Гармонический поворотный привод: встроенный или внешний драйвер — какой вариант подходит для вашего применения?

Введение

В роботизированных сочленениях, системах прецизионной автоматизации, оборудовании для производства полупроводников, поворотных осях станков с ЧПУ и высокоточных системах позиционирования гармонический поворотный привод становится всё более интегрированным решением для вращательного движения.

По сравнению с традиционной комбинацией серводвигателя, гармонического редуктора и внешнего привода, гармонический поворотный привод может интегрировать в более компактный узел такие функции, как двигатель, гармоническая передача, энкодер, подшипники и драйвер двигателя. Это позволяет упростить как механическую, так и электрическую конструкцию системы.

Однако при выборе гармонического поворотного привода инженеры часто сталкиваются с ещё одним важным вопросом: следует ли использовать встроенный или внешний драйвер?

Речь идёт не просто о выборе конфигурации с лучшими характеристиками. Эти две конфигурации предназначены для разных архитектур систем. Правильный выбор зависит от таких факторов, как монтажное пространство, прокладка кабелей, управление тепловыделением, архитектура управления, требования к техническому обслуживанию и особенности конкретного применения.

Две конфигурации привода для гармонических поворотных приводов

Гармонические поворотные приводы обычно подразделяются на две конфигурации в зависимости от расположения драйвера двигателя: со встроенным и внешним драйвером.

Гармонический поворотный привод со встроенным драйвером

В конфигурации со встроенным драйвером драйвер двигателя непосредственно интегрирован в привод.

Это позволяет объединить двигатель, гармоническую передачу, энкодер и драйвер в одном компактном узле, обеспечивая высокоинтегрированное решение для вращательного движения.

Такая конфигурация особенно подходит для применений, в которых критически важны монтажное пространство, прокладка кабелей и общая интеграция системы.

Типичные области применения включают сочленения гуманоидных роботов, коллаборативные роботы, компактные роботизированные манипуляторы, роботизированные сочленения в условиях ограниченного пространства и компактное автоматизированное оборудование.

Для производителей роботов основное преимущество заключается не только в устранении отдельного драйвера. Более важно то, что высокоинтегрированный привод может упростить механическую и электрическую конструкцию всего модуля сочленения.

Гармонический поворотный привод с внешним драйвером

В конфигурации с внешним драйвером драйвер устанавливается отдельно от привода.

Привод отвечает за механическую систему движения и обратную связь по положению, а драйвер двигателя располагается в другом месте машины или в шкафу управления.

Такая конфигурация обеспечивает большую гибкость при компоновке системы и построении электрической архитектуры.

В многоосевом автоматизированном оборудовании несколько драйверов можно устанавливать вместе в шкафу управления или электрическом корпусе, вместо того чтобы размещать силовую электронику внутри каждого механического привода.

Эта конфигурация особенно подходит для поворотных столов с ЧПУ, оборудования для производства полупроводников, прецизионных систем позиционирования, многоосевых автоматизированных систем и промышленных роботов.

Почему расположение драйвера важно для конструкции системы?

Для обычного двигателя расположение драйвера может выглядеть прежде всего как вопрос электрической конструкции.

Однако в гармоническом поворотном приводе интеграция драйвера может напрямую влиять на общий размер сочленения, схему прокладки кабелей, управление тепловыделением и архитектуру системы.

Поэтому выбор привода не следует основывать только на номинальном крутящем моменте.

Инженерам также следует учитывать монтажное пространство, прокладку кабелей, охлаждение драйвера, архитектуру управления, синхронизацию нескольких осей, требования к техническому обслуживанию, температуру окружающей среды, рабочую нагрузку, рабочий цикл и габариты привода.

Именно поэтому для одного и того же гармонического поворотного привода может требоваться разная конфигурация драйвера в зависимости от оборудования, в котором он устанавливается.

Когда встроенный драйвер является лучшим выбором?

Ограниченное пространство внутри роботизированного сочленения

Гуманоидные роботы, коллаборативные роботы и компактные роботизированные манипуляторы обычно имеют очень ограниченное пространство внутри сочленений.

При использовании традиционной конфигурации система должна вместить не только двигатель и гармоническую передачу, но также внешний драйвер и соответствующие электрические соединения.

Гармонический поворотный привод со встроенным драйвером позволяет интегрировать больше функций непосредственно в модуль сочленения, помогая уменьшить общее монтажное пространство.

