Архитектура привода шарнирного соединения робота — где используются косозубые шестерни
В промышленных роботах в редукторах шарниров используются два типа зубчатых передач: волновые (гармонические) приводы для компактных плечевых и локтевых суставов с высоким передаточным отношением, и компактные планетарные редукторы с косозубыми шестернями для запястных суставов и оси вращения роботов SCARA, где требования к плотности крутящего момента и обратному вращению отдают предпочтение косозубым передачам перед волновыми. Коллаборативные роботы (коботы) обычно используют исключительно планетарные редукторы с косозубыми шестернями — более высокое обратное вращение (меньшее трение) металлических зубчатых передач по сравнению с волновыми приводами важно для обеспечения безопасности при работе с датчиками силы. В приводах колес автоматизированных транспортных средств (AGV) используются одно- или двухступенчатые редукторы. косозубая передача редукторы между мотор-колесом и колесом.
Требования к люфту для косозубых передач роботов и сервоприводов
В шарнирах роботов и осях позиционирования с сервоприводом люфт проявляется непосредственно как ошибка позиционирования. Взаимосвязь:
Угловая погрешность на выходе = люфт j_t / (d_pinion × tan(1/i))
Линейная погрешность инструмента = угловая_погрешность × длина_руки_инструмента
Для прецизионного шарнира запястья робота с шестерней диаметром делительной окружности 50 мм, люфтом 1 мм (j_t = 1 мм на делительной окружности) и передаточным отношением i = 20:1 угловая погрешность выходного вала составляет приблизительно 0,5°, что соответствует погрешности позиционирования в 4 мм при вылете инструмента 500 мм. Это сразу же делает очевидным требование к люфту в шарнирах роботов: для обеспечения повторяемости на уровне миллиметров на концевом эффекторе необходим люфт на выходе шарнира менее одной угловой минуты.
| Приложение | Требуемый люфт на выходе | Эквивалентное значение j_t на входе (÷ передаточное число) | Класс DIN 3967 |
|---|---|---|---|
| Ось станка с ЧПУ (высокая точность) | < 5 угловых секунд ≈ 0,0014° | 0,002–0,010 мм | Класс h |
| Шарнирное соединение промышленного робота (стандартное) | < 1–3 угловых минут ≈ 0,02–0,05° | 0,01–0,03 мм | Класс g–h |
| Шарнир коллаборативного робота (кобота). | < 5–15 угловых минут | 0,02–0,05 мм | Класс g |
| привод колес AGV | < 0,1–0,5 мм линейная | 0,03–0,10 мм | Класс f–g |
| Сервоприводная ось упаковки/маркировки | < 0,05–0,2 мм линейная | 0,02–0,06 мм | Класс g |
Решения для обеспечения нулевого люфта в сервоприводных косозубых передачах
Метод 1 — Жесткий допуск по толщине зуба (класс DIN 3967 h)
Укажите косозубая передача и сопрягаемой шестерни по стандарту DIN 3967 класса h (плотная). При M2–M4 класс h обеспечивает номинальный люфт 0–0,06 мм. В сочетании с точно изготовленным межосевым расстоянием корпуса, поддерживаемым с точностью до ±0,01 мм, люфт в сборе обычно составляет 0,005–0,020 мм — этого достаточно для осей позиционирования класса g. Это самое экономичное решение без дополнительной механической сложности. Недостаток: по мере износа шестерен люфт увеличивается и не может быть отрегулирован без замены.
Метод 2 — Подпружиненная разрезная шестерня (ножничная шестерня)
Ножничный механизм состоит из двух одинаковых косозубая передача Колеса установлены соосно, между ними находится торсионная пружина, предварительно скрученная таким образом, чтобы одновременно прижимать две половины к противоположным боковым поверхностям сопряженной шестерни — одна половина контактирует с правой боковой поверхностью, другая — с левой. Предварительная нагрузка пружины устраняет люфт, поддерживая постоянный контакт зубьев с обеих сторон шестерни. По мере износа пружина автоматически компенсирует его, поддерживая практически нулевой люфт на протяжении всего срока службы шестерни. Недостаток: момент предварительной нагрузки (обычно 5–151 ТН3Т номинального крутящего момента) увеличивает потери на трение в приводе и снижает максимальную эффективность привода.
