สถาปัตยกรรมระบบขับเคลื่อนข้อต่อหุ่นยนต์ — การใช้งานเฟืองเกลียว
หุ่นยนต์อุตสาหกรรมใช้เกียร์สองประเภทในชุดลดความเร็วข้อต่อ: เกียร์แบบคลื่นความเครียด (ฮาร์มอนิก) สำหรับข้อต่อไหล่และข้อศอกขนาดกะทัดรัดที่มีอัตราส่วนสูง และเกียร์แบบเฟืองดาวเคราะห์เกลียวขนาดกะทัดรัดสำหรับข้อต่อข้อมือและแกนหมุนของหุ่นยนต์ SCARA ซึ่งความหนาแน่นของแรงบิดและความสามารถในการหมุนย้อนกลับเอื้ออำนวยต่อเกียร์แบบเฟืองเกลียวมากกว่าแบบคลื่นความเครียด หุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน (โคบอท) มักใช้เกียร์แบบเฟืองดาวเคราะห์เกลียวโดยเฉพาะ เนื่องจากความสามารถในการหมุนย้อนกลับที่สูงกว่า (แรงเสียดทานต่ำกว่า) ของเกียร์แบบเฟืองเกลียวฟันโลหะเมื่อเทียบกับเกียร์แบบคลื่นความเครียดนั้นมีความสำคัญต่อการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัยในการตรวจจับแรง ระบบขับเคลื่อนล้อของ AGV (ยานพาหนะนำทางอัตโนมัติ) ใช้เกียร์แบบขั้นตอนเดียวหรือสองขั้นตอน เฟืองเกลียว ตัวลดเกียร์ระหว่างมอเตอร์ดุมล้อกับล้อ
ข้อกำหนดระยะห่างของเฟืองเกลียวสำหรับหุ่นยนต์และเซอร์โว
ในข้อต่อของหุ่นยนต์และแกนกำหนดตำแหน่งที่ขับเคลื่อนด้วยเซอร์โว การคลายตัว (backlash) จะปรากฏโดยตรงเป็นข้อผิดพลาดในการกำหนดตำแหน่ง ความสัมพันธ์คือ:
ข้อผิดพลาดเชิงมุมที่เอาต์พุต = ระยะคลายตัว j_t / (d_pinion × tan(1/i))
ข้อผิดพลาดเชิงเส้นที่เครื่องมือ = ข้อผิดพลาดเชิงมุม × ความยาวแขนเครื่องมือ
สำหรับข้อต่อข้อมือหุ่นยนต์ที่มีความแม่นยำสูง โดยใช้เฟืองตัวเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางพิตช์ 50 มม. ระยะคลายตัว 1 มม. (j_t = 1 มม. ที่วงกลมพิตช์) และอัตราส่วนเกียร์ i = 20:1 ข้อผิดพลาดเชิงมุมของเพลาส่งออกจะอยู่ที่ประมาณ 0.5° ซึ่งสอดคล้องกับข้อผิดพลาดตำแหน่ง 4 มม. ที่ระยะการเข้าถึงเครื่องมือ 500 มม. สิ่งนี้ทำให้เห็นได้อย่างชัดเจนถึงข้อกำหนดเรื่องระยะคลายตัวสำหรับข้อต่อหุ่นยนต์: ระยะคลายตัวที่ต่ำกว่าหนึ่งอาร์คนาทีที่เอาต์พุตของข้อต่อเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับความแม่นยำในการทำซ้ำระดับมิลลิเมตรที่ปลายแขนหุ่นยนต์
| แอปพลิเคชัน | ระยะคลาดเคลื่อนของเอาต์พุตที่ต้องการ | ค่า j_t เทียบเท่าที่อินพุต (÷ อัตราทดเกียร์) | DIN 3967 คลาส |
|---|---|---|---|
| แกนเครื่องมือกล CNC (ความแม่นยำสูง) | < 5 อาร์คเซคอนด์ ≈ 0.0014° | 0.002–0.010 มม. | ชั้นเรียน h |
