Architektúra kĺbového pohonu robota – kde sa používajú špirálové ozubené kolesá
Priemyselné roboty používajú vo svojich kĺbových reduktoroch dva typy ozubených kolies: pohony s deformačnou vlnou (harmonické) pre kompaktné ramenné a lakťové kĺby s vysokým prevodovým pomerom a kompaktné špirálové planétové prevodové stupne pre zápästné kĺby a rotačnú os robotov SCARA, kde požiadavky na hustotu krútiaceho momentu a spätný pohon uprednostňujú špirálové ozubenie pred konštrukciami s deformačnou vlnou. Kolaboratívne roboty (koboti) majú tendenciu používať výlučne špirálové planétové stupne – vyššia spätný pohon (nižšie trenie) špirálových ozubených kolies s kovovými zubami v porovnaní s pohonmi s deformačnou vlnou je dôležitá pre súlad s bezpečnostnými predpismi pri snímaní sily. Pohony kolies AGV (automaticky riadené vozidlo) používajú jedno- alebo dvojstupňové prevody. špirálové ozubené koleso reduktory medzi motorom náboja a kolesom.
Požiadavky na vôľu pre špirálové ozubené kolesá robotov a servopohonov
V kĺboch robotov a servopohonných polohovacích osiach sa vôľa prejavuje priamo ako chyba polohovania. Vzťah:
Uhlová chyba na výstupe = vôľa j_t / (d_pastorka × tan(1/i))
Lineárna chyba nástroja = uhlová chyba × dĺžka ramena nástroja
Pre presný robotický zápästný kĺb s pastorkom s priemerom rozstupu 50 mm, vôľou 1 mm (j_t = 1 mm na rozstupnej kružnici) a prevodovým pomerom i = 20:1 je uhlová chyba výstupného hriadeľa približne 0,5° – čo zodpovedá chybe polohy 4 mm pri dosahu nástroja 500 mm. Z toho je okamžite jasná požiadavka na vôľu pre robotické kĺby: pre opakovateľnosť na úrovni mm na koncovom efektore je potrebná vôľa sub-minúty na výstupe kĺbu.
| Aplikácia | Požadovaná výstupná vôľa | Ekvivalent j_t na vstupe (÷ prevodový pomer) | Trieda DIN 3967 |
|---|---|---|---|
| Os CNC obrábacieho stroja (vysoká presnosť) | < 5 oblúkových sekúnd ≈ 0,0014° | 0,002 – 0,010 mm | Trieda H |
| Priemyselný robotický kĺb (štandardný) | < 1–3 oblúkové minúty ≈ 0,02–0,05° | 0,01–0,03 mm | Trieda g–h |
| Kĺb kolaboratívneho robota (kobota) | < 5–15 oblúkových minút | 0,02–0,05 mm | Trieda g |
| Pohon kolies AGV | < 0,1–0,5 mm lineárne | 0,03–0,10 mm | Trieda f–g |
| Servo os balenia / označovania | < 0,05–0,2 mm lineárne | 0,02–0,06 mm | Trieda g |
Riešenia s nulovou vôľou pre servo špirálové prevody
Metóda 1 – Tolerancia hrúbky zuba (DIN 3967 trieda h)
Uveďte špirálové ozubené koleso a protiľahlý pastorok podľa DIN 3967 triedy h (tesný). Pri M2–M4 poskytuje trieda h nominálnu vôľu 0–0,06 mm. V kombinácii s presne vyrobenou stredovou vzdialenosťou puzdra udržiavanou na ±0,01 mm je montážna vôľa typicky 0,005–0,020 mm – čo postačuje pre polohovacie osi triedy g. Toto je najlacnejšie riešenie bez dodatočnej mechanickej zložitosti. Nevýhoda: s opotrebovaním ozubených kolies sa vôľa zväčšuje a nemožno ju znova nastaviť bez výmeny.
Metóda 2 – Pružinové delené ozubené koleso (nožnicové ozubené koleso)
Nožnicový prevod sa skladá z dvoch rovnakých špirálové ozubené koleso Kolesá súosovo namontované s torznou pružinou medzi nimi, predtočenou tak, aby sa obe polovice súčasne pritlačili k protiľahlým bokom pastorka – jedna polovica sa dotýka pravého boku, druhá ľavého boku. Predpätie pružiny eliminuje vôľu udržiavaním konštantného kontaktu zubov na oboch stranách pastorka. Pri opotrebovaní pružina automaticky kompenzuje opotrebovanie a udržiava takmer nulovú vôľu počas celej životnosti ozubeného kolesa. Nevýhoda: predpínací moment (typicky 5–15% menovitého krútiaceho momentu) zvyšuje straty trením pohonu a znižuje maximálnu účinnosť pohonu.
