RV-редуктор для промышленных роботов: как подобрать нагрузку, точность и срок службы для различных применений

Введение

Редуктор роботизированной системы — это больше, чем просто компонент трансмиссии с высоким передаточным отношением. В промышленных роботах редуктор напрямую влияет на точность позиционирования, жесткость конструкции, вибрацию, динамический отклик и, в конечном итоге, на срок службы всего шарнира робота. По мере того, как роботизированные приложения переходят от традиционных операций захвата и перемещения к сварке, паллетированию, механической обработке, сборке и другим процессам с высокими нагрузками, требования к редуктору роботизированной системы становятся все более специфичными для конкретного применения.

Редуктор, хорошо работающий в роботе для перемещения грузов на низких скоростях, может оказаться неподходящим выбором для робота-обрабатывающего станка, подверженного постоянным внешним нагрузкам. Аналогично, редуктор, выбранный только по номинальному крутящему моменту, может не обеспечить достаточный ресурс при частых ускорениях, замедлениях, аварийных остановках и изменении полезной нагрузки робота.

Именно поэтому выбор коробки передач для автодома должен основываться на полном спектре рабочих нагрузок, а не на одном значении крутящего момента.

Для производителей роботов и разработчиков оборудования для автоматизации ключевой вопрос заключается не просто в том, «Какой редуктор для автодома обладает наибольшим крутящим моментом?», а скорее в следующем: как следует подобрать редуктор для автодома в соответствии с фактическим профилем движения робота, характеристиками нагрузки, требованиями к точности, конструкцией установки и ожидаемым сроком службы?

В данной статье рассматривается роль редуктора RV в различных роботизированных приложениях, объясняется, почему анализ спектра нагрузки важен для надежности редуктора, и показывается, как можно комбинировать различные технологии трансмиссии и приводов для создания более подходящих решений в области перемещения.

Почему редукторы RV широко используются в промышленных робототехнических приложениях?

Промышленные роботы работают в совершенно иных механических условиях, чем обычные вращающиеся механизмы. Шарнир робота может многократно ускорять движение тяжелой руки, резко останавливаться, менять направление, сохранять статическое положение под нагрузкой, а затем повторять то же самое движение тысячи или миллионы раз.

Таким образом, трансмиссия должна обеспечивать не только высокое передаточное число, но и достаточную жесткость на кручение, грузоподъемность, точность позиционирования и устойчивость к усталости.

Механическая архитектура редуктора RV особенно подходит для роботизированных шарниров с высокими нагрузками, поскольку механизм редукции распределяет передаваемую нагрузку между несколькими точками контакта. Это позволяет редукторам RV достигать высокой крутящей способности и высокой жесткости на кручение в относительно компактном корпусе.

Эти характеристики делают редукторы RV особенно ценными в осях роботов, где шарнир должен выдерживать значительные внешние нагрузки, сохраняя при этом стабильное позиционирование.

Например, крупные промышленные роботы, используемые для сварки, укладки на поддоны, перемещения материалов, литья и механической обработки, часто требуют высокой механической жесткости, поскольку манипулятор робота должен противостоять реактивным силам, возникающим во время работы. В таких приложениях редуктор отвечает не просто за снижение скорости двигателя. Он становится важной частью структурной жесткости робота.

Это одна из причин, почему редукторы RV продолжают играть важную роль в робототехнике для тяжелых промышленных работ, даже несмотря на то, что гармонические редукторы, планетарные редукторы и интегрированные двигатели в шарнирах роботов становятся все более распространенными.

Различные области применения робототехники предъявляют разные требования к редукторам для автодомов?

Не существует единой оптимальной спецификации редуктора для каждого промышленного робота. Правильная конфигурация во многом зависит от того, как используется робот.

