RV-редуктор для сварочных позиционеров: выбор и расчет крутящего момента для тяжелых сварочных работ

Введение

Сварочный позиционер является важнейшим компонентом привода в автоматизированных сварочных системах. Поворачивая и переустанавливая заготовку, он позволяет сварочному роботу или оператору поддерживать подходящий угол сварки на протяжении всего процесса. Однако для тяжелонагруженных сварочных позиционеров поворотный привод должен выполнять гораздо больше функций, чем простое снижение скорости. Он должен обеспечивать достаточный выходной крутящий момент, высокую крутильную жесткость, стабильное вращение на низкой скорости, точное позиционирование и надежную работу при частых ускорениях, замедлениях и реверсировании.

По этой причине RV-редуктор широко считается подходящим решением для передачи движения в средне- и тяжелонагруженных сварочных позиционерах. По сравнению с традиционными зубчатыми редукторами RV-редуктор может обеспечивать высокую плотность крутящего момента, высокую жесткость, малый люфт и высокую устойчивость к ударным нагрузкам в относительно компактном исполнении.

В этой статье объясняется, как выбрать RV-редуктор и серводвигатель для сварочного позиционера с учетом массы заготовки, радиуса вращения, выходной скорости, крутящего момента нагрузки, момента инерции, ускорения и требований к позиционированию.

Почему для сварочного позиционера используется RV-редуктор?

Сварочный позиционер обычно работает при относительно низкой выходной скорости, требуя при этом высокого крутящего момента на поворотной оси. В то же время масса заготовки может составлять сотни или даже тысячи килограммов.

Поэтому приводная система должна преобразовывать высокоскоростной выходной сигнал серводвигателя с относительно низким крутящим моментом в управляемое вращательное движение с высоким крутящим моментом.

RV-редуктор особенно подходит для этого применения, поскольку сочетает несколько характеристик, важных для сварочных позиционеров:

• Высокие передаточные числа

• Высокий выходной крутящий момент

• Высокая крутильная жесткость

• Малый люфт

• Высокая плотность крутящего момента

• Хорошая устойчивость к ударным нагрузкам

• Стабильная работа при вращении на низкой скорости

• Совместимость с системами позиционирования на базе серводвигателей

Однако правильный RV-редуктор не следует выбирать только на основе массы заготовки. Фактический расчет должен учитывать полный механический профиль и профиль движения сварочного позиционера.

Типовые расчетные параметры сварочного позиционера

Рассмотрим сварочный позиционер с передней и задней бабками со следующими предварительными характеристиками:

Цель данного расчета — определить приблизительное передаточное число, крутящий момент двигателя и требуемую крутильную способность RV-редуктора для поворотной оси.

В реальной машине эти значения следует заменить фактической геометрией заготовки, положением центра тяжести, массой оснастки, моментом инерции, временем ускорения и рабочим циклом.

Выбор RV-редуктора и расчет крутящего момента

Шаг 1: Расчет требуемой выходной скорости

Максимальная скорость вращения задана как:

70°/с

Преобразование угловой скорости в обороты в минуту:

nL = 70 / 360 × 60

Следовательно:

nL ≈ 11.67 об/мин

Таким образом, сварочному позиционеру требуется выходная скорость приблизительно 11.7 об/мин при максимальной рабочей скорости.

Эта низкая выходная скорость является одной из основных причин, по которым между серводвигателем и поворотной осью необходим редуктор с высоким передаточным числом.

Шаг 2: Определение передаточного числа RV-редуктора

Предположим использование серводвигателя с номинальной скоростью 3000 об/мин:

i = nM / nL

Подставляя значения:

i = 3000 / 11.67 ≈ 257

Следовательно, с точки зрения согласования скоростей подходит передаточное число примерно 250:1.

Например, при передаточном числе 250:1:

nL = 3000 / 250 = 12 об/мин

Соответствующая скорость вращения составляет:

12 × 360 / 60 = 72°/с

Полученная максимальная выходная скорость составляет приблизительно 72°/с, что немного превышает требуемые 70°/с.

Окончательное передаточное число следует выбирать в соответствии с доступными передаточными числами RV-редуктора, диапазоном скорости серводвигателя и требуемым профилем движения.

Шаг 3: Расчет момента инерции заготовки

Момент инерции заготовки при вращении существенно влияет на динамический крутящий момент, требуемый сварочному позиционеру.

Для первоначальной инженерной оценки нагрузку можно упростить до эквивалентной массы, расположенной на заданном радиусе вращения:

JL = m × R²

Для заготовки массой 500 кг с эквивалентным радиусом 0.6 м:

JL = 500 × 0.6²

Следовательно:

JL = 180 кг·м²

Это лишь предварительное приближение. В реальном сварочном позиционере общий момент инерции при вращении также должен включать оснастку, патрон, монтажную плиту, муфту, выходной вал и другие вращающиеся компоненты.

