Когда инженеры ищут гармонический поворотный привод для высокоточного позиционирования, первый вопрос часто бывает простым: насколько точен этот привод?
Однако точность позиционирования нельзя определить, опираясь только на одну характеристику.
В гармоническом поворотном приводе могут использоваться высокоточный гармонический редуктор, высокоточный энкодер и высокопроизводительный серводвигатель, но конечный результат позиционирования машины по-прежнему зависит от того, как эти компоненты взаимодействуют друг с другом. На конечное положение груза могут влиять погрешность передачи редуктора, люфт, жесткость на кручение, обратная связь энкодера, опора подшипников, инерция нагрузки, параметры управления и внешние возмущения.
Это особенно важно в таких областях применения, как полупроводниковое оборудование, прецизионная автоматизация, шарниры роботов, оптические системы выравнивания, поворотные оси станков с ЧПУ, лазерное обрабатывающее оборудование и автоматизированные контрольно-измерительные машины. В этих областях вопрос заключается не просто в том, может ли привод повернуться на заданный угол. Реальное требование состоит в том, может ли нагрузка многократно достигать требуемого положения в реальных условиях эксплуатации.
Именно поэтому выбор гармонического поворотного привода для высокоточного позиционирования следует рассматривать как инженерное решение на системном уровне, а не как сравнение характеристик отдельных изделий.
В этой статье объясняется, что на самом деле определяет точность позиционирования, почему точность некоторых машин снижается после установки и как инженеры могут выбрать платформу гармонического поворотного привода, соответствующую их фактическим требованиям к позиционированию.
Технология гармонических передач широко используется в прецизионном вращательном движении, поскольку она обеспечивает высокие передаточные числа, компактные размеры и чрезвычайно малый люфт.
Однако прежде всего следует прояснить одно распространенное заблуждение.
Не следует автоматически описывать редуктор гармоник как устройство с абсолютно нулевым люфтом.
В инженерной практике гармонические редукторы лучше описывать как имеющие практически нулевой или чрезвычайно малый люфт. Допуски при производстве, условия сборки, упругая деформация и рабочая нагрузка — все это может влиять на фактическое поведение передачи. Некоторые поставщики используют термин «нулевой люфт» в маркетинговых целях, но это не следует интерпретировать как математически нулевое отклонение позиционирования выходной системы при любых условиях эксплуатации.
Что еще более важно, даже если редуктор не имеет измеримого механического люфта, вся вращательная система все равно может испытывать ошибку позиционирования.
Например, исполнительный механизм может достигать правильного теоретического угла поворота в соответствии с показаниями энкодера на стороне двигателя, в то время как фактическое положение нагрузки зависит от деформации кручения, прогиба подшипников или гибкости конструкции. Это означает, что машина может иметь отличные характеристики редуктора, но при этом создавать ошибки позиционирования на концевом захвате.
Поэтому инженерам, оценивающим гармонический поворотный привод для высокоточного позиционирования, необходимо не ограничиваться анализом люфта, а понимать всю цепочку движения.
Основная цель прецизионного поворотного привода — уменьшить разницу между заданным положением и фактическим выходным положением.
В простой системе контроллер посылает команду на движение, сервопривод генерирует крутящий момент двигателя, двигатель вращается, гармонический преобразователь уменьшает скорость и увеличивает выходной крутящий момент, а конечная выходная конструкция перемещает нагрузку.
На каждом этапе могут возникнуть ошибки.
Энкодер двигателя может точно измерять вращение, но в трансмиссии может происходить упругая деформация. Редуктор может иметь очень малый люфт, но выходной подшипник может прогибаться под эксцентрической нагрузкой. Сам привод может обладать отличной точностью позиционирования, но внешняя механическая конструкция может вибрировать или скручиваться.
В результате, высокоточная позиционирование обычно определяется совокупной эффективностью нескольких факторов, включая точность передачи, характеристики люфта, жесткость на кручение, разрешение и точность энкодера, характеристики контура управления, опору подшипников, условия нагрузки и качество механической установки.
Именно поэтому две машины, использующие один и тот же гармонический поворотный привод, могут достигать разных результатов позиционирования.
