Прецизионные редукторы для промышленных роботов: от традиционных передач к технологии самокомпенсации люфта

Здравствуйте, всем! Я Теодор Ли, технический директор HONPINE. Сегодня я хотел бы поговорить о прецизионных редукторах для промышленных роботов.

Что такое прецизионный редуктор?

Согласно широко используемым отраслевым классификациям, прецизионные редукторы обычно характеризуются низкой погрешностью передачи и люфтом, при этом требования к точности, как правило, достигают угловых минут или выше.

Люфт является одним из ключевых факторов, влияющих на характеристики позиционирования. Зазор между сопряжёнными шестернями может создавать потерянное движение между входным и выходным валами, непосредственно влияя на точность позиционирования, повторяемость и характеристики управления движением.

По основному механизму передачи прецизионные редукторы в целом можно разделить на четыре основные категории.

Прецизионные циклоидальные редукторы

Редукторы RV и циклоидально-цапфовые редукторы являются типичными примерами. Они обладают высокой нагрузочной способностью и хорошей стойкостью к ударным нагрузкам, однако их конструкции относительно сложны, а затраты на изготовление могут быть высокими.

Волновые редукторы

Волновая передача использует упругую деформацию гибкого колеса для передачи движения и крутящего момента. Такая конструкция обеспечивает высокие передаточные отношения, компактные габариты и высокую точность передачи, однако её крутильная жёсткость и нагрузочная способность могут быть ниже, чем у некоторых жёстких конструкций передач, поэтому выбор применения особенно важен в условиях тяжёлых нагрузок.

Прецизионные планетарные редукторы

Планетарная передача обеспечивает высокий КПД, высокую плотность крутящего момента и относительно жёсткую конструкцию передачи. Однако традиционные планетарные конструкции обычно имеют ограничения по одноступенчатому передаточному отношению и люфту по сравнению со специализированными технологиями прецизионных передач.

Почему промышленные роботы предъявляют более высокие требования к прецизионным редукторам?

Применение промышленных роботов развилось в высокоспециализированные сегменты. Различные уровни полезной нагрузки, процессы, профили движения и конфигурации сочленений предъявляют разные требования к точности передачи, крутящему моменту, жёсткости и сроку службы.

Поэтому подходящий прецизионный редуктор может различаться не только для разных типов промышленных роботов, но и для разных сочленений одного и того же робота.

Шестиосевые роботы с полезной нагрузкой менее 10 кг

Для лёгких шестиосевых роботов часто приоритетными являются компактные габариты и точность.

Во всех шести сочленениях могут использоваться волновые редукторы, особенно когда роботу требуется компактная передача с высоким передаточным отношением и точным управлением движением.

Компактный размер, малый вес, высокое передаточное отношение и точность волновой передачи делают её подходящей для лёгких роботов, работающих в ограниченных механических габаритах.

Шестиосевые роботы с полезной нагрузкой 10–50 кг

Шестиосевые роботы средней грузоподъёмности обычно используются для таких задач, как перемещение автомобильных компонентов, обработка металлов и другие промышленные операции, требующие баланса между грузоподъёмностью, точностью движения и стабильностью.

Эти роботы могут сочетать волновые редукторы и редукторы RV в соответствии с требованиями различных сочленений.

Например, волновая передача может применяться в сочленениях запястья и рабочего органа, где важны компактные габариты, высокие передаточные отношения и точное движение, тогда как передача RV может использоваться в сочленениях с более высокой нагрузкой, требующих большей жёсткости и нагрузочной способности.

Шестиосевые роботы с полезной нагрузкой более 50 кг

Шестиосевым роботам большой грузоподъёмности необходимы высокая нагрузочная способность и стабильная точность в сложных условиях эксплуатации.

Редукторы RV широко применяются в высоконагруженных сочленениях роботов, поскольку их конструкция передачи обеспечивает высокую жёсткость и может выдерживать значительные радиальные и осевые нагрузки.

Эти характеристики особенно важны, когда роботы большой грузоподъёмности используются для транспортировки материалов, сварки, механической обработки и других операций с крупными заготовками.

Роботы SCARA с полезной нагрузкой менее 20 кг

Роботы SCARA предъявляют особенно высокие требования к точности позиционирования и повторяемости.

Поэтому вращательные сочленения требуют систем передачи с хорошей точностью и динамическим откликом. В вращательных сочленениях может использоваться волновая передача, тогда как механизм вертикальной оси Z может использовать планетарную передачу, ременный привод или другую подходящую конструкцию линейного движения.

Параллельные роботы и роботы Delta

Параллельные роботы и роботы Delta характеризуются высокой скоростью и высокой структурной жёсткостью, при этом требования к передаче в их сочленениях в значительной степени зависят от архитектуры робота и профиля движения.

Во многих параллельных роботах в базовых сочленениях применяются планетарные редукторы с относительно низким передаточным отношением для обеспечения высокоскоростного движения и сохранения низкого приведённого момента инерции.

В зависимости от конструкции в базовых сочленениях также могут использоваться циклоидальная или волновая передачи.

Для дополнительных осей или механизмов на конце руки обычно используются планетарные редукторы. Однако в высокоточных сборочных операциях для конечного сочленения также может быть выбран волновой редуктор для улучшения характеристик позиционирования.

Почему традиционные планетарные редукторы сталкиваются с проблемой точности?

Во многих областях прецизионного производства волновые системы передачи и системы передачи RV традиционно занимают важные позиции в промышленной робототехнике.

Традиционные планетарные редукторы, несмотря на их высокий КПД, жёсткость и плотность крутящего момента, исторически сталкивались с трудностями в достижении того же уровня точности и компактной интеграции, что и специализированные волновые системы передачи или системы RV.