| ข้อต่อหุ่นยนต์อุตสาหกรรม (แบบมาตรฐาน) | < 1–3 อาร์คมินิต ≈ 0.02–0.05° | 0.01–0.03 มม. | คลาส g–h |
| ข้อต่อหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน (โคบอท) | < 5–15 ลิปดา | 0.02–0.05 มม. | คลาส g |
| ระบบขับเคลื่อนล้อ AGV | < 0.1–0.5 มม. เชิงเส้น | 0.03–0.10 มม. | คลาส f–g |
| แกนเซอร์โวสำหรับบรรจุภัณฑ์/ติดฉลาก | < 0.05–0.2 มม. เชิงเส้น | 0.02–0.06 มม. | คลาส g |
โซลูชันไร้การคลายตัวสำหรับเฟืองเกลียวเซอร์โว
วิธีที่ 1 — ความคลาดเคลื่อนของความหนาฟันที่แคบ (DIN 3967 Class h)
ระบุ เฟืองเกลียว และจับคู่กับเฟืองตัวเล็กตามมาตรฐาน DIN 3967 คลาส h (แน่น) ที่ขนาด M2–M4 คลาส h จะให้ระยะคลายตัวโดยประมาณ 0–0.06 มม. เมื่อรวมกับระยะห่างศูนย์กลางของตัวเรือนที่ผลิตอย่างแม่นยำซึ่งคงที่ที่ ±0.01 มม. ระยะคลายตัวของการประกอบโดยทั่วไปจะอยู่ที่ 0.005–0.020 มม. ซึ่งเพียงพอสำหรับแกนกำหนดตำแหน่งคลาส g นี่คือวิธีแก้ปัญหาที่มีต้นทุนต่ำที่สุดโดยไม่มีความซับซ้อนทางกลเพิ่มเติม ข้อเสียคือ เมื่อเฟืองสึกหรอ ระยะคลายตัวจะเพิ่มขึ้นและไม่สามารถปรับใหม่ได้หากไม่เปลี่ยนใหม่
วิธีที่ 2 — เฟืองแยกแบบมีสปริง (เฟืองกรรไกร)
เฟืองกรรไกรประกอบด้วยชิ้นส่วนที่เหมือนกันสองชิ้น เฟืองเกลียว ล้อเฟืองติดตั้งแบบแกนร่วมโดยมีสปริงบิดอยู่ระหว่างกัน สปริงถูกบิดไว้ล่วงหน้าเพื่อกดครึ่งทั้งสองข้างให้แนบกับด้านตรงข้ามของเฟืองตัวเล็กพร้อมกัน — ครึ่งข้างสัมผัสกับด้านขวา อีกครึ่งข้างสัมผัสกับด้านซ้าย แรงกดของสปริงช่วยขจัดระยะคลอนโดยรักษาการสัมผัสของฟันเฟืองให้คงที่ทั้งสองด้านของเฟืองตัวเล็ก เมื่อเกิดการสึกหรอ สปริงจะชดเชยโดยอัตโนมัติ ทำให้ระยะคลอนเกือบเป็นศูนย์ตลอดอายุการใช้งานของเฟือง ข้อเสียคือ แรงบิดของแรงกดล่วงหน้า (โดยทั่วไป 5–151 กิโลนิวตันเมตรของแรงบิดที่กำหนด) จะเพิ่มการสูญเสียจากแรงเสียดทานในการขับเคลื่อนและลดประสิทธิภาพการขับเคลื่อนสูงสุด
วิธีที่ 3 — การปรับตั้งค่าแรงกดล่วงหน้าป้องกันการคลายตัวด้วยมอเตอร์คู่
มอเตอร์เซอร์โวสองตัวที่เหมือนกันทุกประการ แต่ละตัวขับเคลื่อนเฟืองตัวเล็กที่ขบกับเฟืองตัวเดียวกัน เฟืองเกลียว ล้อ (หรือแร็ค) ทำงานด้วยแรงบิดที่ควบคุมได้ โดยมอเตอร์ตัวหนึ่งจะหมุนตามเข็มนาฬิกา ขณะที่อีกตัวหนึ่งจะต้านการหมุนทวนเข็มนาฬิกา ทำให้ด้านข้างของเฟืองทั้งสองสัมผัสกับล้อพร้อมกัน วิธีนี้ช่วยขจัดปัญหาการคลายตัวโดยไม่ต้องใช้สปริงเชิงกล