Руководство по подбору гармонических приводов для NEMA 17 и NEMA 23: сочетание шаговых двигателей с гармоническими редукторами

Шаговый двигатель NEMA 17, соединённый сволновым редуктором с передаточным отношением 100:1, — одно из самых распространённых сочетаний в настольной робототехнике, лабораторной автоматизации и системах поворотного позиционирования. Однако именно это сочетание часто выбирают неправильно: сначала проверяют не те параметры, от которых зависит его работоспособность.

Кратко:

1. Это сочетание популярно, потому что устройства компенсируют слабые стороны друг друга. Шаговый двигатель обеспечивает недорогое и простое позиционирование без обратной связи; волновой редуктор преобразует его работу, обеспечивая высокий крутящий момент, разрешение на уровне угловых секунд и практически нулевой люфт.

2. Необходимо согласовать восемь параметров, но результат определяют три: монтажный интерфейс, пусковой момент холостого хода со стороны входа и пределы перегрузки. Чаще всего упускают пусковой момент со стороны входа. Именно поэтому небольшой шаговый двигатель не может провернуть крупный волновой редуктор. Передаточное отношение здесь ни при чём.

3. Главная опасность — отказ без предупреждения. Разомкнутый шаговый двигатель пропускает шаги, не сообщая об ошибке, аволновой редуктор, превысивший допустимый мгновенный крутящий момент, перескакивает по зубьям и получает необратимые повреждения зубчатых поверхностей. В результате неисправность может возникнуть без какого-либо сигнала. Поэтому необходимо либо замкнуть контур управления, либо заложить достаточный запас прочности.

Почему шаговые двигатели так часто используют с волновыми редукторами？

Три недостатка, которые устраняет волновой редуктор

Три коммерческие причины, по которым OEM-производители выбирают это сочетание

• Оптимальная структура затрат. Шаговый двигатель с драйвером импульсного управления по интерфейсу «импульс/направление» обходится значительно дешевле, чем серводвигатель, энкодер и сервопривод. Волновой редуктор — самая дорогая отдельная позиция, но общая стоимость всё равно намного ниже, чем у решения на базе сервопривода и волнового редуктора. При высоких требованиях к точности и невысоких требованиях к динамическим характеристикам это наиболее выгодное сочетание из доступных.

• Настройка не требуется. Для интерфейса «импульс/направление» не нужны настройка PID-регулятора и подключение энкодера. В случае OEM-оборудования, лабораторных приборов и продукции мелкими сериями это значительно сокращает время разработки и требования к квалификации персонала.

• Зрелая, не привязанная к одному поставщику цепочка поставок. Типоразмеры рам NEMA — глобальный стандартизованный товар с несколькими поставщиками и простой взаимозаменяемостью; волновые редукторы также являются серийной продукцией. Такое сочетание проще всего закупать у альтернативных поставщиков и использовать для дальнейшей разработки.

Что на самом деле означает «NEMA» для монтажного интерфейса

NEMA — это Национальная ассоциация производителей электрооборудования (National Electrical Manufacturers Association). В системах управления движением выражение «двигатель NEMA» почти всегда означает шаговый двигатель стандартного типоразмера рамы NEMA: номер рамы соответствует ширине фланца в дюймах. Поскольку размеры фланца, расстояние между крепёжными отверстиями и диаметр вала стандартизованы, двигатели разных производителей взаимозаменяемы. Именно поэтому при подборе начинают с типоразмера рамы, а не с марки двигателя.

Типоразмеры рам NEMA и совместимые с ними рамы волновых редукторов

Размеры NEMA и удерживающие моменты — типичные для отрасли значения, которые различаются у разных производителей. При проектировании всегда руководствуйтесь технической документацией конкретного используемого двигателя. Приведённые выше рекомендации по рамам волновых редукторов основаны на величине крутящего момента и являются расчётными оценками; HONPINE предоставляет официальную таблицу совместимости по типоразмерам рам по запросу.

Фланец, вал и тип входа: почему важен прямой монтаж двигателя

Интерфейс состоит из трёх элементов. Если на этом этапе допущена ошибка, все последующие расчёты теряют смысл:

1. Фланец. Номер рамы NEMA определяет размер фланца, расположение крепёжных отверстий и диаметр центрирующего выступа.

2. Тип входа. Волновые редукторы выпускаются с входом под вал и с входом для прямого монтажа двигателя. Вариант для прямого монтажа (полый входной вал и зажимное кольцо) обеспечивает минимальную осевую длину и не требует муфты; для варианта с входом под вал нужна отдельная муфта.

