Как выбрать двигатель сочленения робота для повышения производительности концевого эффектора?

Введение

При проектировании роботизированной руки выбор подходящего двигателя шарнира робота — это не просто выбор наибольшего крутящего момента, наименьших габаритов или наиболее передовой технологии передачи. Конечная цель каждого шарнира робота — обеспечивать движение и производительность конечного эффектора.

Роботизированная рука может использовать захват, вакуумный инструмент, камеру, сварочную горелку, устройство контроля, дозирующую головку, отвертку или другой специализированный инструмент. Каждый конечный эффектор предъявляет различные требования к грузоподъемности, скорости движения, ускорению, стабильности позиционирования и динамическому отклику.

По этой причине выбор двигателя шарнира робота следует начинать с определения характеристик, требуемых на конце роботизированной руки.

Масса, центр тяжести, габариты, цикл движения, требования к ускорению и рабочая задача конечного эффектора влияют на характеристики, требуемые от шарниров робота. Затем эти требования могут быть преобразованы в крутящий момент двигателя, выходную скорость, передаточное число, массу шарнира и характеристики передачи.

Во многих роботизированных системах как гармонический двигатель шарнира, так и планетарный двигатель шарнира могут обеспечить эффективное решение. Оптимальный выбор зависит от требований к работе всей роботизированной руки, а не от спецификации одного компонента.

В этой статье объясняется, как требования к конечному эффектору влияют на выбор двигателя шарнира робота и как инженеры могут оценивать гармонические и планетарные двигатели шарниров с учетом фактической производительности роботизированной руки.

Почему выбор двигателя шарнира робота следует начинать с конечного эффектора？

Конечный эффектор — это место, где роботизированная рука выполняет свою фактическую работу.

Двигатель шарнира робота создает ценность не просто за счет создания крутящего момента. Его назначение — перемещать звенья роботизированной руки, чтобы конечный эффектор мог достигать заданной точки, позиционироваться, ускоряться, замедляться и взаимодействовать с заготовкой или окружающей средой.

Это означает, что итоговую производительность робота следует оценивать по конечному эффектору.

Робот может иметь достаточный крутящий момент в шарнирах, но при этом демонстрировать низкую производительность конечного эффектора. Рука может вибрировать после быстрого перемещения, слишком медленно ускоряться, требовать чрезмерного времени для стабилизации или изменять положение под внешней нагрузкой.

Поэтому первым этапом выбора двигателя шарнира робота должно быть определение того, что должен выполнять конечный эффектор.

Следует учитывать требуемую полезную нагрузку, массу инструмента, центр тяжести, рабочую зону, максимальную скорость, ускорение, стабильность позиционирования и рабочий цикл.

После определения этих требований инженеры могут оценить характеристики, необходимые для всей роботизированной руки, а затем выбрать соответствующий двигатель шарнира робота для каждой оси.

Как масса конечного эффектора влияет на требования к двигателю шарнира робота？

Сборка конечного эффектора часто включает не только сам инструмент.

Полная оконечная сборка робота может включать захват, устройство смены инструмента, датчик усилия, камеру, кабели, разъемы, вакуумные компоненты, технологическое оборудование и заготовку.

Все эти компоненты вносят вклад в нагрузку, переносимую роботизированной рукой.

Однако выбор двигателя шарнира робота не должен основываться только на массе.

Расположение центра тяжести не менее важно.

Компактный и тяжелый инструмент может создавать меньший момент в шарнире, чем более легкий инструмент, значительно удаленный от фланца робота.

Для упрощенного статического состояния момент нагрузки можно представить следующим образом:

T = m ×g×L

где T — требуемый крутящий момент, m — масса, g — ускорение свободного падения, а L — эффективное расстояние между осью шарнира и центром тяжести.

При изменении положения роботизированной руки эффективное плечо рычага также может изменяться.

Это означает, что требования к двигателю шарнира робота следует рассчитывать с учетом всего диапазона движения, а не одного статического положения.

Почему инерция инструмента важна при выборе двигателя шарнира робота？

Масса конечного эффектора является лишь одной частью динамической нагрузки.

Момент инерции инструмента при вращении может существенно влиять на производительность двигателя шарнира робота.

Инструмент со значительным смещением относительно оси вращения может требовать значительного ускоряющего крутящего момента, даже если его общая масса относительно мала.

Момент инерции при вращении можно упростить следующим образом:

J = m×r²

где J обозначает момент инерции при вращении, m обозначает массу, а r обозначает расстояние между массой и осью вращения.