Исполнительный механизм является частью системы позиционирования, но конструкция машины определяет, какая часть теоретических характеристик исполнительного механизма может быть фактически применена в конкретном приложении.
Хотя точность позиционирования является результатом работы всей системы, редуктор гармоник остается одним из важнейших механических компонентов в прецизионном поворотном приводе.
Редуктор определяет, как движение двигателя передается на выход.
Высококачественная гармоническая передача может обеспечить компактную конструкцию с высоким передаточным отношением, одновременно уменьшая механический люфт, который в противном случае возник бы при изменении направления движения. Это особенно ценно в приложениях, связанных с многократным индексированием, перемещением на короткие углы, двунаправленным позиционированием и частыми остановками и запусками.
Однако инженерам следует различать несколько разных понятий.
Люфт описывает механическую потерю движения при изменении направления вращения. Точность позиционирования описывает, насколько точно выходной сигнал достигает заданного положения. Повторная точность позиционирования описывает, насколько стабильно система может возвращаться в одно и то же положение на протяжении нескольких циклов.
Эти характеристики взаимосвязаны, но не идентичны.
Система может обладать превосходной точностью позиционирования, поскольку она постоянно останавливается практически в одном и том же месте, в то время как на ее абсолютную точность позиционирования влияют погрешности передачи или смещение энкодера. Аналогично, редуктор может иметь чрезвычайно малый люфт, в то время как машина все еще испытывает отклонение положения под изменяющимися нагрузками из-за упругой деформации.
Поэтому для приложений, требующих высокоточной двунаправленной позиционирования, инженерам следует учитывать все аспекты передачи данных, а не сосредотачиваться только на одном утверждении — «нулевом люфте».
Во многих высокоточных приложениях с высокими нагрузками наибольшая проблема позиционирования возникает не из-за традиционного механического люфта.
Это происходит из-за деформации.
При приложении крутящего момента к вращающейся системе вал двигателя, компоненты редуктора, выходная конструкция и рама машины могут подвергаться упругой деформации. Если система недостаточно жесткая, заданное положение и фактическое положение нагрузки могут временно отличаться.
Это становится особенно важным, когда применение предполагает резкое ускорение, частые изменения направления движения или значительные колебания крутящего момента нагрузки.
Рассмотрим роботизированную руку, несущую изменяющийся груз. Исполнительный механизм может получать одну и ту же команду позиционирования при двух разных нагрузках, но механическая деформация шарнира может быть различной. В результате фактическое выходное положение может изменяться, даже если система управления работает в обычном режиме.
Аналогичная проблема может возникнуть в полупроводниковом оборудовании, системах точной обработки грузов и крупных оптических позиционирующих платформах. Исполнительный механизм может обеспечивать превосходные характеристики без нагрузки, но реальная точность работы зависит от того, как вся конструкция реагирует под нагрузкой.
По этой причине жесткость на кручение является важным параметром выбора гармонического поворотного привода, используемого в высокоточном позиционировании.
Повышенная жесткость помогает уменьшить угловую деформацию под действием крутящего момента, улучшая соответствие между выходным положением привода и фактическим положением нагрузки.
Именно поэтому высокоточное позиционирование никогда не следует оценивать только в условиях отсутствия нагрузки.
Сервосистема не может точно исправить ошибку, которую она не может обнаружить.
Таким образом, энкодер играет центральную роль в точном позиционировании.
Энкодер преобразует механическое движение в информацию обратной связи, которую контроллер использует для замыкания контура позиционирования. Однако местоположение энкодера зачастую так же важно, как и его разрешение.
Энкодер со стороны двигателя измеряет положение двигателя. Затем контроллер вычисляет теоретическое выходное положение на основе передаточного отношения.
Этот подход эффективно работает во многих областях применения, особенно когда система передачи достаточно жесткая, а требования к позиционированию умеренные.
Однако фактическое положение выходного вала может отличаться от теоретического положения, если в трансмиссии происходит упругая деформация, имеется крайне малый, но ненулевой люфт, структурная податливость или возмущение нагрузки.
Для приложений с более высокими характеристиками дополнительные преимущества могут обеспечить обратная связь на выходе или архитектура с двумя энкодерами.
