Двигатель с прямым приводом или полая поворотная платформа: как выбрать подходящее решение для вращательного движения в автоматизированном оборудовании

В производстве 3C-оборудования, полупроводникового оборудования, прецизионном контроле качества, лазерной обработке, станкостроении и автоматизированных сборочных системах выбор поворотной оси — это не просто выбор двигателя.

Комплексная система вращательного движения должна учитывать крутящий момент, скорость, точность позиционирования, инерцию нагрузки, жесткость, время отклика, прокладку кабелей, монтажное пространство и долговременную стабильность работы.

Вот почему перед конструкторами оборудования часто встает фундаментальный вопрос:

Следует ли приводить вращающуюся нагрузку в движение непосредственно с помощью двигателя прямого привода , или же следует использовать полую вращающуюся платформу для достижения более высокого крутящего момента за счет встроенного прецизионного редуктора?

Для некоторых применений могут быть рассмотрены и другие решения, такие как гармонические поворотные приводы и прецизионные планетарные редукторы .

Правильный подход заключается не в том, чтобы заранее решать, что машина должна использовать двигатель с прямым приводом или полую вращающуюся платформу. Вместо этого следует сначала проанализировать требования к вращательному движению, а затем выбрать соответствующую механическую архитектуру.

Начните с определения того, чего должна достичь вращательная ось.

Внешне ось вращения может выглядеть одинаково, но её фактическая функция может быть совершенно разной в зависимости от станка.

Например, поворотный стол в оборудовании для контроля качества полупроводников может требовать чрезвычайно стабильного углового позиционирования и высокоскоростного сканирования. Многопозиционный поворотный стол в сборочном станке для 3C-оборудования может отдавать приоритет времени цикла, грузоподъемности и повторяемости. Система лазерной обработки может требовать непрерывного вращения и точного управления траекторией, в то время как станок с четвертой осью может отдавать приоритет жесткости, грузоподъемности и устойчивости к силам резания.

Все эти системы требуют вращательного движения, но для их работы не обязательно требуется одно и то же решение.

Поэтому первым шагом при выборе оси вращения должно быть определение полного профиля движения.

Конструктор оборудования должен понимать нагрузку, момент инерции, требуемый угол поворота, максимальную скорость, время разгона, время стабилизации и суточную наработку.

Как только эти параметры станут ясны, выбор между двигателем с прямым приводом и полой вращающейся платформой станет гораздо более осмысленным.

Когда приоритетом является высокая динамическая отдача, двигатель с прямым приводом имеет явное преимущество.

Основное преимущество двигателя с прямым приводом заключается в том, что двигатель напрямую соединен с нагрузкой.

Между двигателем и приводным элементом отсутствует коробка передач, зубчатый ремень или промежуточная зубчатая передача.

Данная архитектура особенно подходит для оборудования, где сама траектория движения имеет решающее значение.

Рассмотрим поворотный столик, которому необходимо многократно выполнять высокоскоростное сканирование:

Вращение, замедление, изменение направления и снова ускорение.

Чем короче путь механической передачи, тем более непосредственно система управления может воздействовать на нагрузку.

Для высокочастотного возвратно-поступательного движения двигатель с прямым приводом может уменьшить влияние механического люфта, упругой деформации и динамики передачи на управление движением.

Это одна из главных причин, по которой двигатели с прямым приводом рассматриваются для высокоточных поворотных осей с высокой динамикой.

Однако ценность двигателя с прямым приводом заключается не только в обеспечении «высокой точности».

Что еще более важно, это позволяет двигателю, энкодеру и нагрузке образовывать более прямую замкнутую систему управления движением.

Когда машине требуется непрерывное сканирование, высокоскоростная индексация или частое двунаправленное перемещение, такая архитектура может оказаться особенно ценной.

Когда важны большая инерция, жесткость и модульная интеграция, полая вращающаяся платформа может оказаться более подходящим вариантом.

Не каждая вращательная ось требует экстремальных динамических характеристик.