Для крупных или неправильной формы заготовок расчет фактического центра масс и момента инерции даст значительно более надежный результат.

Шаг 4: Расчет гравитационного крутящего момента нагрузки

Если центр тяжести заготовки смещен относительно поворотной оси, сила тяжести создает статический крутящий момент нагрузки.

Основная зависимость имеет вид:

TL = m × g × e

где m — масса заготовки, g — ускорение свободного падения, а e — перпендикулярное расстояние между центром тяжести и поворотной осью.

Если принять эффективное смещение равным 600 мм:

TL = 500 × 9.81 × 0.6

Следовательно:

TL ≈ 2943 Н·м

Это значение представляет гравитационный крутящий момент при принятом условии эксцентричной нагрузки.

Важно различать физический радиус заготовки и смещение центра тяжести. Если центр тяжести заготовки находится близко к поворотной оси, фактический гравитационный крутящий момент будет значительно ниже, чем в этом консервативном примере.

Это различие важно при выборе RV-редуктора для реального сварочного позиционера.

Шаг 5: Учет крутящего момента при ускорении и замедлении

Статический крутящий момент — лишь одна часть расчета.

Во время ускорения и замедления поворотная система также должна преодолевать инерцию заготовки.

Инерционный крутящий момент можно оценить по формуле:

TJ = JL × α

где JL — общий момент инерции при вращении, а α — угловое ускорение со стороны заготовки.

Это означает, что два сварочных позиционера, несущие одну и ту же заготовку массой 500 кг, могут требовать совершенно разных RV-редукторов, если их время ускорения отличается.

Например, позиционер, рассчитанный на медленное и плавное вращение, может иметь относительно низкий динамический крутящий момент, тогда как высокоскоростной позиционер с быстрым ускорением и торможением может создавать существенно более высокий пиковый крутящий момент.

Поэтому профиль ускорения и замедления всегда следует включать в окончательный выбор RV-редуктора.

Шаг 6: Расчет требуемого крутящего момента серводвигателя

Выходной крутящий момент RV-редуктора можно приблизительно определить как:

Tout = TM × i × η

Следовательно, требуемый крутящий момент двигателя составляет:

TM = Tout / (i × η)

Принимая:

TL = 2943 Н·м

i = 250

η = 0.85

Крутящий момент со стороны двигателя составляет:

TM = 2943 / (250 × 0.85)

TM ≈ 13.85 Н·м

При применении предварительного коэффициента запаса 2.0:

TM,rated = 13.85 × 2

TM,rated ≈ 27.7 Н·м

Следовательно, при данном предполагаемом условии нагрузки серводвигатель должен иметь номинальный крутящий момент примерно 28 Н·м или выше.

Типичный серводвигатель мощностью 11 кВт, работающий при 3000 об/мин, обеспечивает приблизительно:

T = 9550 × P / n

T = 9550 × 11 / 3000

T ≈ 35 Н·м

Согласно этому предварительному расчету, серводвигатель 11 кВт, 3000 об/мин может обеспечить достаточный номинальный крутящий момент для предполагаемого условия.

Однако при окончательном выборе двигателя также следует проверить пиковый крутящий момент, перегрузочную способность, тепловую мощность, разрешение энкодера и полный рабочий цикл.

Шаг 7: Выбор RV-редуктора по выходному крутящему моменту

RV-редуктор должен быть способен непрерывно передавать требуемый крутящий момент нагрузки, а также выдерживать переходные крутящие моменты при ускорении, замедлении, аварийных остановках и реверсировании.

При использовании предварительного коэффициента запаса 2.0:

Tcontinuous ≥ 2943 × 2

Tcontinuous ≥ 5886 Н·м

Для консервативной проверки пиковой нагрузки с использованием трехкратного статического крутящего момента нагрузки:

Tpeak ≥ 2943 × 3

Tpeak ≥ 8829 Н·м

Следовательно, при данном предполагаемом условии эксцентричной нагрузки RV-редуктор с приблизительными характеристиками:

Номинальный выходной крутящий момент ≥ 6000 Н·м

и:

Пиковая крутящая способность ≥ 9000 Н·м

будет разумной отправной точкой для дальнейшего выбора модели.

Фактический редуктор следует выбирать в соответствии с номинальным крутящим моментом производителя, допустимым пиковым крутящим моментом, коэффициентом эксплуатации, входной скоростью, расчетным ресурсом и рабочим циклом.