และไม่มีแรงเฉื่อยในการหมุนของกลไกเฟืองแบบแยกส่วน การควบคุมเซอร์โวจะใช้แรงบิดที่แตกต่างกันในระดับต่ำ ซึ่งจะหักล้างกันที่เอาต์พุต (มอเตอร์ทั้งสองตัวให้แรงบิดในทิศทางที่ต้องการ แต่แรงบิดที่หักล้างกันจะหักล้างกัน) นี่คือวิธีแก้ปัญหาที่นิยมใช้สำหรับแกน CNC ที่มีความแม่นยำสูง ความเร็วสูงกว่า 30 เมตร/นาที และสำหรับเครื่องจักรแบบโครงสร้างที่ต้องการการซิงโครไนซ์ที่แม่นยำระหว่างสองแกน
แรงเฉื่อยสะท้อน — เหตุใดอัตราทดเกียร์จึงส่งผลต่อการตอบสนองของเซอร์โว
เมื่อมอเตอร์เซอร์โวขับเคลื่อนโหลดผ่าน เฟืองเกลียว สำหรับตัวลดเกียร์อัตราส่วน i มอเตอร์จะรับรู้ไม่เพียงแต่แรงเฉื่อยของโหลด J_load เท่านั้น แต่ยังรับรู้แรงเฉื่อยสะท้อน J_reflected = J_load / i² ด้วย สำหรับตัวลดเกียร์ 10:1 แรงเฉื่อยของโหลดมีส่วนช่วยเพียง 1% ต่อแรงเฉื่อยที่มีประสิทธิภาพของมอเตอร์เท่านั้น แรงเฉื่อยส่วนใหญ่มาจากตัวเกียร์เองและโรเตอร์ของมอเตอร์ นี่คือปัญหาการจับคู่แรงเฉื่อยของระบบเซอร์โว:
J_total (ที่มอเตอร์) = J_motor + J_gear_pinion + J_load / i²
เพื่อให้ได้แบนด์วิดท์เซอร์โวสูงสุด อัตราส่วนของ J_total ต่อ J_motor ควรมีค่าน้อยที่สุด อัตราทดเกียร์สูงจะลด J_reflected/J_motor แต่ตัวเกียร์เองก็มีแรงเฉื่อย อัตราทดเกียร์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแบนด์วิดท์สูงสุดเกิดขึ้นเมื่อ J_reflected (จากโหลด) ≈ J_motor — ทำให้ได้ i_opt = √(J_load / J_motor) สำหรับข้อต่อหุ่นยนต์ที่มี J_load = 0.05 kg·m² และ J_motor = 0.0005 kg·m²: i_opt = √(0.05/0.0005) = √100 = 10:1 การลดค่าให้น้อยที่สุด เฟืองเกลียว ดังนั้น แรงเฉื่อยของตัววัตถุ (โดยการใช้ตัวเฟืองกลวงสำหรับข้อต่อหุ่นยนต์) จึงมีความสำคัญพอๆ กับการลดการคลายตัวให้น้อยที่สุดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของวงจรเซอร์โว
ความสามารถในการขับเคลื่อนย้อนกลับในหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน — เหตุใดจึงนิยมใช้เฟืองเกลียว
หุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน (cobot) ต้องปฏิบัติตามอย่างปลอดภัยเมื่อมนุษย์ผลักมัน — ข้อต่อต้องสามารถหมุนย้อนกลับได้ (แรงกดสามารถขับเคลื่อนมอเตอร์ไปข้างหลังได้) เพื่อให้เซ็นเซอร์วัดแรงและแรงบิดของข้อต่อสามารถตรวจจับการสัมผัสและระบบความปลอดภัยสามารถจำกัดแรงที่ใช้ได้ แรงเสียดทานในตัวลดเกียร์ของข้อต่อจะเป็นตัวกำหนดว่าการหมุนย้อนกลับนั้นสามารถทำได้หรือไม่:
เอ เฟืองเกลียว เฟืองดาวเคราะห์ที่มีอัตราส่วน 5:1 ถึง 20:1 มีประสิทธิภาพการทำงานของเฟืองอยู่ที่ 97–991 TP3T ซึ่งสอดคล้องกับมุมเสียดทานประมาณ 1–3° ซึ่งต่ำกว่ามุมเสียดทานที่ทำให้ล็อกตัวเองได้ — ข้อต่อจะหมุนกลับเมื่อมีแรงขับไปข้างหน้า 1.05–1.10 เท่า พฤติกรรมด้านความปลอดภัยที่สอดคล้องกับกฎเกณฑ์สามารถทำได้ด้วยการตรวจจับแรงและแรงบิดในตัว
ตัวลดเกียร์แบบคลื่นความเครียด (ไดรฟ์ฮาร์มอนิก) ที่มีอัตราส่วน 50:1 ถึง 160:1 โดยทั่วไปแล้วจะไม่สามารถขับย้อนกลับได้ เนื่องจากอัตราส่วนการลดเกียร์สูงและแรงเสียดทานของตัวสร้างคลื่นทำให้เอาต์พุตไม่สามารถขับอินพุตได้ การออกแบบโคบอทที่ใช้ไดรฟ์คลื่นความเครียดจึงต้องใช้การควบคุมความยืดหยุ่นแบบแอคทีฟ (การควบคุมอิมพีแดนซ์ด้วยเซ็นเซอร์แรงบิด) แทนที่จะใช้ความยืดหยุ่นเชิงกลแบบพาสซีฟ
Korea Ever-Power — ผู้จัดจำหน่ายเซอร์โวและเฟืองเกลียวสำหรับหุ่นยนต์ที่มีความแม่นยำสูง
เจียระไนอย่างแม่นยำโดย HÖFLER เฟืองเกลียว สำหรับการใช้งานกับข้อต่อหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติเซอร์โว — มาตรฐาน DIN Class 4–5, Ra ≤ 0.3 µm, ความหนาของฟันตามมาตรฐาน DIN 3967 class g–h เพื่อลดระยะคลอนให้น้อยที่สุด พร้อมใบรับรองการวิเคราะห์เฟืองทั้งในด้านระดับความแม่นยำและการเบี่ยงเบนความหนาของฟัน
Korea Ever-Power ผลิตสินค้าที่มีความแม่นยำสูง เฟืองตัดเกลียว สำหรับงานเซอร์โวและหุ่นยนต์ในขนาด M0.5–M8, DIN Class 4–6, ความหนาฟันระดับ g–h (ระยะห่างฟันแคบ) ผลิตจากเหล็ก 20CrMnTi ชุบแข็ง HRC 58–62 เพื่อความสามารถในการรับน้ำหนักสูงสุดในขนาดกะทัดรัด สำหรับการออกแบบเฟืองกรรไกร (แบบแยกสปริง) บริษัท Korea Ever-Power ผลิตคู่เฟืองที่จับคู่กันโดยยืนยันความหนาฟันภายใน ±1 µm จากค่าปกติ เพื่อให้มั่นใจได้ว่าแรงกดล่วงหน้าเท่ากันในทั้งสองครึ่งเฟือง (หมายเหตุ: ข้อความต้นฉบับไม่ชัดเจน จึงไม่สามารถแปลความหมายได้ เนื่องจากเป็นการแปลความหมายโดยตรง) ผู้ผลิตเฟืองเกลียวบริษัท Korea Ever-Power ให้การคำนวณค่าความเฉื่อยสะท้อน (J_gear = 0.5 × m × r²) สำหรับชุดเฟืองความแม่นยำทุกชุด ซึ่งช่วยให้นักออกแบบระบบเซอร์โวได้รับข้อมูลที่จำเป็นสำหรับการจับคู่ความเฉื่อยก่อนที่จะออกแบบเกียร์บ็อกซ์ ดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ กลุ่มผลิตภัณฑ์เฟืองเกลียว.