Многие автоматизированные машины выполняют относительно простую последовательность движений:

Заготовка поступает на станцию, поворачивается на заданный угол, останавливается, завершает сборку или проверку, а затем перемещается на следующую станцию.

В случае с оборудованием такого типа реальные требования могут быть следующими:

Большая грузоподъемность, высокая инерция, высокая жесткость, централизованная прокладка кабелей и сокращенное время разработки оборудования.

В подобных ситуациях более практичным решением может стать полая вращающаяся платформа.

Полая вращающаяся платформа обычно объединяет интерфейс двигателя, прецизионный редуктор, выходной подшипник и полую конструкцию в компактный модуль.

Вместо того чтобы проектировать все целиком:

• конструкция крепления двигателя

• механизм восстановления

• выходной подшипник

• вращающаяся опорная система

Производитель оборудования может выбрать подходящую платформу в соответствии с требуемой нагрузкой, скоростью, передаточным отношением и габаритами при установке.

Это особенно ценно для автоматизированного оборудования, которое необходимо воспроизводить в больших количествах.

Для производителей оборудования реальная проблема зачастую заключается не только в цене закупаемых компонентов, но и в следующем:

• время механического проектирования

• время сборки

• время ввода в эксплуатацию

• Окончательный срок поставки оборудования.

С этой точки зрения, полая вращающаяся платформа представляет собой, по сути, модульное решение для вращательного движения.

Не следует оценивать решение исключительно по его точности.

Одна из распространенных ошибок при выборе оси вращения — это предположение:

«Чем выше требования к точности, тем больше подходит двигатель с прямым приводом».

Это не всегда так.

Например, многопозиционной сборочной машине для 3C-печати может потребоваться поворачиваться в несколько положений и оставаться в стабильном положении на каждом из них.

Его реальные приоритеты могут быть следующими:

• повторяемость

• устойчивость нагрузки

• вращательная жесткость

• время цикла.

Если полая вращающаяся платформа уже соответствует этим требованиям, то, возможно, нет особого смысла усложнять систему просто для достижения более высоких теоретических динамических характеристик.

С другой стороны, если станку необходимо поддерживать высокоточное движение во время непрерывного вращения, например, при сканировании, визуальном контроле или лазерной обработке, архитектура прямого привода двигателя может предложить значительные преимущества.

Следовательно, вопрос выбора следует изменить следующим образом:

«Какой продукт обладает большей точностью?»

к:

"Вращательная ось в основном выполняет позиционирование или же обеспечивает непрерывное управление движением?"

Это принципиально разные требования к проектированию.

При вращательных нагрузках с высокой инерцией следует оценивать всю систему движения.

Предположим, автоматизированному станку необходимо перемещать относительно большой поворотный стол.

Сам стол может быть не очень тяжелым, но поскольку значительная часть массы расположена вдали от центра вращения, его момент инерции может стать существенным.

В данной ситуации одного лишь номинального крутящего момента двигателя недостаточно.

Оценивать систему следует по следующим критериям:

момент инерции нагрузки, ускорение, время ускорения и целевое время цикла.

Двигатель с прямым приводом должен создавать необходимый момент ускорения непосредственно, поэтому его габариты могут быстро увеличиваться по мере роста инерции нагрузки.

Полая вращающаяся платформа может использовать редукторный механизм для уменьшения инерции отраженной нагрузки на стороне двигателя при одновременном увеличении выходного крутящего момента.

Следовательно, для больших поворотных столов, тяжелых зажимных приспособлений и многопозиционных поворотных механизмов двигатель, редуктор, подшипниковая система и выходная конструкция должны рассматриваться как единая интегрированная система.

Это одна из причин, почему полые вращающиеся платформы остаются весьма конкурентоспособными во многих областях автоматизации.

Полая конструкция – это не просто удобная прокладка кабелей.

Полая структура вращающейся платформы иногда рассматривается как второстепенная особенность.