3. Посадка вала. Необходимо согласовать диаметр вала двигателя с допуском входного отверстия волнового редуктора (обычно h7/H7), а также выбрать шпонку или способ зажима.

В обозначениях миниатюрных волновых редукторов HONPINE код входа/выхода указывает тип соединения. Например, в модели CSF-05-XXX-2XH-A код 2XH означает прямое соединение с двигателем, а 1U — вход под вал; буква A в обозначении выходной части означает фланцевый выход, а B / C / D / E / U указывают на вал или другие варианты выхода. При подборе к двигателю NEMA сначала выбирайте вариант входа 2XH — он исключает необходимость и в муфте, и в переходном фланце.

Восемь проверок совместимости по порядку

1. Совместимость интерфейсов

Начните с этой проверки. Сверьте с чертежом конкретного двигателя все пять параметров: размер фланца, расположение крепёжных отверстий, тип входа, посадку вала и способ зажима.

2. Выбор передаточного отношения: ограничения с двух сторон

Передаточное отношение одновременно ограничено двумя требованиями:

• Частота вращения на выходе: требуемое передаточное отношение ≥ рабочая частота вращения двигателя ÷ целевая частота вращения на выходе

• Крутящий момент на выходе: требуемое передаточное отношение ≥ требуемый крутящий момент на выходе ÷ (крутящий момент двигателя на целевой частоте вращения × КПД)

Стандартные значения передаточного отношения волновых редукторов: 30 / 50 / 80 / 100 / 120 / 160. Выберите большее из двух расчётных значений и округлите его вверх до ближайшего стандартного значения. Учитывайте КПД: у редукторов чашечного типа (CSF) он составляет примерно 70–85%, у редукторов шляпного типа (SHD) — несколько ниже; с увеличением передаточного отношения КПД снижается. Не используйте в расчётах 100%.

3. Четырёхуровневая проверка выходного крутящего момента

У волнового редуктора не один предел крутящего момента, а четыре; необходимо учитывать каждый из них.

Учитывайте также внутренние соотношения параметров: в мини-серии отношение максимального мгновенного момента к номинальному составляет примерно 2,2–3,1×, а пикового момента при пуске/остановке к номинальному — примерно 1,9–2,2×. Не применяйте общее отраслевое правило «допускается превышение пикового момента в 3–5 раз» — используйте значения из технической документации конкретной модели.

4. Пусковой момент холостого хода со стороны входа (проверка, которую чаще всего пропускают)

• Вал двигателя должен преодолеть момент сопротивления при пуске волнового редуктора без нагрузки со стороны входа. Этот параметр задан на входе, поэтому его напрямую сравнивают с крутящим моментом двигателя; умножать его на передаточное отношение не нужно.

• Почему этот параметр определяющий: чем крупнее рама волнового редуктора, тем выше его пусковой момент холостого хода со стороны входа. Если он приближается к доступному крутящему моменту двигателя или превышает его, двигатель либо не сможет провернуть редуктор, либо будет работать с сильным перегревом. Это никак не зависит от передаточного отношения и выходного крутящего момента. Именно поэтому небольшой шаговый двигатель может приводить в движение только небольшую раму волнового редуктора; этот фактор лежит в основе многих ошибок при подборе.

• Варианты с нулевым люфтом (предварительным натягом) имеют момент сопротивления в 2–4 раза выше, чем стандартные версии. Если требуется близкий к нулю люфт, заложите дополнительный запас крутящего момента двигателя.

• Важное замечание о термине: в общедоступных источниках встречаются два противоречащих друг другу определения этого параметра. Согласно одному, момент сопротивления напрямую сравнивают как значение со стороны входа; согласно другому, перед сравнением его умножают на передаточное отношение. Эти подходы приводят к выводам, различающимся на порядок. До применения параметра необходимо уточнить определение в технической документации производителя: важно, где выполняется измерение — со стороны входа или выхода. Не используйте формулы, приводимые в сторонних источниках.