Метод 3 — Предварительная нагрузка с предотвращением люфта для двух двигателей
Два одинаковых сервомотора, каждый из которых приводит в движение шестерню, зацепляющуюся с одной и той же шестерней. косозубая передача Сервоприводы (или зубчатые рейки) работают с контролируемым распределением крутящего момента — один двигатель вращает по часовой стрелке, а другой сопротивляется против часовой стрелки, обеспечивая одновременный контакт боковых поверхностей обоих шестерен с колесом. Это исключает люфт без механической пружинной нагрузки и без инерции вращения, характерной для разъемных зубчатых механизмов. Сервопривод создает дифференциальный крутящий момент низкого уровня, который компенсируется на выходе (оба двигателя создают крутящий момент в нужном направлении, но их смещающий крутящий момент компенсируется). Это предпочтительное решение для высокоскоростных прецизионных осей ЧПУ со скоростью более 30 м/мин и для портальных станков, требующих точной синхронизации между двумя осями.
Отражённая инерция — почему передаточное число влияет на отклик сервопривода
Когда серводвигатель приводит в движение нагрузку через косозубая передача При передаточном отношении редуктора i двигатель воспринимает не только инерцию нагрузки J_load, но и отраженную инерцию J_reflected = J_load / i². Для редуктора 10:1 инерция нагрузки вносит лишь 1% в эффективную инерцию двигателя — преобладают сама шестерня и ротор двигателя. Это и есть проблема согласования инерции сервосистемы:
J_total (на двигателе) = J_motor + J_gear_pinion + J_load / i²
Для достижения максимальной полосы пропускания сервопривода необходимо минимизировать отношение J_total к J_motor. Высокие передаточные числа уменьшают отношение J_reflected/J_motor, но сами шестерни обладают инерцией. Оптимальное передаточное число для максимальной полосы пропускания достигается, когда J_reflected (от нагрузки) ≈ J_motor — в этом случае i_opt = √(J_load / J_motor). Для шарнира робота с J_load = 0,05 кг·м² и J_motor = 0,0005 кг·м²: i_opt = √(0,05/0,0005) = √100 = 10:1. Минимизация косозубая передача Таким образом, инерция корпуса (за счет использования полых зубчатых передач в шарнирных соединениях роботов) так же важна для оптимизации сервоуправления, как и минимизация люфта.
Обратное вращение в коллаборативных роботах — почему предпочтительнее использовать косозубые шестерни
Коллаборативный робот (кобот) должен безопасно подчиняться давлению человека — шарнир должен обеспечивать обратное вращение (нагрузка должна вращать двигатель в обратном направлении), чтобы датчик силы и крутящего момента в шарнире мог обнаружить контакт, а система безопасности могла ограничить приложенную силу. Возможность обратного вращения определяется трением в редукторе шарнира:
А косозубая передача Планетарная ступень с передаточным отношением от 5:1 до 20:1 имеет КПД зацепления 97–991 ТТ3Т, что соответствует углу трения приблизительно 1–3°. Это ниже угла самоблокирующегося трения — шарнир совершает обратные движения под действием силы, в 1,05–1,10 раза превышающей силу прямого движения. Безопасное поведение обеспечивается за счет встроенного датчика силы и крутящего момента.
Редукторы с волновым приводом (гармоническим приводом) с передаточным отношением от 50:1 до 160:1 обычно не обеспечивают обратного привода — высокое передаточное отношение и трение генератора волн препятствуют передаче крутящего момента с выходного каскада на входной. В конструкциях коллаборативных роботов, использующих волновые приводы, требуется активное управление податливостью (управление импедансом с помощью датчиков крутящего момента), а не пассивное механическое управление податливостью.
Korea Ever-Power — поставщик прецизионных сервоприводов и косозубых шестерен для роботов.
Прецизионная шлифовка HÖFLER косозубая передача Для применения в робототехнических шарнирах и сервоприводах — класс точности DIN 4–5, Ra ≤ 0,3 мкм, толщина зуба по DIN 3967 класс g–h для минимизации люфта, с сертификацией анализатора зубчатых передач по классу точности и отклонению толщины зуба.
Корейская компания Ever-Power производит высокоточные изделия. косозубые шестерни Для сервоприводов и робототехнических применений, изготовлены из стали M0.5–M8, DIN класс 4–6, класс толщины зубьев g–h (малый люфт), из цементированного 20CrMnTi сплава HRC 58–62 для максимальной грузоподъемности в компактных размерах. Для конструкций с ножничным механизмом (пружинным разъемом) компания Korea Ever-Power производит подобранные пары с подтвержденной толщиной зубьев в пределах ±1 мкм от номинальной, обеспечивая одинаковую предварительную нагрузку на обе половины шестерни. В качестве прямого производитель косозубых передачКомпания Korea Ever-Power предоставляет расчет отраженного момента инерции (J_gear = 0,5 × m × r²) для каждого заказа прецизионной зубчатой передачи, предоставляя разработчику сервосистемы информацию, необходимую для согласования инерции до проектирования редуктора. Ознакомьтесь с информацией на сайте. Ассортимент продукции с косозубыми шестернями.