В системе с двумя энкодерами один энкодер может использоваться для обратной связи со стороны двигателя, а другой — для контроля фактического положения выходного сигнала. Разница между этими двумя сигналами обратной связи может предоставить полезную информацию о деформации трансмиссии и механической податливости.
Это особенно ценно для двигателей шарниров роботов, работающих в условиях изменяющейся полезной нагрузки и динамического движения.
Важно отметить, что система с двумя энкодерами не устраняет волшебным образом все механические ошибки. Вместо этого она предоставляет системе управления более точную информацию о том, что на самом деле происходит между двигателем и выходным сигналом.
Для высокоточного позиционирования с помощью гармонического поворотного привода следует выбирать правильную архитектуру энкодера в соответствии с областью применения, а не просто выбирать энкодер с максимально доступным разрешением.
Технические характеристики энкодера иногда неправильно понимаются при выборе исполнительного механизма.
Энкодер высокого разрешения может разделить один оборот на очень большое количество приращений измерения. Это улучшает способность контроллера обнаруживать малые изменения положения.
Однако разрешение — это не то же самое, что точность.
Теоретически энкодер может обеспечивать чрезвычайно точные приращения положения, в то время как вся механическая система по-прежнему испытывает ошибки позиционирования, вызванные эксцентриситетом установки, колебаниями температуры, магнитными помехами, структурной деформацией или ошибками передачи.
По этой причине инженерам следует учитывать несколько характеристик в совокупности, включая точность энкодера, повторяемость, стабильность в условиях окружающей среды, способ установки и совместимость с системой управления.
В шарнирных соединениях роботов и оборудовании промышленной автоматизации точность позиционирования зависит от того, насколько надежной остается информация обратной связи в процессе реальной эксплуатации.
Энкодер высокого разрешения, установленный в нестабильной механической среде, может не обеспечить лучшую производительность машины, чем энкодер с несколько меньшим разрешением, интегрированный в более стабильную систему.
Цель инженера состоит не в том, чтобы выбрать энкодер с наибольшим числом в технической спецификации. Цель состоит в том, чтобы выбрать систему обратной связи, которая предоставляет надежную информацию для требуемой задачи перемещения.
Это различие особенно важно при выборе поворотного привода.
Точность позиционирования описывает, насколько стабильно исполнительный механизм может возвращаться в одно и то же положение после многократных перемещений. Это чрезвычайно важно в автоматизированном производственном оборудовании, где один и тот же цикл движения повторяется тысячи или миллионы раз.
Абсолютная точность позиционирования описывает, насколько близко фактическое положение выходного сигнала находится к заданной цели.
Автоматизированная сборочная машина может требовать исключительной повторяемости, поскольку она непрерывно выполняет одну и ту же операцию индексации. Оптическая система калибровки может уделять больше внимания абсолютной точности позиционирования, поскольку каждый заданный угол должен точно соответствовать фактическому физическому углу.
Таким образом, выбор гармонического поворотного привода для высокоточного позиционирования должен осуществляться в соответствии с преобладающей требуемой погрешностью в конкретном применении.
Если станок многократно возвращается в несколько фиксированных положений, первостепенное значение может иметь повторяемость результатов. Если же станок следует нескольким запрограммированным углам или выполняет высокоточное сканирование, абсолютная точность и качество калибровки могут стать более важными.
Понимание этой разницы может предотвратить излишнюю избыточность технических характеристик и помочь инженерам выбрать более экономичное решение в области исполнительных механизмов.
Исполнительный механизм, идеально работающий с небольшой нагрузкой, может вести себя совершенно иначе при подключении к крупной вращающейся конструкции.
Инерция нагрузки напрямую влияет на ускорение, замедление и устойчивость управления.
Если инерция нагрузки слишком велика по сравнению с расчетным рабочим диапазоном привода, быстрое движение может привести к перерегулированию, вибрации и увеличению времени стабилизации. Привод в конечном итоге может достичь заданного положения, но время, необходимое для стабилизации, может стать неприемлемым для высокоскоростного производства.