Квадратичная зависимость от расстояния означает, что увеличение расстояния между массой инструмента и осью вращения может существенно увеличить инерцию.

Во время ускорения и замедления двигатель шарнира робота должен создавать дополнительный крутящий момент.

Этот динамический крутящий момент можно представить следующим образом:

T = J× α

где α — угловое ускорение.

Поэтому для роботизированных рук, оснащенных длинными захватами, инспекционными инструментами, камерами, технологическими головками или удлиненными устройствами смены инструмента, инерцию следует оценивать вместе с грузоподъемностью.

Двигатель шарнира робота, который кажется достаточным по статическому крутящему моменту, может не обеспечить требуемую динамическую производительность при быстрых перемещениях.

Как масса двигателя шарнира робота влияет на динамику роботизированной руки？

Масса двигателя шарнира робота становится частью самой роботизированной руки.

Это особенно важно для шарниров, расположенных дальше от основания робота.

Тяжелый шарнир вблизи конца руки становится нагрузкой для других шарниров робота. Эту дополнительную массу необходимо ускорять и замедлять в каждом цикле движения.

В результате выбор неоправданно большого двигателя шарнира для одной оси может увеличить требования к крутящему моменту других осей.

Этот эффект может накапливаться.

Более крупный двигатель шарнира может увеличить массу на удаленной части руки. Увеличение этой массы может потребовать более крупного двигателя ближе к основанию. Более крупный двигатель у основания затем добавляет дополнительную массу к роботизированной конструкции.

Именно поэтому при выборе двигателя шарнира робота следует учитывать распределение массы всей роботизированной руки.

Для высокоскоростных применений снижение ненужной массы на удаленных участках может улучшить ускорение конечного эффектора и уменьшить механическую нагрузку на весь робот.

Почему плотность крутящего момента важна для производительности конечного эффектора？

Плотность крутящего момента является важным параметром при выборе двигателя шарнира робота, поскольку роботизированные системы должны обеспечивать баланс между выходными возможностями, габаритами и массой.

Компактный двигатель шарнира с достаточным крутящим моментом может помочь уменьшить габариты роботизированной руки. Легкий шарнир может уменьшить массу на удаленных участках. Меньшая масса на удаленных участках может снизить крутящий момент, требуемый от других шарниров.

Эти преимущества могут улучшить динамическую производительность конечного эффектора.

Однако цель заключается не просто в выборе наименьшего возможного двигателя шарнира робота.

Недостаточно мощный двигатель может иметь недостаточный длительный крутящий момент, ограниченную тепловую мощность или слабую способность к перегрузке.

Цель состоит в выборе двигателя шарнира робота, обеспечивающего надлежащий баланс между выходным крутящим моментом, массой шарнира, монтажными габаритами и динамическими требованиями.

Это особенно важно при проектировании роботизированных рук для высокоскоростной обработки материалов, инспекции, обслуживания станков и автоматизированной сборки.

Гармонический двигатель шарнира и производительность конечного эффектора

Гармонический двигатель шарнира обычно проектируется путем объединения двигателя с гармонической системой передачи и другими компонентами движения в компактной конструкции шарнира.

Такое решение может быть выгодным, когда роботизированной руке требуется высокое передаточное число в компактном монтажном пространстве.

Для роботизированных систем гармонический двигатель шарнира может поддерживать компактную механическую архитектуру, обеспечивая при этом высокий выходной крутящий момент относительно своих габаритов.

Это может быть ценным при ограниченном монтажном пространстве или когда уменьшение габаритов шарниров способствует улучшению общей конструкции роботизированной руки.

Технология гармонической передачи также может подходить для применений, где важно управляемое позиционирование при вращении.

Например, роботизированные руки для точной сборки, инспекции, компактного автоматизированного оборудования и контролируемой обработки материалов могут получить преимущества от гармонического двигателя шарнира , когда требуемое сочетание крутящего момента, габаритов и характеристик позиционирования соответствует характеристикам системы.

Однако гармонический двигатель шарнира все равно следует оценивать с учетом полного применения робота.

Перед окончательным выбором следует учитывать требуемую выходную скорость, рабочий цикл, внешнюю нагрузку, ускорение, механическую жесткость и инерцию конечного эффектора.

Планетарный двигатель шарнира и производительность конечного эффектора

Планетарный двигатель шарнира использует планетарную систему редуктора для преобразования скорости и крутящего момента в шарнире робота.

