Как выбрать волновой редуктор: 9 ключевых факторов, которые необходимо знать

Здравствуйте! Меня зовут Теодор Ли, я технический директор HONPINE.

В предыдущих статьях я рассматривал различные аспектывыбора гармонического редуктора, в том числе способы расчёта передаточного отношения. Однако для правильного выбора гармонического редуктора недостаточно определить передаточное отношение или сравнить значения крутящего момента.

Гармонический редуктор состоит из трёх основных компонентов: генератора волн, гибкого колеса и жёсткого колеса. Надёжный процесс выбора начинается с подбора редуктора с учётом области применения и динамики нагрузки, после чего проверяются допустимый крутящий момент, срок службы, ограничения по монтажу, точность позиционирования и условия эксплуатации.

При выборе гармонического редуктора инженерам не следует ориентироваться только на крутящий момент. Необходимо оценить условия применения, передаточное отношение, входную скорость, требования к крутящему моменту, внешние нагрузки, точность позиционирования, интерфейс двигателя, монтажное пространство и условия эксплуатации.

В этой статье рассматриваются 9 ключевых факторов, которые необходимо учитывать при выборе гармонического редуктора, а также приводится практический порядок выбора для роботов, поворотных столов с сервоприводом, роботизированных шарниров и автоматизированного оборудования.

Прежде чем начать, запомните один важный принцип:

Гармонический редуктор не следует выбирать, ориентируясь только на номинальный крутящий момент. Часто причиной отказа становятся ударные нагрузки, несогласованность инерционных характеристик и опрокидывающие моменты.

Во многих случаях редуктор выходит из строя не из-за превышения допустимого значения длительного крутящего момента. Причиной отказа становятся чрезмерные ударные нагрузки, опрокидывающие моменты или плохое согласование инерционных характеристик.

1. Определите область применения

Область применения — отправная точка при выборе гармонического редуктора. Она напрямую влияет на требуемый коэффициент запаса, уровень точности, смазку, защиту от внешних воздействий и срок службы.

Шарниры гуманоидных роботов и коллаборативные роботы

Для таких применений обычно характерны частые пуски и остановки, возвратно-поступательное движение, низкая скорость и высокие требования к динамическим характеристикам. Как правило, необходимы малый люфт, облегчённая конструкция и встроенные опорные подшипники.

Часто рекомендуется относительно высокий коэффициент запаса, обычно от 1.5 до 2.0. Ключевые факторы — усталостный ресурс, микровибрации и стабильность люфта при длительной эксплуатации.

Поворотные столы для перемещения и контроля полупроводниковых пластин

Такие применения требуют высокой точности позиционирования, низкого уровня образования частиц, чистой рабочей среды и плавного движения на низкой скорости.

Приоритет следует отдавать низкому люфту, малым колебаниям крутящего момента и смазке, совместимой с вакуумной средой или чистыми помещениями.

Сервоприводные индексные столы и системы поворота оснастки

Такие системы обычно работают в прерывистом режиме и могут подвергаться ударным нагрузкам. Поэтому необходимо тщательно проверять пиковый крутящий момент и крутящий момент при ударной нагрузке.

Подвесы и электрооптические полезные нагрузки

Такие системы обычно работают на низких скоростях, и на их характеристики существенно влияет инерция нагрузки. Потерянный ход и момент трения особенно важны при выборе.

2. Выберите подходящее передаточное отношение

К распространённым передаточным отношениям гармонических редукторов относятся 50:1, 80:1, 100:1, 120:1 и 160:1. Для некоторых моделей также доступны значения, например 30:1 или 200:1.

В отличие от некоторых других зубчатых передач, передаточное отношение гармонического редуктора нельзя выбирать произвольно: оно ограничено профилем зубьев и конструкцией редуктора.

В традиционной конструкции гармонической передачи, где генератор волн является входным звеном, передаточное отношение можно выразить формулой:

Передаточное отношение = число зубьев гибкого колеса ÷ (число зубьев жёсткого колеса − число зубьев гибкого колеса)

Начните с выходной скорости и скорости двигателя

Для определения начального передаточного отношения следует использовать требуемую выходную скорость и номинальную скорость двигателя.

Учитывайте согласование инерционных характеристик

При увеличении передаточного отношения инерция нагрузки, приведённая к валу двигателя, уменьшается. Поэтому более высокое передаточное отношение может упростить согласование инерционных характеристик двигателя и нагрузки.