คำถามที่พบบ่อย
ความสามารถในการทำซ้ำ (Repeatability) คือความสามารถของหุ่นยนต์ในการกลับไปยังตำแหน่งที่เคยไปเยือนมาก่อนจากทิศทางการเข้าถึงเดียวกัน ซึ่งจะไม่ได้รับผลกระทบจากระยะคลายตัว (backlash) หากทิศทางการเข้าถึงเหมือนเดิมเสมอ ส่วนความแม่นยำ (Accuracy) คือความสามารถในการเข้าถึงพิกัดคาร์ทีเซียนสัมบูรณ์โดยไม่ต้องทำการปรับเทียบก่อน ซึ่งได้รับผลกระทบโดยตรงจากระยะคลายตัว เนื่องจากตำแหน่งสัมบูรณ์ขึ้นอยู่กับว่าข้อต่อเคลื่อนที่มาจากทิศทางตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกา หุ่นยนต์อุตสาหกรรมส่วนใหญ่ระบุความสามารถในการทำซ้ำ (±0.01–0.05 มม.) แต่ไม่ได้ระบุความแม่นยำสัมบูรณ์ ดังนั้นจึงใช้การชดเชยระยะคลายตัวในระบบควบคุมแทนที่จะระบุว่าไม่มีระยะคลายตัวเลย เฟืองเกลียวหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน (Cobots) ที่ใช้ในงานประกอบที่ควบคุมด้วยแรง ซึ่งความแม่นยำสูงสุดเป็นสิ่งสำคัญ จำเป็นต้องใช้เฟืองที่มีระยะคลอนน้อย และการปรับเทียบทางจลศาสตร์อย่างสมบูรณ์
โดยทั่วไปแล้วไม่จำเป็น — นอกเหนือจากปัญหาการคลายตัวแล้ว ข้อต่อของหุ่นยนต์ยังต้องการแรงเฉื่อยสะท้อนต่ำ (กล่องเกียร์มาตรฐานมีตัวเกียร์ที่ค่อนข้างหนัก) ความยาวตามแนวแกนที่กะทัดรัด (กล่องเกียร์มาตรฐานมีขนาดตัวเรือนคงที่ซึ่งอาจไม่เหมาะสมกับพื้นที่ของข้อต่อ) และความแข็งแกร่งต่อแรงบิด (กล่องเกียร์มาตรฐานอาจเกิดการบิดตัวภายใต้การเร่งความเร็วอย่างรวดเร็วซึ่งจำกัดแบนด์วิดธ์ของเซอร์โว) จึงต้องใช้เฟืองดาวเคราะห์ที่มีความแม่นยำสูง เฟืองเกลียว แท่นวางที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการใช้งานเซอร์โว — ด้วยเพลาส่งกำลังแบบกลวงสำหรับเดินสายเคเบิล ตัวเรือนอะลูมิเนียมน้ำหนักเบา และหน้าแปลนส่งกำลังที่แม่นยำ — คือผลิตภัณฑ์ที่เหมาะสม บริษัท Korea Ever-Power ผลิตชิ้นส่วนเฟืองดาวเคราะห์ (เฟืองดวงอาทิตย์และเฟืองดาวเคราะห์) สำหรับแท่นวางเซอร์โวขนาดกะทัดรัดเหล่านี้ โดยทั่วไปแล้วตัวเรือนและการประกอบจะเป็นการออกแบบของผู้ผลิตหุ่นยนต์