Это особенно актуально для полупроводникового оборудования, механизмов индексации ЧПУ, роботизированных манипуляторов и автоматизированных платформ контроля качества.
Поэтому при оценке гармонического поворотного привода следует учитывать фактическую инерцию нагрузки, центр тяжести и требуемый профиль ускорения.
Лучший исполнительный механизм — это не обязательно тот, который обладает наибольшим крутящим моментом.
Использование привода слишком больших размеров может увеличить вес и стоимость, в то время как привод, выбранный только исходя из номинального крутящего момента, может не обеспечить желаемую динамическую реакцию.
Для высокоточной установки положения инженерам следует оценить полную взаимосвязь между выходным крутящим моментом, инерцией нагрузки, требованиями к ускорению и необходимым временем установления.
Система выходных подшипников играет важную роль в преобразовании характеристик привода в характеристики машины.
Даже если двигатель и гармонический редуктор обеспечивают превосходный контроль вращения, внешние радиальные нагрузки, осевые нагрузки и опрокидывающие моменты могут вызывать механические деформации.
Это особенно важно, когда нагрузка установлена вдали от центральной оси привода.
Длинное звено робота, крупногабаритное приспособление или эксцентричная заготовка могут создавать значительные опрокидывающие моменты. Если несущая конструкция недостаточно жесткая, выходной угол может незначительно изменяться под нагрузкой.
При работе с тяжелыми элементами или большими внешними нагрузками инженерам следует оценивать не только выходной крутящий момент, но и способность привода выдерживать требуемые механические нагрузки.
Процесс выбора должен учитывать фактическую конструкцию крепления, центр тяжести нагрузки и ожидаемые эксплуатационные нагрузки.
Именно поэтому исполнительный механизм, выбранный для легкой оптической платформы, может оказаться непригодным для тяжелого роботизированного шарнира, даже если требуемый крутящий момент кажется схожим.
Один лишь крутящий момент не описывает всех механических требований.
Механическая точность создает потенциал. Настройка управления определяет, насколько эффективно этот потенциал будет использован.
Гармонический поворотный привод может обладать высокой жесткостью, отличной обратной связью и прецизионной системой передачи, но плохая настройка сервопривода все равно может привести к перерегулированию, колебаниям или медленному установлению.
Для высокоточной позиционирования система управления должна обеспечивать баланс между скоростью реакции и стабильностью.
Увеличение коэффициента усиления контура управления может улучшить отклик в некоторых условиях, но чрезмерное усиление может вызвать вибрацию. Интенсивная фильтрация может улучшить стабильность, но может снизить динамический отклик.
Оптимальное решение зависит от механических характеристик конкретного применения.
Например, для легкого роботизированного шарнира могут потребоваться параметры управления, отличные от параметров оси для перемещения полупроводников с высокой инерцией. Гибкая конструкция машины может потребовать иной стратегии управления, чем высокоточная платформа позиционирования с жесткими стенками.
Это еще одна причина, по которой интегрированные платформы исполнительных механизмов приобретают все большее значение.
Когда двигатель, трансмиссия, энкодер и система привода проектируются как единое целое, инженеры могут сократить объем необходимых испытаний на совместимость между независимыми компонентами.
Одна из наиболее распространенных инженерных проблем заключается в том, что при инвестировании в высокоточный привод происходит потеря его производительности из-за особенностей внешней механической конструкции.
Исполнительный механизм может быть установлен на тонкой монтажной пластине. Нагрузка может поддерживаться гибким кронштеном. Крепежные поверхности могут быть недостаточно плоскими. Прокладка кабелей может создавать внешние нагрузки на подвижную конструкцию.
В подобных ситуациях улучшение технических характеристик исполнительного механизма может не решить саму проблему.
Ошибка позиционирования теперь возникает не столько из-за неисправности исполнительного механизма.
Звук исходит от машины.
По этой причине необходимо обеспечить высокоточное позиционирование от выходного сигнала привода до конечной рабочей точки. Инженеры должны учитывать жесткость монтажных соединений, геометрию соединительных компонентов и расстояние между приводом и конечной нагрузкой.
Компактный и высокоинтегрированный исполнительный механизм может помочь упростить эту проблему, уменьшив количество отдельных механических интерфейсов в цепи управления движением.