Metóda 3 – Predpätie proti spätnému rázu s dvojitým motorom
Dva identické servomotory, z ktorých každý poháňa pastorok, ktorý zaberá s rovnakým špirálové ozubené koleso Koleso (alebo hrebeň) sú ovládané s riadeným predpätím krútiaceho momentu – jeden motor tlačí v smere hodinových ručičiek, zatiaľ čo druhý kladie odpor proti smeru hodinových ručičiek, čím sa boky oboch pastorkov súčasne dotýkajú kolesa. Tým sa eliminuje vôľa bez akéhokoľvek mechanického pružinového zaťaženia a bez rotačnej zotrvačnosti mechanizmu s deleným prevodom. Servoriadenie aplikuje nízkoúrovňový diferenciálny krútiaci moment, ktorý sa na výstupe ruší (oba motory prispievajú krútiacim momentom v požadovanom smere, ale ich predpätie krútiaceho momentu sa ruší). Toto je preferované riešenie pre vysokorýchlostné presné CNC osi nad 30 m/min a pre portálové stroje vyžadujúce presnú synchronizáciu medzi dvoma osami.
Odrazená zotrvačnosť – prečo prevodový pomer ovplyvňuje odozvu serva
Keď servomotor poháňa záťaž cez špirálové ozubené koleso Pri reduktore s prevodovým pomerom i motor vníma nielen zotrvačnosť záťaže J_load, ale aj odrazenú zotrvačnosť J_reflected = J_load / i². Pri reduktore s prevodovým pomerom 10:1 prispieva zotrvačnosť záťaže k efektívnej zotrvačnosti motora iba 1% – dominuje samotné ozubené koleso a rotor motora. Toto je problém prispôsobenia zotrvačnosti servosystému:
J_celkom (na motore) = J_motora + J_prevodovka_pastorok + J_zaťaženie / i²
Pre maximálnu šírku pásma serva by sa mal minimalizovať pomer J_total k J_motor. Vysoké prevodové pomery znižujú J_reflected/J_motor, ale samotné ozubené kolesá majú zotrvačnosť. Optimálny prevodový pomer pre maximálnu šírku pásma nastáva, keď J_reflected (od záťaže) ≈ J_motor – čo dáva i_opt = √(J_záťaž / J_motor). Pre kĺb robota s J_záťažou = 0,05 kg·m² a J_motor = 0,0005 kg·m²: i_opt = √(0,05/0,0005) = √100 = 10:1. Minimalizácia špirálové ozubené koleso Zotrvačnosť telesa (použitím dutých ozubených kolies pre aplikácie robotických kĺbov) je preto rovnako dôležitá ako minimalizácia vôle pre optimalizáciu slučky serva.
Spätný pohon v kolaboratívnych robotoch – prečo sú uprednostňované špirálové ozubené kolesá
Kolaboratívny robot (kobot) sa musí bezpečne podriadiť, keď naňho človek zatlačí – kĺb musí byť spätne poháňateľný (záťaž môže poháňať motor dozadu), aby snímač sily a krútiaceho momentu kĺbu mohol detekovať kontakt a bezpečnostný systém mohol obmedziť aplikovanú silu. Trenie v reduktore kĺbu určuje, či je možné dosiahnuť spätný pohyb:
A špirálové ozubené koleso Planétový stupeň v pomere 5:1 až 20:1 má účinnosť záberu 97 – 991 TP3T, čo zodpovedá uhlu trenia približne 1 – 3°. To je pod úrovňou samosvorného uhla trenia – kĺb sa pohybuje spätne silou 1,05 – 1,10-násobku sily pohonu vpred. Vďaka integrovanému snímaniu sily a krútiaceho momentu je možné dosiahnuť zodpovedajúce bezpečnostné správanie.
Reduktory deformačných vĺn (harmonický pohon) s pomerom 50:1 až 160:1 zvyčajne nie sú spätne poháňané – vysoký redukčný pomer a trenie generátora vĺn bránia výstupu riadiť vstup. Konštrukcie kolaboratívneho robota používajúce pohony deformačných vĺn vyžadujú aktívnu reguláciu poddajnosti (regulácia impedancie pomocou snímačov krútiaceho momentu) namiesto pasívnej mechanickej poddajnosti.
Korea Ever-Power — Dodávka presných servopohonov a robotických špirálových prevodov
Presné brúsenie HÖFLER špirálové ozubené koleso pre aplikácie v oblasti robotických kĺbov a servo automatizácie — trieda DIN 4–5, Ra ≤ 0,3 µm, hrúbka zuba podľa DIN 3967 trieda g–h pre minimálnu vôľu, s certifikáciou analyzátora ozubených kolies pre triedu presnosti aj odchýlku hrúbky zuba
Korea Ever-Power vyrába presnosť ozubené kolesá so špirálovým rezom pre servo a robotické aplikácie v M0,5–M8, DIN trieda 4–6, trieda hrúbky zubov g–h (tesná vôľa), z cementovaného 20CrMnTi HRC 58–62 pre maximálnu nosnosť v kompaktnej veľkosti. Pre nožnicové ozubené kolesá (pružinové delenie) vyrába Korea Ever-Power párované páry s potvrdenou hrúbkou zubov v rozmedzí ±1 µm od menovitej hodnoty – čím sa zabezpečí rovnaké predpätie na oboch poloviciach ozubeného kolesa. Ako priamy výrobca špirálových ozubených koliesSpoločnosť Korea Ever-Power poskytuje výpočet odrazenej zotrvačnosti (J_gear = 0,5 × m × r²) pre každú objednávku presného ozubeného kolesa, čím poskytuje konštruktérovi servosystému informácie potrebné na prispôsobenie zotrvačnosti pred návrhom prevodovky. Prehliadajte si sortiment špirálových ozubených kolies.