Однако в автоматизированном оборудовании это может напрямую влиять на общую механическую архитектуру.

Представьте себе вращающуюся платформу, которой необходимо выполнить маршрутизацию:

• силовые кабели

• кабели энкодера

• пневматические трубки

• вакуумные линии

• проводка датчика

При наличии цельного вращающегося вала эти линии, возможно, придется прокладывать снаружи.

Поскольку платформа постоянно вращается, могут потребоваться дополнительные компоненты, такие как кабельные каналы, поворотные соединения или механизмы защиты кабелей.

Полая конструкция позволяет этим линиям проходить через центр оси вращения.

Это позволяет уменьшить помехи от кабелей и сделать оборудование более компактным.

Таким образом, для многопозиционных поворотных столов, автоматизированного сборочного оборудования, контрольно-измерительных платформ и поворотных приспособлений полая конструкция — это не просто еще одна характеристика. Она может стать важным преимуществом в механической конструкции.

Выбор оптимального решения следует оценивать на протяжении всего жизненного цикла оборудования.

Если рассматривать только первоначальную стоимость покупки, то одно из решений может показаться менее затратным.

Однако для производителей оборудования более важным показателем является общая стоимость жизненного цикла.

Например, для проектирования бескаркасного двигателя с прямым приводом может потребоваться дополнительная инженерная работа:

• подшипниковая система

• опора ротора

• конструкция крепления энкодера

• механическая центровка.

Таким образом, первоначальные инвестиции в машиностроение могут быть выше.

Однако для оборудования массового производства такая архитектура может обеспечить достаточную производительность перемещения, чтобы оправдать дополнительные инженерные затраты.

С другой стороны, полая вращающаяся платформа может значительно сократить объем работ по механической разработке.

Стандартизированный модуль может сократить время проектирования, сборки и ввода в эксплуатацию.

Для производителя оборудования это значение может не отображаться напрямую в закупочной цене компонента. Вместо этого оно может отображаться следующим образом:

• более короткие циклы разработки

• более быстрая доставка

• снижение инженерных затрат.

Поэтому при реальном сравнении решений следует учитывать следующее:

Стоимость компонентов + Стоимость проектирования + Стоимость сборки + Стоимость ввода в эксплуатацию + Стоимость технического обслуживания

вместо того, чтобы просто сравнивать закупочные цены двух компонентов.

Для разных осей вращения могут использоваться разные решения.

В сложном станке не обязательно использовать одну и ту же технологию вращения для каждой оси.

Например, автоматизированная машина 3C может содержать:

высокоскоростная ось визуального сканирования, многопозиционная вращательная ось, ось точного позиционирования и несколько вспомогательных вращательных осей.

Эти оси предъявляют совершенно разные требования к перемещению.

Для высокоскоростной оси сканирования может быть полезно использование двигателя с прямым приводом.

Для привода стола с большой инерцией или многопозиционного индексирующего механизма лучше подойдет полая поворотная платформа, в которой вращается ось вращения.

Для роботизированного вращающегося шарнира, работающего в ограниченном монтажном пространстве, может потребоваться привод с гармоническим крутящим моментом или модуль гармонического шарнира для достижения высокого передаточного отношения и высокой плотности крутящего момента.

Для приводных осей, где необходимо найти баланс между эффективностью, скоростью и стоимостью, еще одним практичным вариантом может стать прецизионный планетарный редуктор в сочетании с серводвигателем.

Этот подход ближе к реальному проектированию машин.

Цель состоит не в том, чтобы использовать один продукт для каждой вращательной оси, а в том, чтобы выбрать наиболее подходящее решение для перемещения каждой оси в соответствии с условиями ее эксплуатации.

Выберите роторное решение, двигаясь в обратном порядке от требований к оборудованию.

Процесс отбора можно упростить, начав с нескольких основных вопросов.

Во-первых, требует ли оборудование прямого управления движением или увеличения крутящего момента за счет редуктора?