В системах обработки материалов с большой грузоподъемностью и паллетирования основным требованием обычно является способность выдерживать большие и постоянно меняющиеся нагрузки. Робот может перемещать тяжелый груз, в то время как сама манипуляторная рука создает значительную моментную нагрузку на шарнир. Частое ускорение и замедление могут еще больше увеличить мгновенный крутящий момент, испытываемый редуктором.

В таких случаях выбор редуктора для робота-манипулятора, основанный только на номинальной полезной нагрузке робота, может привести к недостаточному запасу прочности. Фактический крутящий момент в шарнирах следует рассчитывать, исходя из полезной нагрузки, геометрии манипулятора, ускорения, замедления, положения и внешних сил.

Сварочные роботы предъявляют иные требования. Хотя грузоподъемность может быть относительно небольшой по сравнению с роботами-паллетизаторами, робот часто выполняет повторяющиеся траектории с быстрыми изменениями направления. Стабильность и повторяемость позиционирования становятся особенно важными, поскольку небольшие механические ошибки могут накапливаться на концевом захвате.

Обработка и резка предъявляют еще более высокие требования к жесткости редуктора. Внешние силы резания передаются через конструкцию робота и в конечном итоге достигают шарнирной передачи. В этих условиях недостаточная жесткость на кручение или наклон может привести к отклонениям в позиционировании, вибрации и ухудшению качества обработки.

При сборке и точной обработке нагрузка может быть ниже, но точность позиционирования становится более важной. В таких случаях инженерам, возможно, потребуется решить, какой из вариантов лучше подходит для каждой оси: редуктор RV, гармонический редуктор или интегрированный двигатель шарнира робота.

Такой подход, основанный на анализе приложений, более полезен, чем простое сравнение каталогов редукторов.

Выбор коробки передач для автодома следует начинать с реального спектра нагрузок.

Одна из самых распространенных ошибок при выборе коробки передач — использование в качестве расчетного параметра только максимального или номинального крутящего момента.

Робот не работает непрерывно при одном фиксированном крутящем моменте. В течение типичного рабочего цикла шарнир может испытывать движение с небольшой нагрузкой, ускорение, работу с постоянной скоростью, замедление, изменение направления движения, статическое удержание, а также периодические условия с высокой нагрузкой или ударом.

Следовательно, коробка передач испытывает спектр нагрузок, а не одну единственную точку приложения нагрузки.

Поэтому при практической оценке редуктора для автодома следует учитывать взаимосвязь между амплитудой крутящего момента, средним крутящим моментом, рабочей частотой, скоростью вращения, коэффициентом заполнения и количеством повторений в течение ожидаемого срока службы.

Например, промышленный робот, рассчитанный на 6000 часов работы, за свой срок службы может выдержать миллионы циклов нагрузки. Кратковременное испытание при номинальном крутящем моменте не может в полной мере отразить эти условия эксплуатации.

Задача инженера состоит в том, чтобы преобразовать ограниченные данные о реальной или смоделированной эксплуатации в репрезентативный спектр нагрузок, характеризующих срок службы, а затем использовать этот спектр для анализа усталости редуктора и ускоренных испытаний на долговечность.

Такой подход помогает инженерам избежать двух противоположных проблем: чрезмерного запаса прочности, увеличивающего стоимость и вес, и недостаточного запаса прочности, приводящего к преждевременному выходу из строя редуктора.

Почему спектр нагрузок в течение всего срока службы имеет значение для надежности редуктора в автодоме?

Фактические измерения нагрузки на робота часто проводятся в течение нескольких часов или нескольких рабочих циклов, в то время как целевой срок службы редуктора может составлять несколько тысяч часов.

Именно в промежутке между временем измерения и расчетным сроком службы анализ спектра нагрузки становится важным.

Процесс обычно начинается с измеренных или смоделированных данных зависимости крутящего момента от времени. Затем эти данные можно очистить, сегментировать в соответствии с различными условиями эксплуатации, провести статистический анализ и преобразовать в репрезентативный спектр нагрузок.