Často kladené otázky
Opakovateľnosť je schopnosť robota vrátiť sa do predtým navštívenej pozície z rovnakého smeru priblíženia – nie je ovplyvnená vôľou, ak je smer priblíženia vždy rovnaký. Presnosť je schopnosť dosiahnuť absolútnu karteziánsku súradnicu bez predchádzajúcej kalibrácie – je priamo ovplyvnená vôľou, pretože absolútna poloha závisí od toho, či kĺb prišiel v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek. Väčšina priemyselných robotov špecifikuje opakovateľnosť (±0,01 – 0,05 mm), ale nie absolútnu presnosť, a preto vo svojich riadiacich systémoch používajú kompenzáciu vôle namiesto špecifikácie nulovej vôle. špirálové ozubené kolesáKoboty používané na montážne úlohy s riadenou silou, kde je dôležitá absolútna presnosť, vyžadujú tesné prevody s vôľou a úplnú kinematickú kalibráciu.
Nie typicky – okrem vôle vyžadujú kĺby robotov nízku odrazenú zotrvačnosť (štandardné prevodovky majú relatívne ťažké telesá prevodov), kompaktnú axiálnu dĺžku (štandardné prevodovky majú pevné rozmery krytu, ktoré nemusia vyhovovať obálke kĺbu) a torznú tuhosť (štandardné prevodovky môžu mať pri rýchlom zrýchlení zrýchlenie, ktoré obmedzuje šírku pásma serva). Presný planétový motor špirálové ozubené koleso Vhodným produktom je platforma navrhnutá špeciálne pre servopohony – s dutým výstupným hriadeľom na vedenie káblov, ľahkým hliníkovým krytom a presnou výstupnou prírubou. Spoločnosť Korea Ever-Power vyrába komponenty planétových prevodov (centrálne a planétové kolesá) pre tieto kompaktné servopohony; kryt a zostava sú zvyčajne navrhnuté výrobcom robota.
Pohony kolies AGV pre roboty pre vnútornú logistiku zvyčajne používajú M2–M4 špirálové ozubené kolesá v jednostupňových alebo dvojstupňových prevodovkách, čím sa znižujú otáčky motora (3 000 – 6 000 ot./min.) na otáčky kolesa (100 – 400 ot./min.). Kompaktná geometria náboja kolesa obmedzuje priemer ozubeného kolesa na vonkajší priemer 30 – 80 mm, čo pri M2 – M4 poskytuje počet zubov 15 – 40 – čo postačuje pre požadované prevody. Materiál: cementovaný 20CrMnTi pre predĺženú životnosť pri 24-hodinovej dennej prevádzke typickej pre logistické AGV. Trieda presnosti: Trieda DIN 6 – 7 (prostredie s utesneným krytom IP67 a stredné rýchlosti AGV nevyžadujú presnosť podľa DIN 5).
Pre spoj servomotorov a robotov špirálové ozubené kolesáŠtandardom je uhol skrutkovice β = 20–25° – rovnaký rozsah ako pri presných priemyselných prevodoch. Vyšší uhol skrutkovice znižuje chybu prenosu (nižší hluk), ale zvyšuje axiálny tlak na hriadeľ servomotora, ktorý nie je vždy podopretý ložiskom hriadeľa motora pri axiálnom zaťažení. Pri servo aplikáciách absorbuje uhlové ložisko predmontované do výstupného hriadeľa servomotora mierny axiálny tlak; nad β = 25° môže axiálne zaťaženie prekročiť axiálnu nosnosť ložiska hriadeľa motora, čo si vyžaduje externé axiálne ložisko na vstupnom hriadeli prevodovky. Spoločnosť Korea Ever-Power potvrdzuje očakávaný axiálny tlak (F_a = F_t × tan β) vzhľadom na axiálnu únosnosť ložiska hriadeľa motora pre každú objednávku servoprevodovky.
Dopyt na presné servopohony a robotické špirálové ozubené kolesá
Uveďte požiadavky na vôľu, prevodový pomer, výstupný krútiaci moment a akékoľvek obmedzenia zotrvačnosti. Spoločnosť Korea Ever-Power potvrdzuje modul, počet zubov, triedu DIN a triedu hrúbky zubov – s výpočtom odrazenej zotrvačnosti a certifikátom vôle, ktorý je štandardne súčasťou každej objednávky servoprevodovky.
M0,5–M8 · Trieda DIN 4–6 · Vôľa triedy g–h · Výpočet zotrvačnosti · Nožnicové ozubené kolesá · Minimálne objednávacie množstvo 1 kus
Redaktor: Cxm