5. Рабочая точка двигателя: используйте кривую «скорость–крутящий момент», а не удерживающий момент

Удерживающий момент — статический параметр; для подбора нужно использовать крутящий момент на целевой частоте вращения, определяемый по кривой «скорость–крутящий момент». Общепринятая инженерная практика:

• Непрерывная рабочая точка ≤ 70% крутящего момента, доступного на этой частоте вращения

• Переходная пиковая точка ≤ 85% крутящего момента, доступного на этой частоте вращения

Неочевидный нюанс: двигатель с удлинённым корпусом и малой рамой (например, NEMA 17 длиной 60 мм) может иметь удерживающий момент 0,8 N·m, однако из-за большей инерции ротора и индуктивности его крутящий момент при 400 rpm может оказаться заметно ниже, чем у NEMA 23 со стандартным корпусом. Вы экономите место под фланец, но теряете в динамических характеристиках.

6. Приведённая инерция и предотвращение резонанса

Инерция нагрузки, приведённая к валу двигателя, рассчитывается по формуле J_reflected = J_load ÷ i², где i — передаточное отношение. Для шаговых систем без обратной связи строгого согласования инерций обычно не требуется, однако необходимо избегать резонанса: при большом числе микрошагов и высоком передаточном отношении собственная частота системы может попасть в диапазон частот управления. Это приводит к пропуску шагов и слышимому вою. Решения: избегать резонансного диапазона, добавить демпфирование или инерционный диск либо перейти на шаговый двигатель с замкнутым контуром управления.

7. Разрешение и повторяемость нужно рассчитывать отдельно

Разрешение (теоретическое) = угол шага ÷ передаточное отношение ÷ настройка микрошагов

Повторяемость (параметр, который можно гарантировать) = люфт + собственная погрешность позиционирования шагового двигателя + гистерезис, в совокупности

Разрешение — не то же самое, что точность. Даже при очень большом числе микрошагов фактическая погрешность позиционирования разомкнутого шагового двигателя остаётся на уровне примерно ±5% полного шага; её ограничивают вариации момента зубцовых зацеплений и магнитная нелинейность.

8. Ресурс и нагрев

Усталостный ресурс гибкого колеса определяет общий предельный срок службы волнового редуктора и зависит от спектра нагрузки. Кратковременная перегрузка выше пикового значения может вызвать образование усталостных трещин у основания зубьев и привести к отказу в течение нескольких сотен часов.

Не превышайте допустимую частоту вращения входного подшипника генератора волн. Для мини-серии: SHD-03/05 допускают 10,000 rpm, SHD-08/11 — 8,500 rpm; допустимая средняя частота вращения ещё ниже — 3,500–6,500 rpm.

Смазка — вторая по частоте причина отказов. Тепло от непрерывной работы шагового двигателя проходит через фланец и значительно сокращает срок службы смазки.

При работе на полном токе температура шагового двигателя может повыситься на 80 K; тепловой отказ обычно проявляется лишь через 20–40 минут работы, поэтому короткое испытание на стенде его не выявит.

Пример расчёта: NEMA 17 с волновым редуктором 100:1

Двигатель с 200 шагами на оборот (угол шага 1,8°) приводит в движение волновой редуктор с передаточным отношением 100:1:

Главный вывод из этой таблицы: выполнить требования к разрешению несложно; успех определяет повторяемость. Если теоретическое разрешение уже достигло 4 угловых секунд, а люфт редуктора составляет 20 угловых секунд, увеличение числа микрошагов не даст реального результата. Инвестиции следует направить на редуктор с меньшим люфтом, а не на более высокую настройку микрошагов.

Главная слабая сторона: отказ без предупреждения

Два режима отказа, которые не сигнализируют о себе

1. Пропуск шагов в разомкнутой системе. При перегрузке, чрезмерном ускорении или резонансе шаговый двигатель пропускает шаги — информация о положении теряется без обратной связи, хотя система по-прежнему считает, что механизм находится в нужном положении.

2. Проскакивание зубьев волнового редуктора. Когда выходной крутящий момент превышает допустимое мгновенное значение, гибкое колесо перескакивает по зубьям, необратимо повреждая их поверхности. Позднее это проявляется аномальным шумом и ухудшением точности.

В совокупности эти факторы приводят к неисправности без какого-либо сигнала; обычно о ней узнают только после того, как изделие или заготовка оказываются испорчены.

Три инженерных правила

• Используйте шаговый двигатель с замкнутым контуром управления (с энкодером). Это самый прямой способ исключить отказы без предупреждения, а дополнительные затраты намного ниже стоимости даже одной аварии целой партии.

• Заложите механический коэффициент запаса ≥1.5–2 относительно максимального ударного крутящего момента, сравнивая его с максимально допустимым мгновенным моментом.

• Тщательно рассчитайте наихудший режим, учитывая момент ускорения, внешние нагрузки, внецентренную нагрузку и монтажные напряжения, а не только установившийся режим.