Планетарные системы передачи широко применяются в промышленных приводных системах и могут обеспечивать гибкий подход к конфигурированию передаточного числа и рабочих характеристик.

Для роботизированных рук планетарный двигатель шарнира может быть подходящим, когда требуемые выходная скорость, крутящий момент, эффективность и конфигурация системы соответствуют характеристикам применения.

Различные передаточные числа могут обеспечивать различные соотношения между скоростью двигателя и выходной скоростью.

Это может быть полезно, когда роботизированной руке требуется определенный баланс между быстрым движением и выходным крутящим моментом.

Планетарный двигатель шарнира не следует рассматривать просто как альтернативу гармоническому двигателю шарнира с более низкой производительностью.

Эти две технологии имеют разные механические характеристики.

Подходящий выбор зависит от задачи конечного эффектора, требуемого профиля движения, доступного монтажного пространства, выходного крутящего момента, требований к скорости и архитектуры всей роботизированной руки.Гармонический двигатель шарнира и планетарный двигатель шарнира

Сравнение гармонического двигателя шарнира и планетарного двигателя шарнира следует начинать с роботизированной задачи, а не с общего утверждения о том, какая технология лучше.

Гармонический двигатель шарнира может быть более подходящим, когда роботизированной руке требуются компактная конструкция, высокое передаточное число, высокая плотность крутящего момента и точное вращательное движение в ограниченном монтажном пространстве.

Планетарный двигатель шарнира может быть подходящим, когда применению требуется иной баланс между выходной скоростью, эффективностью передачи, передаточным числом и механической конфигурацией.

При окончательном решении следует учитывать полный режим эксплуатации.

Сюда входят масса конечного эффектора, полезная нагрузка, центр тяжести, инерция инструмента, требуемая скорость, ускорение, рабочий цикл, габариты роботизированной руки и требования к монтажу.

Лучший двигатель шарнира робота не обязательно является двигателем с наибольшим крутящим моментом или наиболее сложной технологией передачи.

Это двигатель шарнира, который позволяет всей роботизированной руке эффективно и надежно достигать требуемой производительности конечного эффектора.

Как жесткость шарнира влияет на стабильность конечного эффектора？

На стабильность конечного эффектора влияет вся механическая конструкция роботизированной руки.

Шарниры, системы передачи, подшипники, корпуса, монтажные интерфейсы и звенья робота могут испытывать небольшие механические деформации под нагрузкой.

Эти воздействия могут накапливаться по всей роботизированной руке.

Для робота с большим вылетом небольшое угловое смещение вблизи основания может вызвать большее изменение положения конечного эффектора.

Это означает, что одного выходного крутящего момента недостаточно для оценки двигателя шарнира робота.

Механическую жесткость также следует учитывать, когда применению требуется стабильное позиционирование инструмента.

Это особенно актуально для роботизированных применений, связанных с точной сборкой, инспекцией, установкой, дозированием, полировкой и другими задачами, где взаимное положение конечного эффектора и заготовки должно оставаться стабильным.

Цель заключается в оценке двигателя шарнира как части всей механической системы.

Динамический отклик и время стабилизации конечного эффектора

Робот может быть способен быстро достигать целевого положения, при этом конечному эффектору все еще требуется дополнительное время для стабилизации.

После ускорения и замедления вибрация в роботизированной руке может влиять на стабилизацию конечного эффектора.

Это время стабилизации может напрямую влиять на фактический производственный цикл.

Например, увеличение максимальной скорости робота не всегда повышает производительность, если робот должен ждать уменьшения вибрации, прежде чем конечный эффектор сможет начать следующую операцию.

Выбор двигателя шарнира робота может влиять на это поведение посредством таких факторов, как масса шарнира, выходная инерция, механическая жесткость, характеристики передачи и динамическое взаимодействие между осями робота.

Поэтому для высокоскоростной автоматизации инженеры должны учитывать, насколько быстро конечный эффектор может перемещаться, останавливаться и стабилизироваться.

Целью должна быть не только высокая максимальная скорость.

Целью должна быть эффективная производительность движения в течение всего рабочего цикла.

Выбор двигателя шарнира робота для различных задач конечного эффектора

Разные конечные эффекторы предъявляют разные требования к двигателю шарнира робота.

Захват для обработки материалов может требовать высокой грузоподъемности и эффективного повторяющегося движения. Инструмент для точной сборки может требовать контролируемого позиционирования и стабильного движения. Система технического зрения может требовать низкой вибрации и быстрой стабилизации. Технологический инструмент может требовать непрерывной работы при изменяющихся внешних нагрузках.