Это особенно важно для гуманоидных роботов, поскольку каждое сочленение должно обеспечивать баланс между крутящим моментом, скоростью, размером, массой и сложностью прокладки кабелей.

Сложная внутренняя проводка робота

Роботы могут содержать большое количество независимо управляемых сочленений.

По мере увеличения числа степеней свободы управление соединениями двигателя, энкодера и драйвера может становиться всё более сложным.

Интеграция драйвера в привод позволяет упростить электрическую архитектуру каждого сочленения и уменьшить количество проводов, которые необходимо прокладывать через конструкцию робота.

Это может быть особенно ценно для гуманоидных роботов, коллаборативных роботов, шестиосевых роботизированных манипуляторов и других многошарнирных систем.

Высокий уровень интеграции сочленения

Если производитель роботов хочет использовать относительно готовый модуль привода роботизированного сочленения, вместо того чтобы отдельно интегрировать двигатель, гармонический редуктор, драйвер и энкодер, конфигурация со встроенным драйвером может стать эффективным решением.

Более высокая степень интеграции может сократить объём работ по интеграции системы и потенциально уменьшить цикл разработки роботизированных сочленений.

Когда внешний драйвер является лучшим выбором?

Централизованная архитектура управления

В промышленном автоматизированном оборудовании часто используется централизованный шкаф управления, в котором вместе устанавливается несколько сервоприводов.

Например, многоосевой станок может иметь несколько поворотных осей, управляемых независимыми приводами, расположенными в одном электрическом шкафу.

В такой архитектуре гармонический поворотный привод с внешним драйвером легче интегрировать в существующую автоматизированную систему.

Повышенные требования к управлению тепловыделением

Драйверы двигателей выделяют тепло во время работы.

Когда драйвер интегрирован в привод, система должна учитывать совокупную тепловую нагрузку, создаваемую двигателем и драйвером.

При использовании внешнего драйвера силовую электронику можно установить в корпус большего размера или в специально оборудованную охлаждаемую среду, что обеспечивает большую гибкость при управлении тепловыделением.

Это может быть преимуществом для оборудования, работающего непрерывно, работающего с высокими нагрузками, выполняющего частые ускорения и замедления или содержащего несколько осей.

Гибкое электрическое техническое обслуживание

Драйвер, установленный отдельно, можно проверять, обслуживать или заменять независимо от механического привода.

Для крупных промышленных автоматизированных систем такая модульная архитектура может сделать техническое обслуживание и поиск неисправностей более удобными.

Таким образом, более высокая степень интеграции не обязательно означает, что встроенный драйвер всегда является лучшим решением.

Для промышленного оборудования доступность обслуживания, компоновка шкафа управления и стандартизация электрической системы могут иметь не меньшее значение.

Встроенный или внешний драйвер: как сделать выбор?

Выбор следует делать на основе общей архитектуры системы, а не только самого привода.

Область применения или требование к конструкции Рекомендуемая конфигурация

Не существует единственной конфигурации, идеально подходящей для каждого применения.

Наиболее подходящий вариант следует определять с учётом механической конструкции, электрической архитектуры, тепловых условий и требований к движению всей машины.

Какие параметры следует учитывать при выборе гармонического поворотного привода?

Выходной крутящий момент и выходная скорость

Номинальный крутящий момент часто является первой характеристикой, которую рассматривают инженеры, однако его всегда следует оценивать вместе с выходной скоростью.

Роботизированным сочленениям обычно необходимо обеспечивать баланс между крутящим моментом и динамической характеристикой, тогда как высокоскоростные поворотные оси могут в большей степени ориентироваться на непрерывную работу на высокой скорости.

Поэтому привод следует выбирать на основе фактического профиля нагрузки, а не только максимального крутящего момента.

Передаточное отношение

Передаточное отношение влияет на выходной крутящий момент, выходную скорость, рабочие условия двигателя и динамическую характеристику.

Поэтому его следует выбирать с учётом требуемой рабочей точки двигателя и механической нагрузки.

Момент инерции нагрузки

Для роботизированных сочленений и высокоскоростных систем позиционирования момент инерции нагрузки напрямую влияет на крутящий момент, необходимый при ускорении и замедлении.

По этой причине момент инерции нагрузки при выборе привода может быть столь же важен, как и номинальный крутящий момент.

Конфигурация энкодера

Для высокоточного позиционирования инженерам следует учитывать разрешение энкодера, обратную связь в пределах одного или нескольких оборотов, обратную связь со стороны двигателя и обратную связь со стороны выхода в соответствии с требованиями применения.