Если критически важны высокая динамическая отдача, непрерывное сканирование и быстрая реакция, следует рассмотреть возможность использования двигателя с прямым приводом.

Если для вас важнее высокий крутящий момент и большая грузоподъемность, то более подходящим вариантом может быть полая поворотная платформа.

Во-вторых, требуется ли для работы машины централизованная прокладка кабелей?

Если через ось вращения необходимо прокладывать пневматические трубки, кабели, вакуумные линии или датчики, то ценность полой конструкции значительно возрастает.

Во-третьих, имеет ли вращающаяся ось большую инерцию или внешнюю нагрузку?

Если система подвергается значительным радиальным нагрузкам, осевым нагрузкам или опрокидывающим моментам, необходимо тщательно оценить прочность подшипников и механическую жесткость выходного вала, а не ограничиваться только крутящим моментом двигателя.

Наконец, следует также учитывать собственные инженерные возможности производителя оборудования и требования к поставкам.

Если инженерной команде требуется высокоспециализированная поворотная ось, то безрамный двигатель с прямым приводом обеспечивает большую свободу для механической интеграции.

Если цель состоит в быстрой разработке стандартизированного оборудования, то полая вращающаяся платформа может значительно сократить объем работ по механическому проектированию и вводу в эксплуатацию.

Двигатель с прямым приводом, полая вращающаяся платформа и другие технологии могут сформировать комплексное решение для управления движением.

С точки зрения машиностроительных решений, двигатели с прямым приводом и полые вращающиеся платформы не следует рассматривать как отдельные продукты.

Они могут дополнять другие технологии управления движением.

Для высокоточных вращающихся осей с высокой динамикой прямой приводной двигатель может обеспечить непосредственное управление нагрузкой.

Для автоматизированных вращающихся механизмов, требующих высокой жесткости, большой инерционной способности и централизованной прокладки кабелей, полая вращающаяся платформа может обеспечить высокоинтегрированное решение.

Для роботизированных шарниров, требующих высокого передаточного отношения, высокой плотности крутящего момента и компактных размеров, более подходящими могут быть привод с гармоническим приводом или модуль гармонического шарнира.

Для трансмиссионных систем, требующих баланса между эффективностью, скоростью вращения на входе, крутящим моментом на выходе и стоимостью, прецизионный планетарный редуктор может стать еще одним практичным решением.

Вместе эти технологии образуют более широкую систему:

Решение для вращательного движения

а не просто набор отдельных компонентов.

Вывод: Единого оптимального решения для поворотной оси не существует.

Двигатели с прямым приводом и полые вращающиеся платформы не следует рассматривать просто как конкурирующие продукты.

Они решают различные инженерные задачи.

Двигатель с прямым приводом особенно подходит для вращающихся осей, где приоритет отдается прямому приводу, высокой динамической характеристике, непрерывному движению и точному управлению движением.

Полая вращающаяся платформа особенно подходит для автоматизированного оборудования, требующего увеличения крутящего момента, высокой жесткости, обработки больших инерционных нагрузок, централизованной прокладки кабелей и быстрой модульной интеграции.

В более сложных механизмах в одной системе могут использоваться двигатели с прямым приводом, полые вращающиеся платформы, гармонические вращательные актуаторы и прецизионные планетарные редукторы.

Следовательно, более полезным вопросом для инженера-оборудования является не:

«Что лучше: двигатель с прямым приводом или полая вращающаяся платформа?»

Более уместный вопрос:

«Какую именно проблему должна решать эта вращающаяся ось?»

Как только четко определены требования к нагрузке, инерции, скорости, точности, жесткости, времени цикла, монтажному пространству и прокладке кабеля, подобрать подходящее поворотное решение становится намного проще.

Именно на этом направлении компания HONPINE может сделать акцент в своем ассортименте продукции для систем привода: не просто поставлять отдельные компоненты трансмиссии, а помогать клиентам выбирать подходящее решение для вращательного движения в соответствии с фактическими условиями эксплуатации их оборудования.