Метод подсчета циклов нарастания интенсивности (Rainflow counting) может быть использован для выявления циклов крутящего момента с различной амплитудой и средними значениями. Затем методы статистического распределения могут помочь оценить частоту различных уровней нагрузки, а анализ экстремальных значений может быть использован для оценки редко встречающихся, но потенциально опасных событий с высокими нагрузками.

Полученный спектр впоследствии может быть преобразован в тестовую программу для редуктора автодома.

Это особенно важно для промышленных роботов, поскольку редкие события с высокими нагрузками могут оказывать непропорционально большое влияние на усталостное повреждение. Аварийные остановки, восстановление после столкновения, резкое ускорение, работа с тяжелыми грузами и экстремальные положения робота могут происходить нечасто, но их нельзя просто игнорировать при оценке надежности в течение всего срока службы.

Поэтому для производителей редукторов и OEM-производителей роботов цель состоит не просто в том, чтобы продемонстрировать, что редуктор RV выдерживает испытание на долговечность при постоянной нагрузке. Более важный вопрос заключается в том, воспроизводит ли испытание важные характеристики фактического спектра эксплуатационных нагрузок редуктора.

Высокая жесткость — одно из ключевых преимуществ редукторов RV в роботах большой грузоподъемности.

Для тяжелых промышленных роботов механическая жесткость зачастую так же важна, как и крутящий момент.

Когда манипулятор робота перемещается под большой нагрузкой, выходной вал редуктора подвергается не только вращающему моменту, но и радиальным силам, осевым силам и опрокидывающим моментам. Любая упругая деформация в трансмиссии и механической конструкции может повлиять на положение концевого эффектора.

Это особенно заметно в таких областях применения, как механическая обработка, шлифовка, полировка, сварка и сборка под большими нагрузками.

Высокая жесткость конструкции трансмиссии RV делает ее хорошо подходящей для таких условий. Правильно подобранный редуктор RV может обеспечить механическую поддержку, необходимую для шарниров роботов, работающих под высокими нагрузками, сохраняя при этом стабильную работу трансмиссии при многократных динамических движениях.

Однако жесткость редуктора не следует оценивать независимо от конструкции робота. Фактическая жесткость шарнира зависит от всей механической цепи, включая редуктор, подшипники, корпус, соединение двигателя, конструкцию манипулятора и интерфейс крепления.

Следовательно, при проектировании высокопроизводительного робота выбор редуктора и конструкция робота должны рассматриваться как единая механическая система, а не как два независимых компонента.

Редуктор для автодома против гармонического редуктора: разные проблемы требуют разных решений.

Технология редукторов RV особенно привлекательна для осей роботов, работающих с высокими нагрузками и высокой жесткостью, но она не обязательно является наилучшим решением для каждого шарнира.

Редуктор с гармоническими колебаниями имеет другую механическую архитектуру и предлагает преимущества в компактности, весе, высоком передаточном отношении и точности. Это делает передачу гармонических колебаний особенно привлекательной для шарниров роботов, где снижение массы и инерции вращения имеет решающее значение.

Например, для суставов запястья, предплечья, головы или других относительно компактных частей робота может быть полезно использование меньших размеров и меньшего веса гармонического преобразователя.

В отличие от этого, редуктор для автодомов может быть более подходящим в тех случаях, когда шарнир должен выдерживать высокие внешние нагрузки и сохранять высокую структурную жесткость.

Это различие становится все более важным по мере того, как производители роботов разрабатывают роботов с различными архитектурами шарниров. Вместо использования одной и той же технологии редукторов по всему роботу, инженеры могут выбирать различные технологии передачи в зависимости от требований каждой оси.

Для осей промышленных роботов с высокой нагрузкой редуктор RV может обеспечить необходимую жесткость и грузоподъемность. Для компактных прецизионных шарниров гармонический редуктор или гармонический двигатель для шарнира робота могут обеспечить лучший баланс между весом, плотностью крутящего момента и интеграцией.

