Harmonic Drive против планетарной коробки передач: выбор правильного роботизированного шарнирного редуктора

Когда запястный сустав коллаборативного робота смещается на 0,08 мм под нагрузкой в 1,5 кг, неисправным компонентом редко оказывается серводвигатель. Это редуктор. В роботизированных соединениях выбор между гармоническим приводом и планетарным редуктором определяет точность позиционирования, плотность крутящего момента, податливость и стоимость больше, чем любой другой узел сборки. Реальный вопрос не в том, какая технология лучше абстрактно, а в том, какая из них соответствует профилю движения сустава.

В этом руководстве обе технологии сравниваются с использованием измеримых параметров: люфта, жесткости на кручение, плотности крутящего момента, скоростных характеристик и срока службы. Он завершается практической схемой выбора, которую инженер-конструктор может применить перед размещением заказа.

Гармонический Drive против планетарной коробки передач: начните с люфта и плотности крутящего момента

В роботизированных соединениях гармонический привод обеспечивает меньший люфт и более высокую плотность крутящего момента, а планетарный редуктор обеспечивает более высокую жесткость и лучшую стоимость на ньютон-метр.

Люфт — это свободное угловое перемещение выхода при удержании входа. В суставе робота это проявляется в виде мертвой зоны в реакции управления и в виде ошибки положения при изменении направления. Гармонический привод деформирует гибкий сплайн с помощью генератора волн, создавая две зоны взаимодействия практически без зазора. Типичный гармонический привод достигает люфта в 1 угловую минуту или выше, а многие модели достигают 0,5 угловой минуты. Стандартная планетарная коробка передач имеет внутренний зазор между солнечной шестерней и планетарными шестернями, поэтому люфт обычно составляет от 3 до 15 угловых минут; Прецизионные планетарные агрегаты достигают точности от 1 до 3 угловых минут при более высокой цене.

Плотность крутящего момента, то есть номинальный крутящий момент на единицу внешнего диаметра, является вторым решающим фактором. Гибкая шлица гармонического привода наматывается вокруг круглого шлица большого диаметра, поэтому тот же размер корпуса обеспечивает примерно в два-три раза больший крутящий момент, чем сопоставимый планетарный редуктор. Для роботизированного сустава это означает меньшее и легкое запястье с той же грузоподъемностью. Планетарному редуктору требуется больше радиального пространства для планетарных шестерен, что делает его тяжелее при том же выходном крутящем моменте.

Когда требованием является прецизионное удержание, Руководство по глубокому погружению с гармоническим редуктором Более подробно рассматриваются последствия почти нулевого люфта для управления.

Гибкий зубчатый редуктор серии BSHF с полым валом Этот редуктор гармоник обеспечивает практически нулевой люфт и высокую жесткость, что делает его идеальным для точного удержания. Его компактная конструкция с полым валом подходит для роботизированных соединений с ограниченным пространством, а низкая крутильная жесткость влияет на настройку контроллера. Посмотреть продукт →

Жесткость и резонанс: почему гармонический привод меняет весь контур управления

Гармонический привод имеет меньшую крутильную жесткость, чем планетарный редуктор, но у него также почти нет люфта, и это меняет реакцию контроллера.

Жесткость на кручение – это сопротивление угловому отклонению под нагрузкой. Планетарный редуктор с несколькими планетарными шестернями, находящимися в контакте качения, является жестким; небольшой прибор может показывать от 5 до 10 Нм на угловую минуту. Гармонический привод мягче, поскольку гибкая шлица предназначена для изгиба. Меньшая жесткость в сочетании с безлюфтовым зазором делает контур положения более предсказуемым, но снижает частоту крутильного резонанса.

Если робот выполняет двухточечное позиционирование на низкой скорости с небольшой полезной нагрузкой, побеждает гармонический привод. Если шарниру приходится преодолевать внешние силы или выдерживать большое ускорение, более жесткую планетарную коробку передач легче стабилизировать, поскольку контур управления может работать с более широкой полосой пропускания без возбуждения структурных режимов.

Когда нужен планетарный редуктор: стоимость, рабочий цикл и ударные нагрузки

Планетарный редуктор — правильный выбор для роботизированных соединений, которым требуется входная скорость выше 4000 об/мин, которые должны выдерживать ударные нагрузки или должны оставаться в рамках ограниченного бюджета.