Где на практике используют это сочетание

Миниатюрные волновые редукторы HONPINE для двигателей NEMA

Миниатюрные волновые редукторы HONPINE выпускаются в двух исполнениях:SHD = шляпный тип и CSF = чашечный тип. Люфт обоих типов составляет 20 угловых секунд — это лучше, чем у большинства волновых редукторов «стандартного промышленного класса» (3–6 угловых минут). При использовании с двигателями NEMA это главное преимущество: люфт не становится ограничивающим фактором точности всей машины.

Характеристики SHD и CSF

Номинальный крутящий момент при частоте вращения на входе 2,000 rpm, в N·m. Значения приведены для столбцов передаточного отношения 30 / 50 / 80–100–120.

Коды входа и выхода

Три параметра, которые необходимо подтвердить перед запросом цены

• Является ли переходной фланец NEMA стандартным аксессуаром. Вход 2XH позволяет напрямую установить вал двигателя, однако необходимо уточнить, поставляется ли со стороны фланца двигателя стандартный адаптер для рамы NEMA: это аксессуар или индивидуальное изделие?

• Официально рекомендованный типоразмер рамы NEMA для каждой рамы волнового редуктора. Таблица совместимости выше составлена на основе величины крутящего момента; HONPINE может предоставить официальную таблицу адаптации по рамам.

• Пусковой момент холостого хода со стороны входа (момент сопротивления) для каждой модели и определение метода измерения. Это параметр для проверки № 4, который в настоящее время не указан в каталоге. Чтобы получить измеренные значения, свяжитесь с отделом продаж: sales@honpine.com.

Краткая справка

• Порядок расчёта (восемь шагов): интерфейс → передаточное отношение → четыре предела выходного крутящего момента → пусковой момент со стороны входа → рабочая точка двигателя (по кривой, а не по удерживающему моменту) → инерция и резонанс → раздельный расчёт разрешения и повторяемости → ресурс и нагрев.

• Почему это сочетание распространено: волновой редуктор устраняет три недостатка шагового двигателя (большой угол шага, резкое падение крутящего момента на высоких скоростях и отсутствие точной передачи) и переводит рабочую точку двигателя в область низкой скорости и высокого крутящего момента. С коммерческой точки зрения это оптимальное сочетание высокой точности, низкой стоимости и отсутствия необходимости в настройке.

• Главный риск: отказ без предупреждения (пропуск шагов без ошибки и необратимое повреждение из-за проскальзывания зубьев). Выберите один вариант и не пропускайте его: шаговый двигатель с замкнутым контуром управления либо коэффициент запаса ≥1.5–2.

• Области применения: шарниры настольных и учебных роботов, высокоточные поворотные столы и четвёртые оси, поворотные столы для оптики и телескопов, системы переноса и выравнивания пластин, поворотные столы AOI, системы слежения за антеннами и радарами, оси позиционирования медицинского оборудования (без контакта), юстировка волоконных лазеров. Общие характеристики таких применений: низкая скорость, высокая точность, нулевой люфт, чувствительность к стоимости и невысокие требования к динамике.

• Дополнительная информация или запрос официальной таблицы адаптации NEMA: сайт www.honpine.com | эл. почта sales@honpine.com

Источники, уровни достоверности и отказ от ответственности

Отказ от ответственности

1. Параметры HONPINE взяты из каталога производителя и соответствуют заявленным характеристикам. В каталоге не указаны пусковой момент холостого хода со стороны входа и официальная таблица адаптации NEMA, поэтому приведённые здесь рекомендации по сочетаниям основаны на оценках и должны быть письменно подтверждены до применения.

2. Размеры рам NEMA и удерживающие моменты являются типичными для отрасли значениями и различаются у разных производителей; при окончательном проектировании необходимо руководствоваться технической документацией конкретного двигателя.

3. В статье отмечено противоречие в общедоступных определениях параметра: следует ли умножать момент сопротивления на передаточное отношение. В статье ни один из вариантов не принимается по умолчанию. Этот параметр напрямую влияет на вывод о совместимости, поэтому перед применением необходимо уточнить его определение у производителя.

4. Выводы, касающиеся сертификации, соответствия требованиям и уровней безопасности, зависят от официальных заявлений и заключений профессиональных организаций; данная статья не является основанием для сертификации.

Опубликовано HONPINE · Серия материалов по подбору волновых редукторов и шаговых двигателей NEMA