При одинаковом выходном крутящем моменте более высокое передаточное отношение также снижает требуемый входной крутящий момент. Кроме того, угловая погрешность, приведённая к стороне двигателя, уменьшается пропорционально передаточному отношению.

Однако у более высокого передаточного отношения есть и недостатки. Оно может снизить максимально доступную выходную скорость и повлиять на динамический отклик системы.

Проверьте максимальную входную скорость

Максимально допустимая входная скорость гармонического редуктора ограничена характеристиками генератора волн и гибкого подшипника.

У некоторых моделей с более высоким передаточным отношением максимально допустимая входная скорость может быть ниже. Поэтому скорость двигателя нельзя рассматривать отдельно от характеристик редуктора.

Не выбирайте просто максимально возможное передаточное отношение. Если для применения требуется высокая выходная скорость, скорость двигателя может превысить максимально допустимую входную скорость гармонического редуктора.

3. Проверьте входную скорость

Входная скорость — это скорость вращения генератора волн, то есть скорость со стороны двигателя. Это не выходная скорость редуктора.

В каталогах продукции обычно указываются два важных значения:

Номинальная длительная входная скорость: рекомендуемая скорость для длительной непрерывной работы при соблюдении установленного срока службы и температурных ограничений.

Максимальная кратковременная входная скорость: максимальная скорость, допустимая в течение короткого времени. Она не предназначена для непрерывной работы.

Учитывайте повышение температуры

Длительная работа на высокой скорости может ускорить старение гибкого подшипника и смазочного материала. Чрезмерное повышение температуры может значительно сократить срок службы гармонического редуктора.

Не используйте пиковую скорость для непрерывной работы

Это особенно важно для систем с возвратно-поступательным движением, где многократные разгоны и торможения могут приводить к значительному нагреву.

Проверьте влияние смазки

Для разных способов смазывания действуют разные ограничения по скорости. При смазывании пластичной смазкой допустимая скорость, как правило, ниже, чем при масляной смазке. Для специализированных смазочных материалов, предназначенных для чистых помещений или вакуумной среды, ограничения могут быть ещё строже.

Сопоставьте скорость двигателя с ограничением редуктора

Максимальная скорость двигателя ≤ максимально допустимая входная скорость гармонического редуктора.

4. Разберитесь в требованиях к крутящему моменту

Длительный, пиковый и ударный крутящий момент — принципиально разные параметры, которые нельзя путать. Это одна из самых распространённых ошибок при выборе гармонического редуктора.

Длительный выходной крутящий момент (Tc)

Длительный выходной крутящий момент — это крутящий момент, который редуктор может непрерывно передавать в заданных условиях, например при номинальной входной скорости и стандартной температуре окружающей среды, обеспечивая установленный срок службы.

Он используется главным образом для проверки нагрузок в установившемся режиме, включая непрерывное вращение и длительный момент нагрузки.

Фактический рабочий крутящий момент в установившемся режиме должен быть ниже длительного выходного крутящего момента с соответствующим запасом.

Важно учитывать, что каталожное значение Tc обычно указывается для стандартных условий испытаний. При высокой температуре, возвратно-поступательном движении и работе в чистом помещении может потребоваться снижение допустимого крутящего момента.

В зависимости от условий эксплуатации типовой коэффициент снижения допустимого значения может составлять от 0.7 до 0.9.

Пиковый крутящий момент (Tp)

Пиковый крутящий момент — это максимальный выходной крутящий момент, допустимый в течение короткого времени, обычно при разгоне или торможении.

Допустимая продолжительность может различаться в зависимости от производителя и серии продукции. Пиковый крутящий момент следует использовать для оценки динамических режимов, а не непрерывной работы.

Ударный крутящий момент

Ударный крутящий момент — это кратковременный крутящий момент, возникающий внезапно, например при аварийной остановке, столкновении или резком изменении нагрузки.

Не следует выбирать гармонический редуктор только по номинальному длительному крутящему моменту. В системах с высокой динамикой необходимо также оценивать максимальную ударную нагрузку, чтобы избежать повреждения гибкого колеса, зубьев передачи или внутренних подшипников.

5. Проверьте радиальную и осевую нагрузки, а также опрокидывающий момент

Это один из важнейших факторов при выборе гармонического редуктора.

