Что такое номинальный, кратковременный и пиковый крутящий момент в волновом приводе?

При выборе гармонического привода для роботизированного сочленения инженеры часто обращают внимание на его максимальный выходной крутящий момент. Однако одного значения крутящего момента недостаточно, чтобы полностью описать рабочие возможности привода. Роботизированному сочленению может потребоваться длительно выдерживать нагрузку, развивать повышенный крутящий момент при периодических движениях или выдерживать кратковременные внешние удары. Для этих различных условий эксплуатации требуются разные номинальные значения крутящего момента.

Номинальный, прерывистый и пиковый крутящий момент характеризуют три разных аспекта работы гармонического привода. Понимание различий между ними необходимо для оценки способности выдерживать непрерывную нагрузку, обеспечивать динамические движения и работать в пределах механических ограничений. Для гуманоидных роботов, четвероногих роботов и роботизированных манипуляторов выбор привода только по пиковому крутящему моменту может привести к перегреву, ускоренному износу компонентов и сокращению срока службы.

1. Номинальный крутящий момент: основа непрерывной работы

Номинальный крутящий момент — это выходной крутящий момент, который гармонический привод может непрерывно развивать в заданных производителем условиях эксплуатации. К таким условиям могут относиться допустимый диапазон рабочих скоростей, температура окружающей среды, условия охлаждения и другие соответствующие характеристики.

Он характеризует способность привода к непрерывной работе и тесно связан с его тепловой конструкцией.

Во время работы бескорпусный моментный двигатель, гармонический редуктор, подшипники, энкодер и другие внутренние компоненты выделяют тепло. Привод должен эффективно отводить это тепло, чтобы температура компонентов оставалась в допустимых пределах.

При работе в пределах номинальных условий привод рассчитан на стабильную работу в течение длительного времени. Это помогает защитить двигатель, редуктор, подшипники и другие компоненты от чрезмерных тепловых нагрузок, обеспечивая долгосрочную надежность и стабильные характеристики передачи.

Почему номинальный крутящий момент важен для долгосрочной надежности?

Если гармонический привод непрерывно работает с крутящим моментом выше номинального, тепловыделение может превысить способность к отводу тепла. По мере повышения температуры изоляция обмоток двигателя, смазка редуктора, подшипники и электронные компоненты могут подвергаться дополнительным тепловым нагрузкам.

Длительная работа с чрезмерной нагрузкой может ускорить старение компонентов, увеличить механический износ и со временем ухудшить точность позиционирования.

Поэтому при оценке нагрузок, которые необходимо поддерживать непрерывно, следует в первую очередь ориентироваться на номинальный крутящий момент.

Применим ли номинальный крутящий момент только при одной определенной скорости?

Не обязательно. Номинальный крутящий момент не следует трактовать как выходное значение, доступное только при одной фиксированной номинальной скорости.

Для такого гармонического привода, как серия HPJM компании HONPINE, способность развивать непрерывный крутящий момент следует оценивать во всем указанном диапазоне рабочих скоростей. Однако фактически допустимый непрерывный крутящий момент может меняться в зависимости от частоты вращения, температуры окружающей среды, условий охлаждения, ограничений по току двигателя и допустимой нагрузки редуктора.

Поэтому инженерам следует обращаться к характеристикам «крутящий момент — скорость» и эксплуатационным спецификациям производителя, а не предполагать, что одинаковый непрерывный крутящий момент доступен при любой скорости.

Типичные области применения номинального крутящего момента

Номинальный крутящий момент особенно важен для приложений с относительно стабильной нагрузкой и длительным временем работы.

Например, гуманоидным роботам необходим достаточный непрерывный крутящий момент в сочленениях для поддержания положения стоя. Конвейерные системы и автоматизированное оборудование могут нуждаться в стабильной выходной мощности при относительно постоянной нагрузке. Оборудование для медицинской реабилитации также может требовать непрерывной работы в заданных условиях нагрузки.

В таких приложениях непрерывная рабочая нагрузка, как правило, должна оставаться в пределах номинального крутящего момента привода при заданных условиях.

2. Прерывистый крутящий момент: работа с периодическими высокими нагрузками

Прерывистый крутящий момент — это повышенный выходной крутящий момент, который гармонический привод может развивать в течение ограниченного времени при заданных условиях циклической нагрузки.

В отличие от номинального крутящего момента, прерывистый крутящий момент не предназначен для непрерывной работы с полной нагрузкой. Он рассчитан на приложения, в которых сочленение периодически испытывает повышенную нагрузку, сменяющуюся периодами меньшей нагрузки или отдыха.

Эта характеристика особенно важна для динамических роботизированных систем, в которых крутящий момент в сочленениях меняется на протяжении каждого цикла движения.