Почему пиковый крутящий момент важен для сварочных позиционеров?

Сварочный позиционер редко работает с постоянной скоростью.

Типичный цикл движения может включать:

Ускорение → вращение с постоянной скоростью → замедление → остановка → обратное вращение

Во время этих переходов инерционный крутящий момент заготовки может стать значительным.

Аварийная остановка может создавать еще более высокие переходные нагрузки.

По этой причине выбор RV-редуктора только по его непрерывному номинальному крутящему моменту может привести к недостаточно рассчитанной системе передачи.

Следующие параметры следует проверять совместно:

• Непрерывный выходной крутящий момент

• Пиковый выходной крутящий момент

• Входная скорость

• Выходная скорость

• Момент инерции нагрузки

• Ускорение и замедление

• Рабочий цикл

• Радиальные и осевые нагрузки

• Люфт и крутильная жесткость

Такой подход обеспечивает значительно более надежную основу для выбора RV-редуктора.

Люфт RV-редуктора и точность позиционирования

Точность позиционирования — еще один важный фактор для автоматизированных сварочных позиционеров.

Механическая цепь передачи обычно состоит из:

Серводвигатель → RV-редуктор → выходной вал → оснастка → заготовка

Любая механическая погрешность в этой цепи может влиять на конечное положение заготовки.

Люфт особенно важен, поскольку изменение направления вращения может вносить угловую погрешность между входной и выходной сторонами.

Например, при угловой погрешности 1 угловая минута:

θ = 1 / 60 × π / 180

θ ≈ 0.000291 рад

При радиусе вращения 600 мм:

ΔL = θ × R

ΔL ≈ 0.000291 × 600

ΔL ≈ 0.175 мм

Этот пример показывает, что если применение требует линейной повторяемости на уровне приблизительно 0.1 мм на радиусе заготовки, один лишь люфт редуктора может стать важным фактором.

Однако точность позиционирования системы нельзя определить только по люфту редуктора.

Она также зависит от:

• Разрешения сервоэнкодера

• Характеристик сервоуправления

• Точности передачи RV-редуктора

• Крутильной деформации

• Жесткости выходного вала

• Жесткости оснастки

• Точности монтажа

• Деформации заготовки

Следовательно, энкодер высокого разрешения не гарантирует автоматически высокую механическую точность позиционирования.

Как улучшить характеристики позиционирования сварочного позиционера?

Используйте RV-редуктор с малым люфтом и высокой жесткостью

Редуктор с малым люфтом и высокой крутильной жесткостью помогает уменьшить угловое перемещение, вызванное изменениями нагрузки и реверсивным движением.

Используйте абсолютный энкодер высокого разрешения

Абсолютный энкодер обеспечивает точную обратную связь для сервосистемы и может уменьшить неопределенность позиционирования.

Для применений, требующих сохранения положения после отключения питания, также можно рассмотреть многооборотный абсолютный энкодер.

Увеличьте конструктивную жесткость выходной стороны

Даже высокопроизводительный RV-редуктор не может компенсировать чрезмерную деформацию выходного вала, монтажной плиты, оснастки или рамы станка.

Поэтому механическая конструкция должна иметь достаточную жесткость для фактической нагрузки заготовки.

Рассмотрите обратную связь по положению на выходной стороне

Для высокоточных сварочных позиционеров прямая обратная связь по положению на выходной оси может предоставлять более точную информацию о фактическом положении заготовки, чем использование только энкодера на стороне двигателя.

Одноприводные и двухприводные сварочные позиционеры

Сварочные позиционеры с передней и задней бабками могут использовать как один поворотный привод, так и двухприводную конфигурацию.

Одноприводной сварочный позиционер

В одноприводной конструкции одна приводная система обеспечивает основной крутящий момент вращения. Поэтому RV-редуктор, выходной вал, подшипниковое устройство и рама станка должны быть рассчитаны на полное условие нагрузки.

Двухприводной сварочный позиционер

Двухприводная конфигурация использует серводвигатели и редукторы с обеих сторон заготовки.

При равномерном распределении нагрузки каждый привод теоретически может воспринимать приблизительно половину общего среднего крутящего момента.

Однако при окончательном инженерном проектировании общую нагрузку нельзя просто разделить на два.

Различия в механическом выравнивании, синхронизации сервоприводов, жесткости, трении и распределении нагрузки могут вызывать неравномерное распределение крутящего момента между двумя приводными системами.

Поэтому двухприводной сварочный позиционер требует как механической синхронизации, так и согласованного сервоуправления.

Основные преимущества RV-редукторов для сварочных позиционеров

Высокая крутильная жесткость

Высокая крутильная жесткость помогает поддерживать стабильное позиционирование заготовки во время сварки и уменьшает угловое отклонение, вызванное изменяющимися нагрузками.