Большинство стандартных гармонических редукторов не рассчитаны на непосредственное восприятие больших радиальных и осевых нагрузок или опрокидывающих моментов.

Внутренние гибкое колесо и гибкий подшипник предназначены прежде всего для передачи крутящего момента, поэтому их не следует рассматривать как основную систему опорных подшипников для восприятия нагрузки.

Допустимые значения радиальной нагрузки, осевой нагрузки и опрокидывающего момента обычно указываются только для гармонических редукторов со встроенными опорными подшипниками, например с перекрёстно-роликовыми подшипниками в некоторых приводах и конструкциях роботизированных шарниров.

Радиальная нагрузка (Fr)

Сила, действующая перпендикулярно оси выходного вала.

Осевaя нагрузка (Fa)

Толкающая или тянущая сила, действующая вдоль оси выходного вала.

Опрокидывающий момент (M)

Опрокидывающий момент возникает, когда центр тяжести нагрузки смещён относительно выходной оси.

Такая ситуация особенно часто встречается в манипуляторах роботов с эксцентричной нагрузкой на конце.

При выборе гармонического редуктора для таких применений необходимо тщательно сопоставить допустимые нагрузки и моменты с характеристиками, указанными производителем.

6. Оцените требования к точности

Люфт и потерянный ход часто путают, но это не одно и то же. При выборе гармонического редуктора для систем позиционирования необходимо учитывать оба параметра.

Что такое люфт?

Люфт, также называемый угловым зазором, — это угол поворота выходного звена при изменении направления движения, когда входное звено зафиксировано.

Гармонические редукторы известны исключительно малым люфтом. Типовые характеристики могут составлять ≤1 arcmin или ≤0.5 arcmin, а у высокоточных моделей значение может быть менее 0.3 arcmin.

Однако гармонические редукторы не являются системами с абсолютно нулевым люфтом.

Малый люфт обеспечивается за счёт упругой деформации и предварительного натяга. При длительной эксплуатации или после перегрузок люфт может постепенно увеличиваться вследствие усталости и износа.

Что такое потерянный ход?

Потерянный ход включает не только механический люфт, но и угловую деформацию, обусловленную упругостью компонентов передачи.

При приложении выходного крутящего момента гибкое колесо и другие упругие компоненты могут деформироваться, вызывая угловое запаздывание между входом и выходом.

Как выбрать требуемый уровень точности？

Для передачи мощности общего назначения и перемещения грузов с постоянной скоростью обычно достаточно стандартной точности.

Для оптического выравнивания, электрооптических поворотных столов и позиционирования полупроводников следует отдавать предпочтение классу с малым потерянным ходом.

Важная особенность гармонических редукторов заключается в том, что потерянный ход изменяется в зависимости от выходного крутящего момента. Более высокий крутящий момент может вызывать большую упругую деформацию и, следовательно, увеличение потерянного хода.

Это присущее гармоническим передачам свойство, существенно отличающее их от традиционных планетарных редукторов.

7. Проверьте размеры фланца двигателя и вала

Входная сторона гармонического редуктора соединяется с генератором волн. Типовой генератор волн состоит из гибкого подшипника и эллиптического кулачка, которые необходимо точно соединить с валом двигателя.

Распространённые способы соединения

К распространённым способам соединения относятся крепление стопорными винтами, шпоночное соединение и зажимные соединения.

Зажимные соединения обеспечивают соединение без люфта и часто предпочтительны для высокоточных систем и роботизированных шарниров.

Перечень параметров для проверки интерфейса двигателя

Необходимо проверить следующие параметры:

• Расположение крепёжных отверстий на фланце двигателя

• Диаметр центрирующего буртика

• Совместимость с входным фланцем гармонического редуктора

• Диаметр вала двигателя

• Длина выступающей части вала

• Размеры шпоночного паза

• Допуски вала двигателя

Если фланец двигателя не подходит к редуктору, может потребоваться переходной фланец.

Исключите нарушение соосности

Важны также допуски вала двигателя. Чрезмерные допуски или плохая соосность могут вызвать перекос генератора волн, что приведёт к повышению вибрации, износа и погрешностей передачи.

Плохая соосность переходного фланца, вала двигателя и генератора волн может привести к преждевременному выходу из строя гибкого подшипника.

Передайте производителю чертёж двигателя

Рекомендуется передать чертёж двигателя производителю гармонического редуктора, чтобы можно было проверить соединение с генератором волн, размеры кулачка и необходимые переходные компоненты.