Например, в техническом паспорте изделия может быть указано значение прерывистого крутящего момента для режима прерывистой нагрузки S3 с заданной продолжительностью включения, например 10% или 25%.

Продолжительность включения показывает, какую часть заданного рабочего цикла привод работает в определенном режиме нагрузки. Фактически допустимое время работы и продолжительность периода отдыха должны соответствовать спецификациям производителя.

Значение прерывистого крутящего момента всегда следует рассматривать вместе с продолжительностью включения, длительностью цикла и условиями эксплуатации.

Почему прерывистый крутящий момент нельзя использовать для непрерывной работы?

Для создания повышенного выходного крутящего момента обычно требуется больший ток двигателя, что приводит к усиленному тепловыделению.

При прерывистой работе периоды меньшей нагрузки или отдыха дают приводу возможность отводить тепло. Это помогает удерживать среднюю тепловую нагрузку в пределах заданных эксплуатационных ограничений.

Однако при непрерывной работе привода на уровне прерывистого крутящего момента тепло может накапливаться быстрее, чем отводиться. Это может вызвать чрезмерное повышение температуры и ускорить старение изоляции двигателя, компонентов редуктора и подшипников.

Повторная работа с превышением заданной продолжительности включения также может увеличить механические нагрузки и ухудшить долговременную стабильность позиционирования.

Поэтому прерывистый крутящий момент не следует рассматривать как замену номинальному. Его использование должно соответствовать заданной продолжительности включения и тепловым ограничениям.

Почему прерывистый крутящий момент важен для гуманоидных роботов?

Нагрузка на сочленения гуманоидного робота значительно меняется при ходьбе, беге, приседании, вставании и других динамических движениях.

Рассмотрим работу суставов ног в цикле ходьбы. На разных этапах движения требуются разные значения крутящего момента:

Фаза опоры: суставы ноги поддерживают вес тела и сохраняют равновесие.

Фаза отталкивания: суставы создают повышенный крутящий момент, чтобы продвинуть тело вперед.

Фаза переноса: нога движется вперед, при этом профиль нагрузки и крутящего момента отличается.

Приземление и поглощение ударной нагрузки: суставы реагируют на меняющиеся внешние силы и динамические нагрузки.

На этапе отталкивания и других этапах с высокой нагрузкой может потребоваться крутящий момент выше уровня, допустимого при непрерывной работе. Способность привода выдерживать такие повторяющиеся движения зависит от его характеристик прерывистого крутящего момента, продолжительности включения, тепловых характеристик и фактического профиля движения.

Аналогичные требования возникают у четвероногих роботов при подъеме, ускорении и прыжках, а также у роботизированных манипуляторов, которые многократно поднимают и перемещают заготовки.

Для таких приложений прерывистый крутящий момент является важным параметром оценки динамических характеристик сочленения.

3. Пиковый крутящий момент: кратковременный предел работы

Пиковый крутящий момент — это максимальный крутящий момент, который гармонический привод рассчитан развивать или выдерживать в течение короткого времени при заданных условиях.

Он представляет собой кратковременный рабочий предел, определяемый совокупными возможностями двигателя, гармонического редуктора, выходной конструкции, подшипников и других механических и электрических компонентов.

На способность развивать пиковый крутящий момент влияют несколько факторов, в том числе:

• Прочность гибкого колеса и допустимая деформация в гармоническом редукторе.

  
  

• Механическая прочность выходного фланца и вала.

  
  

• Ограничения по току двигателя и его электромагнитные характеристики.

  
  

• Грузоподъемность подшипников.

  
  

• Допустимые значения напряжений в конструкции привода.

В отличие от номинального крутящего момента, пиковый крутящий момент не является тепловым параметром для непрерывной работы. Обычно он относится к кратковременным переходным режимам, а допустимая продолжительность и частота таких режимов должны соответствовать спецификациям производителя.

Что происходит при превышении пикового крутящего момента?

Если приложенный крутящий момент превышает заданный предел пикового крутящего момента привода, чрезмерные механические или электромагнитные нагрузки могут повредить внутренние компоненты.

В зависимости от величины и продолжительности перегрузки возможны остаточная деформация или повреждение гибкого колеса гармонического редуктора, чрезмерные нагрузки на выходной фланец, повреждение подшипников и ухудшение характеристик двигателя.

Сильная перегрузка также может привести к увеличению люфта и необратимому снижению точности позиционирования.

Даже если привод не выходит из строя сразу, повторяющиеся перегрузки могут вызвать накопление механических повреждений и сократить срок его службы.

Поэтому пиковый крутящий момент следует рассматривать как кратковременный рабочий предел, а не как обычную расчетную цель.