Часто задаваемые вопросы
Повторяемость — это способность робота возвращаться в ранее посещенную позицию из одного и того же направления подхода; она не зависит от люфта, если направление подхода всегда одинаково. Точность — это способность достигать абсолютной декартовой координаты без предварительной калибровки; она напрямую зависит от люфта, поскольку абсолютное положение зависит от того, прибыл ли шарнир по часовой стрелке или против часовой стрелки. Большинство промышленных роботов указывают повторяемость (±0,01–0,05 мм), но не абсолютную точность, поэтому в их системах управления используется компенсация люфта, а не указание нулевого люфта. косозубые шестерниКоботы, используемые для задач сборки с управлением усилием, где важна абсолютная точность, требуют использования шестерен с малым люфтом и полной кинематической калибровки.
Обычно нет — помимо люфта, шарниры роботов требуют низкой инерции (стандартные редукторы имеют относительно тяжелые корпуса шестерен), компактной осевой длины (стандартные редукторы имеют фиксированные габариты корпуса, которые могут не соответствовать размерам шарнира) и жесткости на кручение (стандартные редукторы могут иметь эффект «закручивания» при быстром ускорении, что ограничивает полосу пропускания сервопривода). Прецизионный планетарный механизм косозубая передача Специально разработанная для сервоприводов платформа — с полым выходным валом для прокладки кабелей, легким алюминиевым корпусом и прецизионным выходным фланцем — является подходящим продуктом. Корейская компания Ever-Power производит компоненты планетарных передач (солнечные и планетарные шестерни) для этих компактных сервоприводных платформ; корпус и узел, как правило, разрабатываются производителем роботов.
В приводах колес автоматизированных транспортных средств (AGV) для роботов, используемых в логистике внутри помещений, обычно применяются компоненты M2–M4. косозубые шестерни В одно- или двухступенчатых редукторах, снижающих скорость вращения двигателя (3000–6000 об/мин) до скорости вращения колеса (100–400 об/мин). Компактная геометрия ступицы колеса ограничивает диаметр шестерни наружным диаметром 30–80 мм, что при M2–M4 обеспечивает количество зубьев 15–40 — достаточное для требуемых передаточных чисел. Материал: цементированный 20CrMnTi для увеличения срока службы при круглосуточной эксплуатации, характерной для логистических автоматизированных транспортных средств (AGV). Класс точности: DIN 6–7 (герметичный корпус IP67 и умеренные скорости AGV не требуют точности DIN 5).
Для сервопривода и шарнира робота косозубые шестерниУгол наклона спирали β = 20–25° является стандартным — тот же диапазон, что и у прецизионных промышленных шестерен. Больший угол наклона спирали уменьшает погрешность передачи (снижает уровень шума), но увеличивает осевую нагрузку на вал серводвигателя, которая не всегда поддерживается подшипником вала двигателя при осевых нагрузках. В сервоприводах угловой контактный подшипник, предварительно встроенный в выходной вал серводвигателя, поглощает умеренную осевую нагрузку; при угле наклона β > 25° осевая нагрузка может превышать номинальную осевую нагрузку подшипника вала двигателя, что требует установки внешнего упорного подшипника на входном валу редуктора. Компания Korea Ever-Power подтверждает ожидаемую осевую нагрузку (F_a = F_t × tan β) в зависимости от осевой нагрузки подшипника вала двигателя для каждого заказа серворедуктора.
Запрос на прецизионные сервоприводы и роботизированные косозубые передачи
Укажите требуемый люфт, передаточное число, выходной крутящий момент и любые ограничения по инерции. Компания Korea Ever-Power подтвердит модуль, количество зубьев, класс DIN и класс толщины зубьев — расчет отраженной инерции и сертификат люфта будут включены в стандартную комплектацию каждого заказа сервопривода.
M0.5–M8 · Класс DIN 4–6 · Люфт класса g–h · Расчет инерции · Ножничные зубчатые передачи · Минимальный заказ: 1 шт.
Редактор: Cxm