От редуктора для автодомов до интегрированного двигателя для шарниров роботов: философия проектирования меняется.

Традиционная конструкция шарниров роботов часто разделяет двигатель, редуктор, энкодер, тормоз и приводную систему. Такая архитектура предоставляет инженерам значительную гибкость, но также увеличивает количество компонентов, интерфейсов, кабелей и процессов сборки.

Разработка интегрированных двигателей для шарнирных соединений роботов меняет этот подход.

Вместо того чтобы выбирать двигатель и редуктор по отдельности, а затем интегрировать дополнительную обратную связь и электронику управления, интегрированный модуль объединяет множество функций в стандартизированный механический и электрический блок.

Для производителей роботов это может снизить сложность разработки и сократить время интеграции.

Эта разница особенно важна для компаний, разрабатывающих роботов по индивидуальному заказу, легкие манипуляторы, медицинских роботов, исследовательские платформы и новые роботизированные архитектуры. В таких областях применения часто ограничены инженерные ресурсы, и они не могут позволить себе перепроектировать всю архитектуру суставов с нуля.

Интегрированные решения HONPINE для шарнирных соединений разработаны с учетом этого требования. В зависимости от области применения инженеры могут оценить модули гармонических шарниров с различными комбинациями функций двигателя, трансмиссии, энкодера, привода, тормоза, датчика крутящего момента и связи.

Это обеспечивает альтернативный вариант в тех случаях, когда традиционная архитектура с редуктором от робота-поезда и сервомотором становится слишком большой, тяжелой или сложной для целевого робота.

Почему для применения в облегченных робототехнических приложениях может потребоваться другая архитектура шарниров?

По мере того как роботы становятся меньше, мобильнее и больше ориентированы на человека, вес приобретает все большее значение.

Уменьшение массы соединения не только снижает вес самого соединения, но и может уменьшить нагрузку на расположенные выше по потоку соединения.

Это создает каскадный эффект в проектировании роботов.

Например, уменьшение веса запястного сустава может снизить требуемую полезную нагрузку локтевого сустава. Уменьшение массы локтевого сустава, в свою очередь, может уменьшить требуемый крутящий момент плечевого сустава. Следовательно, облегченная конструкция сустава может повлиять на размеры всей роботизированной руки.

Это одна из причин, почему простая замена каждого шарнира робота на большой редуктор от автодома не всегда является эффективным решением.

Для легких или компактных роботов интегрированный гармонический двигатель в шарнире может сочетать высокую плотность крутящего момента с более компактной механической конструкцией. Например, серия TCHL от HONPINE ориентирована на области применения, где объем и вес шарнира строго ограничены, а также важны обратная связь по усилию и интегрированная проводка.

Возможность измерения выходного крутящего момента особенно ценна, когда роботу требуется управление силой, а не только управление положением.

Технология измерения крутящего момента добавляет еще один уровень интеллекта в шарниры роботов.

Традиционные шарнирные соединения роботов в основном ориентированы на обратную связь по положению и скорости. Однако во многих новых роботизированных приложениях роботу необходимо понимать, какая сила прикладывается к окружающей среде.

Это важно для коллаборативных роботов, медицинских роботов, сборки с управлением силой, полировки, контроля поверхности и многих новых приложений, использующих воплощенный интеллект.

Встроенный датчик крутящего момента позволяет контроллеру получать информацию о фактическом состоянии нагрузки в шарнире. В сочетании с обратной связью по положению робот может реализовывать более совершенные стратегии управления силой и положением.

Это меняет роль сустава: из простого компонента для передачи движения он превращается в платформу для восприятия и управления движением.

Модуль гармонического шарнира TCHL от HONPINE интегрирует датчик крутящего момента в конструкцию шарнира, а также кабели и разъемы. Такой подход особенно полезен, когда инженерам необходимо добавить обратную связь по усилию без значительного увеличения внешних габаритов шарнира.