8. Учитывайте монтажное пространство

Монтажное пространство — ещё один важный фактор при выборе гармонического редуктора. Доступные наружный диаметр и осевая длина могут напрямую ограничить выбор применимых моделей.

Гармонические редукторы обычно выпускаются в стандартных размерных сериях, например Size 14, 17, 20, 25 и 32.

Проверьте наружный диаметр

Доступный наружный диаметр определяет максимальный размер редуктора, который можно установить.

Во многих конструкциях роботизированных шарниров диаметр шарнира строго ограничен. Поэтому возможные серии редукторов следует сначала сузить с учётом доступного наружного диаметра.

Проверьте осевую длину

Даже при близком наружном диаметре осевые размеры гармонических редукторов разных конструкций могут существенно различаться.

Чашечная, полая колпачковая и полый вал конструкции предусматривают разные варианты компоновки.

Сбалансируйте размеры и допустимый крутящий момент

При ограниченном монтажном пространстве может потребоваться редуктор меньшего размера, однако у моделей меньшего размера ниже допустимый крутящий момент.

В некоторых случаях ограничивающим фактором становится доступное монтажное пространство, и проектировщику приходится уменьшать нагрузку или рассматривать альтернативное решение для передачи движения.

9. Учитывайте рабочую температуру и условия окружающей среды

Рабочая температура и условия окружающей среды напрямую влияют на эффективность смазки, срок службы и долгосрочную надёжность.

Рабочая температура

Допустимый диапазон рабочих температур обычных гармонических редукторов со смазкой пластичной смазкой зависит от модели и характеристик смазочного материала.

При высокой температуре пластичная смазка может размягчаться, перемещаться внутри узла или быстрее терять свои свойства.

При низкой температуре вязкость смазки увеличивается, что может существенно повысить пусковой момент трения.

Для экстремальных условий могут потребоваться специальные смазочные материалы для высоких или низких температур.

Общие промышленные условия

Для стандартных промышленных применений может быть достаточно базовой защиты от пыли.

Чистые помещения и применение в полупроводниковой промышленности

Могут потребоваться смазочные материалы с низким уровнем образования частиц и не содержащая силикон смазка.

Применение в вакууме

Могут потребоваться специальные смазочные материалы, совместимые с вакуумом, или твёрдая смазка. Также необходимо учитывать требования к низкому газовыделению.

Влажная или коррозионная среда

Для предотвращения ржавления и повреждения компонентов, например гибкого колеса, следует учитывать защиту поверхности, уплотнительные конструкции и коррозионную стойкость.

Пыльная среда

Может потребоваться дополнительное уплотнение, чтобы предотвратить попадание частиц в зону зацепления зубьев и ускоренный износ.

Проверьте требования к смазке и техническому обслуживанию

Смазка — один из важнейших факторов, влияющих на срок службы гармонического редуктора.

При выборе важно уточнить, поставляется ли редуктор с заводской смазкой или смазку должен нанести пользователь. Также следует проверить рекомендуемый интервал технического обслуживания.

В целом гармонические редукторы являются прецизионными компонентами и не предназначены для частой разборки и технического обслуживания.

Краткий ответ: как выбрать гармонический редуктор

Чтобы выбрать подходящий гармонический редуктор, сначала определите область применения и условия нагрузки. Затем оцените передаточное отношение, входную скорость, длительный и пиковый крутящий момент, внешние нагрузки, требования к точности, интерфейс двигателя, монтажное пространство и условия эксплуатации.

Самое важное — оценивать условия эксплуатации в целом, а не выбирать гармонический редуктор только по номинальному крутящему моменту.

Заключение

Выбор подходящего гармонического редуктора — это не просто сравнение значений допустимого крутящего момента.

Надёжный процесс выбора должен начинаться с анализа области применения и динамики нагрузки, после чего следует систематически оценить все девять ключевых факторов, рассмотренных в этой статье.

Для высокопроизводительных применений, таких как роботизированные шарниры, полупроводниковое оборудование, системы точного позиционирования и сервоприводные поворотные столы, упущение даже одного из этих факторов может повлиять на точность позиционирования, срок службы и общую надёжность системы.

Лучший гармонический редуктор — не обязательно тот, у которого выше допустимый крутящий момент или больше передаточное отношение. Это редуктор, соответствующий фактическим условиям эксплуатации вашей системы.