Традиционные поворотные системы часто объединяют в себе отдельный серводвигатель, редуктор, муфту, энкодер и внешние компоненты привода.
Такая архитектура обеспечивает гибкость, но каждый дополнительный механический и электрический интерфейс влечет за собой дополнительные работы по интеграции.
Необходимо контролировать выравнивание. Необходимо выбрать соответствующие муфты. Необходимо подключить системы обратной связи. Необходимо проложить кабели. Необходимо настроить связь.
Для высокоточной позиционирования эти этапы интеграции могут повлиять на конечный результат работы системы.
Интегрированный гармонический поворотный привод объединяет ключевые компоненты вращательного движения в более компактную платформу, что помогает снизить сложность интеграции системы.
Для производителей оборудования это может предоставить ряд преимуществ.
Общая механическая архитектура может стать более компактной. Количество интерфейсов компонентов может быть уменьшено. Электрическая интеграция может быть упрощена. Привод может быть проще установлен в шарнир робота или систему точной автоматизации.
Это одна из причин, по которой технология интегрированных исполнительных механизмов все чаще используется в новых архитектурах роботов и компактном автоматизированном оборудовании.
В компании HONPINE разрабатываются различные интегрированные платформы приводов для разных задач, что позволяет инженерам выбирать решения, основываясь на таких факторах, как крутящий момент, уровень интеграции, архитектура связи, требования к полым валам и условия механической установки, вместо того, чтобы рассматривать каждый робот или проект автоматизации одинаково.
При поиске полого гармонического поворотного актуатора инженеры часто сосредотачиваются на прокладке кабелей.
Это, безусловно, важное преимущество.
Силовые кабели, кабели энкодера, линии связи, пневматические линии или другие компоненты потенциально могут проходить через центр привода, а не вокруг вращающейся конструкции.
Однако инженерная ценность может выходить за рамки просто более аккуратного внешнего вида.
Внешняя прокладка кабелей может влиять на движение робота, создавать дополнительные изгибающие напряжения и вызывать проблемы с укладкой кабелей во время непрерывного вращения.
Конструкция с полым валом позволяет создать более компактную вращающуюся систему и уменьшить сложность окружающей механической конструкции.
В случае шарнирных соединений роботов это может быть особенно ценно, поскольку прокладка кабелей часто становится сложнее по мере увеличения количества шарниров.
В высокоточном позиционирующем оборудовании внутренняя трассировка также может помочь упростить общую конструкцию машины и уменьшить внешние помехи вокруг оси вращения.
Процесс выбора следует начинать с определения области применения, а не с каталога исполнительных механизмов.
Сначала определите реальные требования к позиционированию. Выясните, в чем в первую очередь важна для приложения абсолютная точность позиционирования, точность повторного позиционирования, время стабилизации или стабильность траектории.
Затем оцените механическую нагрузку. При этом следует учитывать не только требуемый крутящий момент, но и момент инерции нагрузки, радиальную нагрузку, осевую нагрузку и опрокидывающий момент.
Далее рассмотрим профиль движения. Частое позиционирование под небольшим углом, непрерывное вращение, высокоскоростная индексация и быстрое двунаправленное движение могут предъявлять совершенно разные требования.
Архитектура обратной связи должна соответствовать требуемому уровню производительности. Для многих применений может быть достаточно энкодера со стороны двигателя, в то время как архитектура с обратной связью по выходу или с двумя энкодерами может обеспечить преимущества там, где деформация нагрузки и податливость трансмиссии оказывают существенное влияние.
Наконец, оцените всю конструкцию машины.
Исполнительный механизм не следует выбирать в качестве изолированного компонента. Его крепление, подключение нагрузки и окружающая механическая конструкция являются частью системы позиционирования.
Такой подход, ориентированный на поиск решений, обычно более эффективен, чем простое сравнение максимального крутящего момента, передаточного отношения или количества бит энкодера.
Гармонический поворотный привод для высокоточного позиционирования может использоваться во многих типах оборудования, но инженерные требования различаются в зависимости от конкретного применения.