Для производителей роботов это может исключить часть работ по механической и электрической интеграции, обычно необходимых при установке внешнего датчика крутящего момента.

Использование двух энкодеров может повысить точность обратной связи в суставах робота.

Архитектура энкодера — еще один важный фактор при сравнении традиционных шарниров на основе редуктора с интегрированными двигателями шарниров роботов.

Единственный энкодер, расположенный со стороны двигателя, в основном измеряет вращение двигателя. Затем контроллер оценивает выходное положение в соответствии с передаточным отношением.

Однако на фактическое положение выходного вала могут влиять упругость передачи, деформация кручения, ошибки сборки и другие механические факторы.

В конфигурации с двумя энкодерами обратная связь поступает как со стороны двигателя, так и со стороны выхода. Энкодер со стороны двигателя обеспечивает высокоскоростную обратную связь по положению ротора, в то время как энкодер со стороны выхода непосредственно измеряет фактическое выходное положение шарнира.

Разница между этими двумя сигналами предоставляет дополнительную информацию о состоянии механической передачи.

В высокоточных роботизированных системах эта архитектура может помочь улучшить управление положением и компенсировать ошибки, связанные с передачей данных.

Также важно прояснить распространенное в отрасли заблуждение: редуктор крутильных колебаний не следует просто описывать как имеющий «нулевой люфт». На практике в машиностроении редукторы крутильных колебаний проектируются с чрезвычайно малым люфтом, часто приближающимся к нулю при заданных условиях, но фактическое поведение редуктора все еще может зависеть от упругой деформации, производственных допусков, предварительной нагрузки, направления нагрузки, температуры и условий эксплуатации.

Следовательно, простое заявление об «нулевом люфте» не в полной мере описывает поведение реального шарнира робота при позиционировании.

Более значимым инженерным вопросом является то, насколько точно весь шарнир может измерять и контролировать положение выходного звена в реальных условиях нагрузки.

Именно здесь на помощь приходят двойные энкодеры и обратная связь на выходе.

Как выбрать между редуктором для автодома и интегрированным двигателем для шарнира робота?

Правильный выбор зависит от архитектуры и приоритетов робота.

Для крупных промышленных роботов, перевозящих значительные грузы, особенно в таких областях, как сварка, паллетирование, механическая обработка, литье или перемещение материалов, высокая жесткость и грузоподъемность редуктора RV могут сделать его подходящим решением для передачи нагрузки.

Для компактных роботизированных манипуляторов, где основными ограничениями являются вес, монтажное пространство, проводка и время интеграции, интегрированный двигатель в шарнир робота может обеспечить более эффективное решение.

Для применений, требующих силового взаимодействия, таких как совместная манипуляция, медицинская робототехника, полировка или сложная сборка, интегрированный шарнир с датчиком выходного крутящего момента может быть более подходящим, чем традиционная комбинация двигателя и редуктора.

Для приложений, требующих высокоточной позиционирования выходного сигнала, архитектура с двумя энкодерами может обеспечить обратную связь, более близкую к фактическому механическому выходному сигналу.

Важно понимать, что не существует универсально превосходного редуктора или шарнирного модуля. Наилучшее решение — это то, которое соответствует механическим и управляющим требованиям конкретного робота.

Компания HONPINE предлагает множество решений для шарнирных соединений и трансмиссий для различных архитектур роботов.

По мере того как архитектуры роботов становятся все более разнообразными, единая технология трансмиссии уже не может эффективно охватывать все области применения.

Компания HONPINE разрабатывает множество решений для управления движением, включая редукторы для роботов-переносчиков, гармонические редукторы, планетарные редукторы, двигатели для шарниров роботов, интегрированные модули гармонических шарниров и модули планетарных шарниров.

Это позволяет производителям роботов оценивать архитектуру трансмиссии в соответствии с фактическими требованиями каждой оси робота, а не заставлять все шарниры использовать одну и ту же технологию.