В каких случаях инженерам следует учитывать пиковый крутящий момент?

Пиковый крутящий момент имеет значение при оценке кратковременных переходных режимов, таких как внезапные внешние возмущения, кратковременные ударные нагрузки, аварийное торможение или неожиданный контакт.

Для гуманоидных роботов инженерам может потребоваться учитывать переходные нагрузки, вызванные неожиданным контактом или ударом во время работы.

Однако запланированные движения, такие как ходьба, бег, прыжки и приседания, не должны опираться на пиковый крутящий момент как на обычную рабочую характеристику. Их необходимо оценивать по соответствующим спецификациям номинального и прерывистого крутящего момента с учетом фактического профиля нагрузки.

4. Номинальный, прерывистый и пиковый крутящий момент: в чем разница

Хотя все три параметра описывают способность гармонического привода развивать крутящий момент, они соответствуют разным условиям эксплуатации.

Основное различие заключается в следующем:

Номинальный крутящий момент определяет способность привода непрерывно развивать выходной крутящий момент.

Прерывистый крутящий момент определяет повышенный крутящий момент, доступный при заданных условиях циклической нагрузки.

Пиковый крутящий момент определяет кратковременный предел крутящего момента при заданных переходных условиях.

Высокое значение пикового крутящего момента гармонического привода не обязательно означает высокий номинальный крутящий момент. Аналогично, высокое значение прерывистого крутящего момента не означает, что привод может непрерывно поддерживать такую выходную характеристику.

При сравнении различных приводов инженерам следует изучать все три значения и понимать условия, для которых указано каждое из них.

5. Как выбрать гармонический привод с учетом требований к крутящему моменту?

Выбор гармонического привода требует большего, чем простое сравнение максимальных значений крутящего момента. Инженерам следует оценить фактический профиль нагрузки роботизированного сочленения на протяжении всего рабочего цикла.

Практическая оценка включает три основных аспекта.

Оцените непрерывную нагрузку

Сначала рассчитайте крутящий момент, необходимый при длительной работе.

Например, гуманоидному роботу может потребоваться длительное время сохранять положение стоя. Суставы ног должны непрерывно поддерживать тело и сохранять устойчивость.

Рассчитанную непрерывную нагрузку следует сравнить с номинальным крутящим моментом привода, чтобы убедиться, что сочленение может работать в заданных тепловых и механических пределах.

Оцените периодические движения с высокой нагрузкой

Затем определите этапы движения, на которых требуется повышенный крутящий момент.

У гуманоидных роботов к ним могут относиться отталкивание, приседание и вставание. У роботизированных манипуляторов — подъем и перемещение заготовок.

Инженерам следует оценить требуемый крутящий момент, продолжительность работы, частоту циклов и продолжительность включения, а затем сопоставить эти условия со спецификациями прерывистого крутящего момента привода.

Проверьте переходные нагрузки

Наконец, оцените кратковременные перегрузки, вызванные ударами, внезапными внешними силами или аварийным торможением.

Максимальный переходный крутящий момент должен оставаться в пределах заданного пикового крутящего момента привода с учетом соответствующего инженерного запаса прочности.

Пиковый крутящий момент не следует использовать в качестве основы для расчета сочленения, которому необходимо непрерывно или многократно работать с высоким крутящим моментом.

Учитывайте весь профиль работы

Крутящий момент — лишь один из факторов выбора гармонического привода. Инженерам также следует учитывать рабочую скорость, ускорение, профиль движения, температуру окружающей среды, условия охлаждения, радиальные и осевые нагрузки, опрокидывающие моменты, крутильную жесткость, точность позиционирования и срок службы редуктора.

Для динамических роботизированных приложений тепловые характеристики и механическую нагрузочную способность необходимо оценивать в совокупности.

Подходящий гармонический привод должен не только удовлетворять требованиям сочленения к максимальному крутящему моменту, но и сохранять надежные характеристики на протяжении всего рабочего цикла.

Заключение

Номинальный, прерывистый и пиковый крутящий момент описывают три разных аспекта рабочих возможностей гармонического привода. Номинальный крутящий момент определяет его способность выдерживать непрерывную нагрузку, прерывистый относится к периодическим движениям с высокой нагрузкой, а пиковый задает кратковременный предел при переходных режимах.

Для гуманоидных роботов и других динамических роботизированных систем понимание этих различий помогает инженерам избежать неправильного выбора привода и чрезмерных рабочих нагрузок. Вместо того чтобы выбирать гармонический привод только по максимальному крутящему моменту, инженерам следует оценивать полный профиль движения, продолжительность включения, тепловые условия и механические требования к сочленению.