โดยทั่วไปแล้ว ระบบขับเคลื่อนล้อของ AGV สำหรับหุ่นยนต์ขนส่งสินค้าภายในอาคารจะใช้ M2–M4 เฟืองเกลียว ในชุดเกียร์แบบขั้นเดียวหรือสองขั้น ลดความเร็วของมอเตอร์ (3000–6000 รอบต่อนาที) ให้เหลือความเร็วของล้อ (100–400 รอบต่อนาที) รูปทรงดุมล้อที่กะทัดรัดจำกัดเส้นผ่านศูนย์กลางของเกียร์ไว้ที่ 30–80 มม. ซึ่งที่ M2–M4 จะได้จำนวนฟัน 15–40 ซี่ ซึ่งเพียงพอสำหรับอัตราส่วนที่ต้องการ วัสดุ: 20CrMnTi ชุบแข็งเพื่ออายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นในการใช้งานประจำวัน 24 ชั่วโมง ซึ่งเป็นเรื่องปกติของรถ AGV ในงานโลจิสติกส์ ระดับความแม่นยำ: DIN Class 6–7 (สภาพแวดล้อมของตัวเรือนที่ปิดสนิท IP67 และความเร็วของ AGV ในระดับปานกลางไม่จำเป็นต้องใช้ความแม่นยำระดับ DIN 5)
สำหรับข้อต่อเซอร์โวและหุ่นยนต์ เฟืองเกลียวมุมเกลียว β = 20–25° ถือเป็นค่ามาตรฐาน ซึ่งเป็นช่วงเดียวกับเฟืองอุตสาหกรรมที่มีความแม่นยำสูง มุมเกลียวที่สูงขึ้นจะช่วยลดข้อผิดพลาดในการส่งกำลัง (ลดเสียงรบกวน) แต่จะเพิ่มแรงผลักตามแนวแกนบนเพลาของมอเตอร์เซอร์โว ซึ่งแบริ่งเพลาของมอเตอร์อาจไม่สามารถรองรับแรงผลักตามแนวแกนได้เสมอไป สำหรับการใช้งานเซอร์โว แบริ่งสัมผัสเชิงมุมที่ติดตั้งไว้ล่วงหน้าในเพลาส่งออกของมอเตอร์เซอร์โวจะดูดซับแรงผลักตามแนวแกนในระดับปานกลาง เมื่อ β เกิน 25° แรงผลักตามแนวแกนอาจเกินพิกัดรับแรงตามแนวแกนของแบริ่งเพลาของมอเตอร์ ทำให้ต้องใช้แบริ่งรับแรงผลักภายนอกบนเพลาอินพุตของเกียร์บ็อกซ์ บริษัท Korea Ever-Power ยืนยันแรงผลักตามแนวแกนที่คาดการณ์ไว้ (F_a = F_t × tan β) เทียบกับความสามารถในการรับแรงตามแนวแกนของแบริ่งเพลาของมอเตอร์สำหรับเกียร์เซอร์โวทุกชุด
สอบถามเกี่ยวกับเซอร์โวความแม่นยำสูงและเฟืองเกลียวสำหรับหุ่นยนต์
โปรดระบุค่าความคลาดเคลื่อนของฟันเฟือง อัตราทดเกียร์ แรงบิดเอาต์พุต และข้อจำกัดด้านความเฉื่อยใดๆ บริษัท Korea Ever-Power จะตรวจสอบโมดูล จำนวนฟันเฟือง ระดับ DIN และความหนาของฟันเฟือง พร้อมทั้งคำนวณความเฉื่อยและออกใบรับรองความคลาดเคลื่อนของฟันเฟืองให้โดยอัตโนมัติในทุกคำสั่งซื้อเกียร์เซอร์โว
M0.5–M8 · DIN Class 4–6 · ระยะคลายตัว Class g–h · การคำนวณความเฉื่อย · ชุดเฟืองกรรไกร · สั่งซื้อขั้นต่ำ 1 ชิ้น
บรรณาธิการ: Cxm