Высококлассные прецизионные планетарные редукторы всё же могут обеспечивать очень малый люфт и остаются подходящими для требовательных применений. Некоторые прецизионные планетарные изделия могут достигать уровня люфта менее 60 угловых секунд, предоставляя альтернативу для применений, требующих высокой точности позиционирования.

Однако высокая точность может сопровождаться более высокой стоимостью продукции и более длительными сроками поставки в зависимости от поставщика и конфигурации.

По мере дальнейшего расширения рынка промышленной робототехники и потребности производителей роботов в более быстрых циклах разработки и более гибких цепочках поставок это создаёт возможность для новых архитектур прецизионных планетарных передач.

Подход HONPINE к прецизионной планетарной передаче

В HONPINE мы работаем над иным подходом к планетарной передаче.

Внедряя технологию самокомпенсации люфта, HONPINE стремится повысить точность, жёсткость и сохранение точности систем планетарных передач.

Эта технология предназначена для таких применений, как промышленные роботы и станки, где особенно важно сохранять точность передачи в течение длительной эксплуатации.

Цель заключается не просто в уменьшении первоначального люфта, а в решении одной из фундаментальных задач прецизионной передачи: сохранении точности по мере износа механических компонентов с течением времени.

Какие технические задачи могут решать планетарные приводы с самокомпенсацией?

Традиционные системы прецизионных передач сталкиваются с неизбежной проблемой: механический износ может постепенно влиять на точность передачи.

При длительной эксплуатации непрерывное зацепление шестерён и повторяющиеся циклы нагрузки могут изменять фактический зазор между сопряжёнными компонентами. По мере увеличения люфта может возрастать потерянное движение, а точность позиционирования может постепенно ухудшаться.

Для такого оборудования, как промышленные роботы и станки, эта потеря точности в конечном итоге может влиять на качество процесса, повторяемость и срок службы.

Технология самокомпенсации люфта предлагает иной подход к этой проблеме.

Автоматическая компенсация люфта в процессе износа

В отличие от традиционных пассивных конструкций для уменьшения люфта, самокомпенсирующаяся передача включает адаптивный компенсационный механизм внутри системы передачи.

По мере износа компонентов передачи механизм может компенсировать изменения фактического зазора в зацеплении и поддерживать более стабильную характеристику передачи.

Цель состоит в снижении скорости ухудшения точности передачи при длительной эксплуатации и продлении эффективного срока сохранения точности редуктора.

Это различие важно.

Уменьшение первоначального люфта и поддержание малого люфта на протяжении всего срока службы — это две разные инженерные цели. Поэтому прецизионную передачу следует оценивать не только по спецификации первоначального люфта, но и по тому, как меняется её точность после продолжительной эксплуатации.

Технология самокомпенсации люфта для волновой передачи

Подход HONPINE к самокомпенсации не ограничивается планетарной передачей.

Мы также разработали конструкцию волновой передачи с двумя гибкими колёсами и самокомпенсацией, предназначенную для поддержания низкого фактического люфта при длительной эксплуатации.

Волновая передача с двумя гибкими колёсами и самокомпенсацией

Волновая передача HONPINE с двумя гибкими колёсами использует конструктивную схему, включающую внутреннее и наружное гибкие колёса вместе с ограничительным кольцом.

Эта конструкция предназначена для непрерывного подавления фактического люфта и поддержания стабильных характеристик передачи во время работы.

Согласно внутренним данным HONPINE по испытаниям и сравнению продукции, потерянное движение этой конструкции при указанных условиях испытаний может составлять примерно половину от показателя сопоставимых зарубежных волновых редукторов.

Фактические характеристики зависят от конкретного размера изделия, методики испытаний, условий нагрузки и измерительной системы, поэтому прямые сравнения всегда следует проводить при эквивалентных условиях испытаний.

От первоначальной точности к сроку сохранения точности

Для систем прецизионных передач первоначальная точность является лишь одной частью инженерной задачи.

Редуктор может обеспечивать превосходный люфт в новом состоянии, но если люфт значительно увеличивается по мере износа передачи, практический срок сохранения точности компонента может быть ограничен.

Именно поэтому фокус разработок HONPINE распространяется от первоначальной точности передачи к сохранению точности в течение срока эксплуатации.

Для промышленных роботов, станков и гуманоидных роботов это означает оценку не только первоначального люфта и характеристик позиционирования, но и того, как характеристики передачи изменяются под воздействием повторяющихся движений, нагрузок и износа.

Технология самокомпенсации люфта предназначена для решения этой задачи долгосрочных характеристик посредством активной компенсации изменений зазора передачи, а не за счёт опоры исключительно на первоначальный механический допуск зубчатой системы.

Заключение

Развитие прецизионных редукторов выходит за рамки простого стремления к уменьшению первоначального люфта.

Промышленные роботы, станки и гуманоидные роботы требуют систем передачи, сочетающих точность, жёсткость, компактные габариты, плотность крутящего момента и длительное сохранение точности.

Волновые системы передачи и системы передачи RV остаются важными технологиями для прецизионной робототехники, тогда как традиционная планетарная передача продолжает предлагать преимущества в КПД, жёсткости и плотности крутящего момента.

Возможность самокомпенсирующихся планетарных и волновых передач заключается в устранении разрыва между этими характеристиками путём внедрения механизма, способного компенсировать изменения зазора передачи при длительной эксплуатации.

В HONPINE мы продолжаем разрабатывать технологии прецизионных передач на основе этой концепции: от планетарных приводов с самокомпенсацией до волновой передачи с двумя гибкими колёсами и лёгкой волновой передачи на основе PEEK для гуманоидных роботов.

Для нас цель заключается не просто в достижении высокой точности, когда передача покидает завод. Более важный вопрос — какая часть этой точности может быть сохранена на протяжении всего срока службы робота или машины.