Конфигурацию энкодера следует оценивать вместе с требуемой точностью позиционирования, повторяемостью, архитектурой управления и требованиями безопасности.

Рабочий цикл и тепловые условия

Тепловая нагрузка привода может существенно различаться при непрерывной работе и кратковременной работе с пиковой нагрузкой.

Поэтому при фактическом выборе необходимо одновременно учитывать рабочий цикл, продолжительный крутящий момент, пиковый крутящий момент, рабочую скорость и температуру окружающей среды.

Это особенно важно для компактных интегрированных приводов, поскольку двигатель и драйвер могут занимать одно и то же ограниченное монтажное пространство.

Как выбрать подходящую конфигурацию привода для различных применений?

Гуманоидные роботы и компактные роботизированные сочленения

Для гуманоидных роботов и компактных роботизированных сочленений монтажное пространство и прокладка кабелей часто являются основными конструктивными ограничениями.

Гармонический поворотный привод со встроенным драйвером может обеспечить высокоинтегрированное решение для сочленения и помочь уменьшить пространство, необходимое для внешней силовой электроники.

Коллаборативные роботы и роботизированные манипуляторы

Коллаборативным роботам и компактным роботизированным манипуляторам требуется сочетание высокой плотности крутящего момента, точного позиционирования, компактных габаритов и эффективной интеграции системы.

Конфигурация со встроенным драйвером может быть особенно привлекательной, если привод необходимо непосредственно интегрировать в компактный модуль сочленения.

Поворотные столы с ЧПУ

Поворотные столы с ЧПУ часто работают как часть централизованной архитектуры управления станком.

В таких применениях внешний драйвер может обеспечить большую гибкость при интеграции в шкаф управления, управлении тепловыделением и техническом обслуживании электрической системы.

Оборудование для производства полупроводников

Оборудование для производства полупроводников обычно требует высокой точности позиционирования, стабильной работы, компактной механической конструкции и контролируемых тепловых условий.

Поэтому выбор между встроенным и внешним драйвером следует делать с учётом доступного монтажного пространства оборудования, архитектуры управления, рабочего цикла и требований к тепловому режиму.

Многоосевые автоматизированные системы

Для многоосевых станков электрическая архитектура становится всё более важной по мере увеличения количества приводов.

Конфигурация с внешним драйвером может быть выгодна, когда несколько приводов необходимо централизованно разместить и управлять ими в рамках общей системы управления.

Почему важен выбор на основе конкретного применения？

Практический процесс выбора гармонического поворотного привода следует начинать с требований конкретного применения.

Сначала инженерам следует определить механические требования, включая нагрузку, скорость, крутящий момент, момент инерции, рабочий цикл и ограничения по монтажу. Затем подходящую конфигурацию привода можно выбрать в соответствии с электрической архитектурой и тепловыми условиями машины.

Только после определения этих факторов следует окончательно выбирать типоразмер привода, конфигурацию энкодера, интерфейс связи и другие характеристики.

Цель заключается не просто в выборе гармонического поворотного привода с максимально высоким номинальным крутящим моментом.

Для компактных роботизированных сочленений встроенный драйвер может обеспечить преимущества с точки зрения интеграции, прокладки кабелей и использования пространства.

Для промышленного автоматизированного оборудования с централизованными системами управления внешний драйвер может обеспечить большую гибкость при электрической интеграции, охлаждении и техническом обслуживании.

Решения HONPINE с гармоническими поворотными приводами

HONPINE предлагает две конфигурации гармонических поворотных приводов для различных требований к механическим и электрическим системам: гармонические поворотные приводы со встроенными драйверами и гармонические поворотные приводы с внешними драйверами.

Эти две конфигурации позволяют разработчикам оборудования выбирать архитектуру привода с учётом требований всей машины, а не ограничиваться одной конфигурацией привода.

Для роботов и высокоинтегрированных модулей движения конфигурация со встроенным драйвером может помочь уменьшить монтажное пространство и упростить прокладку кабелей.

Для систем ЧПУ, оборудования для производства полупроводников, многоосевой автоматизации и машин с централизованной архитектурой управления конфигурация с внешним драйвером может обеспечить большую гибкость при электрической интеграции и управлении тепловыделением.

В конечном счёте цель заключается не в том, чтобы определить, является ли встроенный или внешний драйвер универсально лучшим. Правильным выбором будет конфигурация, которая наилучшим образом соответствует механической конструкции, электрической архитектуре, тепловым условиям и требованиям к движению конкретного применения.