Для промышленных роботов, работающих с высокими нагрузками, редуктор RV может обеспечить механическую жесткость и грузоподъемность, необходимые в сложных условиях эксплуатации.

Для компактных прецизионных соединений гармоническая передача может обеспечить сочетание высокого передаточного отношения, компактных размеров, малого люфта и высокой плотности крутящего момента.

Для тех задач, где интеграция имеет первостепенное значение, интегрированный двигатель для шарнира робота может объединить функции двигателя, редуктора, энкодера и привода в более компактное решение.

Для применений, требующих силового взаимодействия и расширенного управления, модуль шарнира со встроенным датчиком крутящего момента может еще больше упростить интеграцию системы.

Таким образом, HONPINE может поддерживать различные этапы разработки роботов, от традиционных роботизированных архитектур на основе редукторов до высокоинтегрированных роботизированных шарниров следующего поколения.

Будущее проектирования роботизированных суставов не связано с поиском одного «лучшего» редуктора.

Развитие робототехники предъявляет все более разнообразные требования к шарнирным передачам.

Тяжелые промышленные роботы отдают приоритет грузоподъемности и жесткости. Легкие коллаборативные роботы отдают приоритет массе и динамическому отклику. Медицинские роботы требуют компактности, точности и безопасности. Гуманоидные роботы требуют высокой плотности крутящего момента, низкой инерции, интегрированных датчиков и эффективного использования энергии. Специализированное автоматизированное оборудование может потребовать необычных монтажных конструкций, специальных коммуникационных интерфейсов или специфической адаптации к окружающей среде.

Эти требования не всегда могут быть удовлетворены одной единственной архитектурой передачи данных.

Более практичный подход заключается в формировании портфеля решений для шарнирных соединений роботов и выборе соответствующей архитектуры в зависимости от механических требований каждого шарнира.

Редуктор с RV-приводом остается важным решением для роботизированных применений с высокими нагрузками и высокой жесткостью. Гармоническая передача по-прежнему весьма привлекательна для компактных прецизионных шарниров. Интегрированные двигатели для шарниров роботов делают следующий шаг, объединяя функции передачи, двигателя, датчиков, обратной связи и управления в более полный шарнирный узел.

Для производителей роботов это означает, что вопрос постепенно смещается с «Какой редуктор нам следует купить?» на «Какая архитектура шарниров наилучшим образом отвечает требованиям этого робота?»

Этот сдвиг особенно важен для компаний, разрабатывающих новые роботизированные платформы.

Вывод: выбирайте комплексное решение для соединения, а не только редуктор.

При выборе редуктора для робота-передатчика следует учитывать фактические условия его работы, включая полезную нагрузку, крутящий момент в шарнирах, скорость, ускорение, внешние силы, рабочий цикл, требования к позиционированию, жесткость конструкции и ожидаемый срок службы.

Для промышленных роботов с высокими нагрузками редукторы RV могут обеспечить жесткость и грузоподъемность, необходимые для сложных задач. Для легких и компактных роботизированных систем гармонические передачи и интегрированные двигатели в шарнирах роботов могут обеспечить лучший баланс между плотностью крутящего момента, весом, точностью и интеграцией.

Когда обратная связь по выходному сигналу, датчики силы, интегрированные средства связи, тормозная система и электроника привода приобретают важное значение, интегрированный модуль шарнира может решить проблемы, которые невозможно устранить простым выбором другого редуктора.

Именно поэтому HONPINE не фокусируется на какой-либо одной архитектуре трансмиссии. Комбинируя редукторы RV, гармонические редукторы, планетарные редукторы, модули гармонических шарниров и модули планетарных шарниров, HONPINE может помочь производителям роботов оценить полную архитектуру трансмиссии и шарниров в соответствии с их реальными требованиями к применению.

Цель состоит не в выборе самого мощного редуктора. Цель состоит в выборе такого решения для шарниров, которое позволит роботу работать эффективнее в целом.