Планетарные редукторы широко распространены в робототехнике, поскольку они эффективны (от 90 до 97% на ступень), надежны и доступны по цене. Они работают на входных скоростях от 5 000 до 10 000 об/мин, в то время как гармонический привод обычно ограничивается 3 000–4 000 об/мин, поскольку гибкие шлицы быстрее утомляются на высокой скорости. Планетарные шестерни распределяют нагрузку на несколько точек контакта, поэтому силы удара распределяются. Тонкая гибкая шлица гармонического привода может необратимо деформироваться при чрезмерном пиковом крутящем моменте или при столкновении. Стоимость является третьим фактором: планетарный редуктор того же типоразмера обычно стоит на 30–50 процентов дешевле, чем гармонический привод. Для робота с шестью или семью суставами эта разница существенна.

Винтовой планетарный редуктор серии AHL для серводвигателей Этот винтовой планетарный редуктор обеспечивает плавную, бесшумную работу и высокий крутящий момент. Его встроенные подшипники и не требующая обслуживания смазка сокращают время простоя, что делает его экономически эффективным выбором для плечевых и локтевых осей промышленных роботов. Посмотреть продукт →

Как подобрать редуктор к роботизированному соединению: практический подход к выбору

Выберите редуктор, начав с требований к точности позиционирования, затем проверив постоянный крутящий момент и скорость и, наконец, сравнив стоимость и срок службы.

Учет реальных требований к шарниру предотвращает наиболее распространенную ошибку, связанную с заказом редуктора, размер которого превышает крутящий момент, но занижен по точности.

1. Определите требуемую повторяемость на концевом эффекторе, например, плюс/минус 0,05 мм.
2. Преобразуйте это в угловое разрешение сустава, используя длину сегмента руки.
3. Рассчитайте непрерывный крутящий момент на основе среднеквадратичной нагрузки двигателя и пиковый крутящий момент на основе профиля ускорения.
4. Укажите максимальную входную скорость, поскольку номинальная скорость гармонического привода ниже, чем у планетарного.
5. Проверьте жесткость на кручение в зависимости от пропускной способности контроллера.
6. Сравните общую стоимость владения, включая запасные части и ожидаемый срок службы.

Опыт BEITTO с гармоническими и планетарными приводами

BEITTO производит планетарные, гибкие зубчатые передачи и редукторы с несколькими выходами, поэтому роботизированное соединение можно выбрать из имеющихся на складе семейств продукции, а не привязываться к одной технологии.

Компания Zhejiang Beitto Transmission Technology Co., Ltd. (BEITTO) производит высокоточные планетарные редукторы 18 серий, гибкие зубчатые редукторы серий BSHF, BCSF и BCSG, а также серию TD для трансмиссии с одним входом и несколькими выходами. Компания управляет заводом площадью 12 000 квадратных метров, на котором работают более 90 сотрудников и более 20 лет опыта работы в сфере производства коробок передач. На производстве BEITTO используются японские точные методы производства и строгий контроль качества, что важно, когда шарнир должен выдерживать номинальный крутящий момент в течение длительного срока службы.

Для обеспечения гибкости соединения роботов и грузоподъемности серия TDCR имеет компактную конфигурацию с несколькими выходами. Серия TDCR предназначена для повышения гибкости суставов роботов. и грузоподъемность при сохранении низкого люфта.

Спирально-конический редуктор с полым валом серии TD-CR Благодаря выходному полому валу и малому люфту этот конический редуктор повышает гибкость шарниров робота и грузоподъемность. Его необслуживаемая конструкция и гибкий монтаж упрощают интеграцию, предлагая дополнение к гармоническим приводам для многоосных систем. Посмотреть продукт →

Часто задаваемые вопросы: Harmonic Drive и планетарный редуктор для роботизированных соединений

Какой редуктор имеет меньший люфт для роботизированного шарнира?

Гармонический привод имеет меньший люфт, обычно 1 угловую минуту или больше. Прецизионный планетарный редуктор достигает значения от 1 до 3 угловых минут, но стандартный планетарный блок обычно находится в диапазоне от 3 до 15 угловых минут.

Может ли планетарный редуктор заменить гармонический привод в запястье робота?

Можно, но шарнир будет иметь более высокий люфт и меньшую плотность крутящего момента для того же размера рамы. Планетарный редуктор также будет работать быстрее и лучше справляться с ударными нагрузками, что может быть преимуществом для запястья с осями захвата.

В чем заключается самый большой риск при выборе переходника для шарнира робота?

Самый большой риск – это выбор, основанный только на номинальном крутящем моменте. Многие инженеры забывают проверить жесткость на кручение, входную скорость и фактическую повторяемость соединения. Слишком мягкий редуктор может вызвать колебания, а слишком медленный для максимальной скорости двигателя сократит срок его службы.

Как рассчитать размер редуктора для шарнира робота?

Начните с постоянного крутящего момента на шарнире, умножьте его на пиковый коэффициент от 2 до 3 для ускорения, затем подтвердите требуемую входную скорость. Если соединение требует точной фиксации, также проверьте люфт и жесткость контура регулирования положения.