По этой причине выбор двигателя шарнира робота должен основываться на фактической рабочей задаче.

Задача определяет требования к конечному эффектору.

Требования к конечному эффектору определяют требуемую производительность роботизированной руки.

Требования к производительности роботизированной руки затем определяют требования к крутящему моменту, скорости, массе, жесткости и передаче каждого двигателя шарнира робота.

Такой системный подход помогает избежать выбора шарниров робота только по каталожным спецификациям.

Системный метод выбора двигателя шарнира робота

Практический процесс выбора двигателя шарнира робота начинается с определения конечного эффектора и задачи.

Полная оконечная сборка должна включать массу инструмента, полезной нагрузки, датчиков, разъемов, кабелей и другого установленного оборудования.

Затем следует оценить центр тяжести и момент инерции при вращении.

Требуемый диапазон движения, скорость, ускорение и время цикла могут использоваться для определения требований к динамической производительности роботизированной руки.

Затем механическая модель может использоваться для оценки статических и динамических нагрузок, испытываемых каждым шарниром во всем рабочем диапазоне.

Требуемые характеристики шарнира затем могут оцениваться по выходному крутящему моменту, требованиям к непрерывной работе, скорости, массе, габаритам, конфигурации передачи и условиям монтажа.

После предварительного выбора двигателей шарниров их фактическую массу и габариты следует включить в полную модель роботизированной руки.

Затем систему можно оценить повторно, чтобы определить, как выбранные двигатели шарниров робота влияют на итоговую производительность конечного эффектора.

Этот итеративный подход может помочь инженерам избежать ненужного завышения размеров, сохраняя достаточную производительность и надежность.

Решения HONPINE с гармоническими и планетарными двигателями шарниров

HONPINE предлагает интегрированные приводные продукты для робототехнических систем и промышленной автоматизации, включая гармонические двигатели шарниров и решения с планетарными двигателями шарниров.

Для различных применений роботов могут требоваться разные сочетания выходного крутящего момента, передаточного числа, скорости, габаритов и массы шарнира.

По этой причине при выборе двигателя шарнира робота следует учитывать всю роботизированную систему, а не отдельную спецификацию.

Важная информация о применении может включать тип конечного эффектора, полезную нагрузку, массу инструмента, центр тяжести, вылет роботизированной руки, массу звеньев, требуемую выходную скорость, ускорение, рабочий цикл и доступное монтажное пространство.

Эти параметры могут обеспечить основу для оценки требований к производительности каждого шарнира.

В зависимости от применения гармонический двигатель шарнира может обеспечивать преимущества для компактных роботизированных архитектур, требующих высоких передаточных чисел и высокой плотности крутящего момента.

Планетарный двигатель шарнира может обеспечивать альтернативное решение, когда требуется иной баланс между выходной скоростью, конфигурацией передачи и механическими требованиями.

Оценивая всю роботизированную руку и характеристики, требуемые от конечного эффектора, проектировщики могут выбрать для применения более сбалансированную архитектуру двигателя шарнира.

Заключение

Производительность роботизированной руки в конечном итоге измеряется по конечному эффектору.

По этой причине выбор двигателя шарнира робота следует начинать с конечной задачи, а не со спецификации продукта.

Масса и центр тяжести конечного эффектора влияют на нагрузку шарнира. Инерция инструмента влияет на требования к ускорению. Масса шарнира влияет на динамическую производительность всей роботизированной руки. Механическая жесткость влияет на стабильность конечного эффектора. Совокупная производительность всех шарниров робота влияет на скорость перемещения и стабилизации конечного эффектора.

Как гармонический двигатель шарнира, так и планетарный двигатель шарнира могут обеспечивать эффективные решения для роботизированных систем, но их следует выбирать в соответствии с фактическими требованиями применения.

Лучший двигатель шарнира робота — это не просто наиболее мощное, компактное или высокоредукторное решение.

Это двигатель шарнира, который обеспечивает правильный баланс между крутящим моментом, скоростью, массой, габаритами, динамической производительностью и надежностью для всей роботизированной руки.

Начав с требований конечного эффектора и последовательно анализируя роботизированную руку в обратном направлении, инженеры могут разработать более эффективную и ориентированную на применение архитектуру двигателя шарнира.

HONPINE предлагает решения с гармоническими и планетарными двигателями шарниров для робототехнических систем и автоматизации, помогая разработчикам систем оценивать интегрированные решения для вращательного движения в соответствии с требованиями к производительности их полных роботизированных систем.