Высокая плотность крутящего момента

RV-редуктор может обеспечивать высокий выходной крутящий момент в относительно компактном корпусе, что делает его подходящим для тяжелонагруженных поворотных осей с ограниченным монтажным пространством.

Малый люфт

Малый люфт помогает повысить точность реверсирования и повторяемость позиционирования, что особенно важно для роботизированной сварки.

Высокая устойчивость к ударным нагрузкам

Крупные заготовки могут создавать значительные переходные нагрузки при ускорении, замедлении, загрузке и аварийной остановке. RV-редуктор соответствующего размера может обеспечить механическую прочность, необходимую для этих условий работы.

Подходит для движения с сервоуправлением

RV-редукторы могут сочетаться с серводвигателями переменного тока и энкодерами высокого разрешения для создания замкнутых систем поворотного позиционирования автоматизированного сварочного оборудования.

Пример выбора RV-редуктора для сварочного позиционера на 500 кг

Для примера, рассмотренного в этой статье:

На основе этих предварительных расчетов для дальнейшей оценки можно рассмотреть RV-редуктор с номинальным выходным крутящим моментом около 6000 Н·м или выше и достаточной пиковой крутящей способностью.

Точная модель редуктора должна быть подтверждена после проверки фактического центра тяжести заготовки, общего момента инерции, времени ускорения, рабочего цикла, радиальных и осевых нагрузок, конфигурации монтажа и требуемого срока службы.

Распространенные ошибки при выборе RV-редуктора для сварочного позиционера

Выбор редуктора только по массе заготовки

Заготовка массой 500 кг не требует автоматически одинаковой спецификации RV-редуктора для каждого применения.

Смещение центра тяжести, момент инерции, ускорение и геометрия оснастки могут существенно изменить требуемый крутящий момент.

Игнорирование динамического крутящего момента

Статического гравитационного крутящего момента недостаточно для применений с быстрым ускорением, торможением или реверсированием.

Инерционный крутящий момент следует включить в окончательный расчет.

Выбор только по мощности двигателя

Серводвигатель мощностью 11 кВт не определяет автоматически правильный RV-редуктор.

Редуктор должен быть согласован по входной скорости, выходному крутящему моменту, пиковому крутящему моменту, передаточному числу, моменту инерции, рабочему циклу и механической нагрузке.

Игнорирование люфта

Редуктор может обеспечивать достаточный крутящий момент, но все же не соответствовать требуемым характеристикам позиционирования, если его механическая точность и жесткость недостаточны для данного применения.

Игнорирование оснастки и вращающейся конструкции

Заготовка — не единственная вращающаяся масса. Патроны, оснастка, монтажные плиты, муфты, валы и другие компоненты также вносят вклад в общий момент инерции при вращении.

Заключение

Выбор RV-редуктора для сварочного позиционера требует большего, чем согласование редуктора с массой заготовки. Полная поворотная система должна оцениваться на основе крутящего момента нагрузки, смещения центра тяжести, момента инерции при вращении, ускорения, максимальной скорости, пикового крутящего момента, люфта, крутильной жесткости и требований к позиционированию.

Для примера сварочного позиционера на 500 кг, рассмотренного в этой статье, максимальная скорость вращения 70°/с соответствует выходной скорости приблизительно 11.67 об/мин. При использовании серводвигателя 3000 об/мин передаточное число около 250:1 обеспечивает выходную скорость приблизительно 12 об/мин.

При предполагаемом смещении центра тяжести 600 мм расчетный гравитационный крутящий момент составляет приблизительно 2943 Н·м. С предварительным коэффициентом запаса требуемый непрерывный выходной крутящий момент достигает приблизительно 5886 Н·м, тогда как консервативная проверка пиковой нагрузки дает приблизительно 8829 Н·м.

Это обеспечивает полезную отправную точку для выбора высокомоментного RV-редуктора высокой жесткости для тяжелонагруженных сварочных позиционеров.

Однако при проектировании реальной машины эти расчеты следует уточнить с использованием фактического центра тяжести заготовки, полного момента инерции при вращении, профиля ускорения и торможения, массы оснастки, радиальных и осевых нагрузок, рабочего цикла и конкретных технических данных выбранного RV-редуктора.

Правильно согласованные RV-редуктор и серводвигатель могут обеспечить сочетание высокого крутящего момента, точного позиционирования, стабильного низкоскоростного вращения и механической жесткости, необходимых для роботизированных сварочных позиционеров, сварочных вращателей и другого тяжелонагруженного автоматизированного поворотного оборудования.