possa limitar a força aplicada. O atrito no redutor da junta determina se a reversibilidade é possível.
UM engrenagem helicoidal O estágio planetário com relação de 5:1 a 20:1 apresenta uma eficiência de engrenamento de 97–99%, correspondendo a um ângulo de atrito de aproximadamente 1–3°. Este valor é inferior ao ângulo de atrito de autotravamento — a junta realiza o movimento reverso sob uma força de 1,05–1,10 vezes a força de acionamento direto. Um comportamento de segurança adequado é alcançável com sensores integrados de força e torque.
Redutores de onda de deformação (acionamento harmônico) com relações de 50:1 a 160:1 normalmente não são reversíveis — a alta relação de redução e o atrito do gerador de ondas impedem que a saída acione a entrada. Projetos de robôs colaborativos que utilizam acionamentos por onda de deformação requerem controle de conformidade ativo (controle de impedância com sensores de torque) em vez de conformidade mecânica passiva.
Korea Ever-Power — Fornecimento de Servo de Precisão e Engrenagens Helicoidais para Robôs
Retificado com precisão pela HÖFLER engrenagem helicoidal Para aplicações de automação em juntas robóticas e servoacionamentos — Classe DIN 4–5, Ra ≤ 0,3 µm, espessura do dente conforme DIN 3967 classe g–h para folga mínima, com certificação do analisador de engrenagens tanto para a classe de precisão quanto para o desvio de espessura do dente.
A Korea Ever-Power produz precisão engrenagens helicoidais Para aplicações em servo e robôs, em M0,5–M8, classe DIN 4–6, classe de espessura de dente g–h (folga mínima), em 20CrMnTi cementado HRC 58–62 para máxima capacidade de carga em tamanho compacto. Para engrenagens tipo tesoura (divisão por mola), a Korea Ever-Power produz pares combinados com espessura de dente confirmada dentro de ±1 µm do valor nominal — garantindo pré-carga igual em ambas as metades da engrenagem. Como um produto direto fabricante de engrenagens helicoidaisA Korea Ever-Power fornece o cálculo da inércia refletida (J_gear = 0,5 × m × r²) para cada pedido de engrenagem de precisão, oferecendo ao projetista do sistema servo as informações necessárias para o ajuste de inércia antes mesmo do projeto da caixa de engrenagens. Navegue pelo catálogo. gama de produtos de engrenagens helicoidais.
Perguntas frequentes
Repetibilidade é a capacidade de um robô retornar a uma posição previamente visitada a partir da mesma direção de aproximação — ela não é afetada pela folga se a direção de aproximação for sempre a mesma. Precisão é a capacidade de atingir uma coordenada cartesiana absoluta sem calibração prévia — ela é diretamente afetada pela folga, pois a posição absoluta depende se a junta chegou no sentido horário ou anti-horário. A maioria dos robôs industriais especifica repetibilidade (±0,01–0,05 mm), mas não precisão absoluta, razão pela qual utilizam compensação de folga em seus sistemas de controle em vez de especificar folga zero. engrenagens helicoidaisOs robôs colaborativos usados em tarefas de montagem com controle de força, onde a precisão absoluta é fundamental, exigem engrenagens com folga mínima e calibração cinemática completa.
Normalmente não — além da folga, as juntas de robôs exigem baixa inércia refletida (as caixas de engrenagens padrão têm corpos de engrenagem relativamente pesados), comprimento axial compacto (as caixas de engrenagens padrão têm dimensões de carcaça fixas que podem não ser adequadas ao espaço da junta) e rigidez torsional (as caixas de engrenagens padrão podem sofrer torção sob aceleração rápida, o que limita a largura de banda do servo). Um sistema planetário de precisão engrenagem helicoidal O estágio servo projetado especificamente para aplicações servo — com eixo de saída oco para roteamento de cabos, carcaça leve de alumínio e flange de saída precisa — é o produto adequado. A Korea Ever-Power produz os componentes de engrenagem planetária (engrenagens solares e planetárias) para esses estágios servo compactos; a carcaça e a montagem são geralmente projetadas pelo fabricante do robô.
Os acionamentos de rodas para AGVs (Veículos Guiados Automaticamente) para robôs de logística interna normalmente utilizam M2–M4. engrenagens helicoidais Em caixas de engrenagens de estágio simples ou duplo, reduzindo a velocidade do motor (3000–6000 RPM) para a velocidade da roda (100–400 RPM). A geometria compacta do cubo da roda limita o diâmetro da engrenagem a 30–80 mm de diâmetro externo, o que, em M2–M4, resulta em uma quantidade de dentes de 15–40 — adequada para as relações de transmissão necessárias. Material: 20CrMnTi cementado para maior vida útil em operação diária de 24 horas, típica de AGVs de logística. Classe de precisão: DIN Classe 6–7 (o ambiente selado IP67 da carcaça e as velocidades moderadas do AGV não exigem precisão DIN 5).
Para servo e junta de robô engrenagens helicoidaisO ângulo de hélice β = 20–25° é padrão — a mesma faixa das engrenagens industriais de precisão. Um ângulo de hélice maior reduz o erro de transmissão (menor ruído), mas aumenta o empuxo axial no eixo do servomotor, que nem sempre é suportado pelo rolamento do eixo do motor para cargas axiais. Para aplicações servo, o rolamento de contato angular pré-instalado no eixo de saída do servomotor absorve um empuxo axial moderado; acima de β = 25°, a carga axial pode exceder a capacidade axial do rolamento do eixo do motor, exigindo um rolamento de encosto externo no eixo de entrada da caixa de engrenagens. A Korea Ever-Power confirma o empuxo axial esperado (F_a = F_t × tan β) em relação à capacidade axial do rolamento do eixo do motor para cada pedido de engrenagem servo.
Consulta sobre Servo de Precisão e Engrenagens Helicoidais para Robôs
Forneça a folga necessária, a relação de transmissão, o torque de saída e quaisquer restrições de inércia. A Korea Ever-Power confirma o módulo, o número de dentes, a classe DIN e a classe de espessura dos dentes — com cálculo da inércia refletida e certificado de folga incluídos como padrão em todos os pedidos de engrenagens para servomotores.
M0,5–M8 · Classe DIN 4–6 · Folga classe g–h · Cálculo de inércia · Pares de engrenagens tipo tesoura · Quantidade mínima de encomenda: 1 peça
Editor: Cxm