В оборудовании для производства полупроводников основное внимание может уделяться компактности установки, плавному движению на низких скоростях и высокой повторяемости позиционирования для обработки, контроля или прецизионной обработки пластин.
В оборудовании для промышленной автоматизации основным требованием может быть надежная многократная индексация в процессе непрерывного производства.
В роботизированных суставах приводу может потребоваться обеспечить баланс между плотностью крутящего момента, компактными размерами, возможностью обратной связи и динамическим откликом.
В системах оптической юстировки особенно важны плавность хода на низких скоростях и точный угловой контроль.
В оборудовании с ЧПУ и лазерной обработкой точность позиционирования должна учитываться в совокупности с жесткостью станка, уровнем вибрации и требованиями технологического процесса.
Именно поэтому не существует единого «лучшего» гармонического поворотного актуатора.
Правильное решение зависит от того, чего именно должна достичь машина.
Рынок высокоточной автоматизации постепенно отходит от простого компонентного подхода.
Инженерам все чаще требуются решения в области управления движением, которые сокращают время разработки, обеспечивая при этом предсказуемую производительность системы.
В случае с высокоточным оборудованием вопрос должен звучать не только так: «Какой редуктор крутильных колебаний обладает наилучшими техническими характеристиками?»
Более уместный вопрос: «Какая архитектура исполнительного механизма позволяет всей машине достичь требуемой точности позиционирования?»
Этот сдвиг особенно важен для производителей роботов.
Современные конструкции роботов должны обеспечивать баланс между точностью, плотностью крутящего момента, весом, прокладкой кабелей, связью, датчиками и технологичностью производства. Выбор отдельных компонентов по отдельности может увеличить сложность разработки и создать дополнительные риски интеграции.
Интегрированные решения, включающие модули гармонических шарниров, модули планетарных шарниров и другие платформы двигателей для шарниров роботов, позволяют производителям выбирать различные архитектуры привода в соответствии с требованиями различных шарниров.
Для высокоточного запястья робота не обязательно требуется та же архитектура привода, что и для шарнирного соединения с высоким крутящим моментом. Компактный робот специального назначения может предъявлять совершенно иные требования, чем крупный промышленный манипулятор.
Таким образом, будущее проектирования высокоточных систем управления движением заключается не в выборе одной технологии для каждого применения.
Речь идёт о выборе правильной архитектуры шарнира и привода для решения реальной механической задачи.
Оценивать гармонический поворотный привод для высокоточного позиционирования следует исключительно на основе одной технической характеристики.
Низкий люфт важен, но редукторы крутильных колебаний следует реалистично описывать как устройства, обеспечивающие практически нулевой или чрезвычайно низкий люфт, а не абсолютный нулевой люфт при всех условиях эксплуатации. На точность позиционирования также влияют погрешность передачи, жесткость на кручение, обратная связь энкодера, опора подшипников, инерция нагрузки, настройка системы управления и механическая конструкция, окружающая исполнительный механизм.
Таким образом, наилучшим решением является сбалансированное решение.
Для некоторых применений может быть достаточно высокоточного гармонического поворотного привода с обратной связью со стороны двигателя. Для более требовательных роботизированных или прецизионных автоматизированных систем обратная связь на выходе или архитектура с двумя энкодерами могут обеспечить лучший контроль реального положения нагрузки. Для компактных машин интегрированные конструкции приводов с полым валом могут еще больше упростить механическую и электрическую интеграцию.
В компании HONPINE цель состоит не просто в том, чтобы предоставить гармонический поворотный привод с впечатляющими индивидуальными характеристиками. Более важная задача — помочь производителям оборудования выбрать архитектуру привода, которая соответствует фактическим требованиям к позиционированию, нагрузке, интеграции и управлению их машин.
Потому что при высокоточной передаче движений производительность определяется не только самим приводом.
Вся система это делает.
Подробнее
Узнайте больше о истории HONPINE и тенденциях в области точных передач.
Двойной щелчок
Мы предлагаем гармоничные редукторы, планетарные редукторы, моторы для роботизированных суставов, поворотные приводы для роботов, RV-редукторы, конечные эффекторы для роботов, ловкие роботизированные руки