Bezuhlíkový motor pre robotiku: Hustota krútiaceho momentu, ozubenie a vlastná integrácia

Inžinier výskumu a vývoja nám raz povedal, že bezkomutátorový motor, ktorý fungoval skvele na skúšobnej stolici dronu, sa v priebehu niekoľkých minút zastavil na ramene robota. Príčinou nebol nedostatok sily. Bol to nesúlad medzi špecifikáciou nepretržitého krútiaceho momentu, ktorú používa konštruktér dronu, a profilom nízkej rýchlosti a vysokého krútiaceho momentu, ktorý vyžaduje kĺb robota. Bezuhlíkový motor pre robotiku musí držať polohu proti gravitácii, pohybovať sa hladko pri 20 otáčkach za minútu a prežiť časté cykly štart-stop bez tepelného poškodenia. To je úplne iná špecifikácia.

Inžinieri verejného obstarávania často robia rovnakú chybu: vyberú motor podľa najvyšších otáčok naprázdno v katalógu a potom zistia, že trvalý krútiaci moment pri skutočnej rýchlosti spoja nedosahuje. Výsledkom je redizajn, ktorý stojí mesiace.

Čo definuje bezkomutátorový motor pre robotiku?

Bezuhlíkový motor pre robotiku je trojfázový synchrónny stroj navrhnutý pre vysokú hustotu krútiaceho momentu, nízky krútiaci moment ozubenia a spätnú väzbu polohy v uzavretej slučke, a nie pre špičkové otáčky naprázdno.

Rozdiel je zrejmý, keď porovnáte hnací motor dronu s kĺbovým pohonom. Motor dronu je vybraný pre pomer ťahu k hmotnosti pri vysokých otáčkach. Kĺbový motor robota je vybraný pre nepretržitý krútiaci moment pri nízkych otáčkach, často s harmonickou prevodovkou, ktorá znižuje výstupné otáčky na 20-60 ot./min., pričom znásobuje krútiaci moment. Kritické parametre sú hustota krútiaceho momentu (Nm na kilogram hmotnosti motora), krútiaci moment ozubenia (magnetická zarážka, ktorá spôsobuje nerovnomerné otáčanie) a flexibilita vinutia.

O vinutí a kódovačoch sa rozhoduje aj na aplikačnej úrovni. Motor, ktorý pracuje pre os zápästia 24 V DC, môže potrebovať 310 V DC vinutie pre ťažkú ​​os pásu a typ kódovača sa musí zhodovať so vstupom ovládača. Toto nie sú katalógové voľby; sú to inžinierske voľby.

Prečo stály krútiaci moment pri nízkych otáčkach prevyšuje otáčky bez zaťaženia

Nepretržitý krútiaci moment pri nízkych otáčkach určuje, či robot dokáže udržať užitočné zaťaženie; maximálna rýchlosť na datasheete nie.

Gravitácia vždy pôsobí na motor, aj keď je rameno nehybné. Os zápästia, ktorá nesie nástroj s hmotnosťou 2 kg, potrebuje približne 0,5 až 1,5 Nm nepretržitého krútiaceho momentu pri 50 – 100 otáčkach za minútu, aby nástroj udržal stabilný. Os kolena potrebuje 3-8 Nm. Os ramena zvládajúca plné užitočné zaťaženie môže potrebovať 15 – 40 Nm. Rýchlosť bez zaťaženia 6000 otáčok za minútu je tu irelevantná, pretože kĺb nikdy nepracuje blízko tejto rýchlosti.

Prispôsobenie motorových platforiem robotickej kĺbovej architektúre

Spoločná architektúra by mala určovať rám motora a prevodovku, nie naopak.

Vysoko zaťažené ramenné kĺby ťažia z harmonických prevodových motorov, ktoré ponúkajú nulovú vôľu a vysokú hustotu energie. Jiangsu Retek Motion Co., Ltd. (Retek Motion) ponúka 200 Nm harmonický prevodový motor, ktorý sa hodí na ťažké ramenné a pásové osi. Stredné užitočné zaťaženie na kolaboratívnych ramenách a mobilných manipulátoroch funguje dobre s 60 Nm prevodovými motormi. Pre kompaktnú medicínsku robotiku namontovanú na ramene poskytuje 42 mm vonkajší bezkomutátorový motor s prevodovkou hustotu výkonu v malom priestore.

200 Nm harmonický prevodový motor pre vysokovýkonné kĺby robota Tento motor poskytuje krútiaci moment 200 Nm s nulovou vôľou, vďaka čomu je vhodný pre ťažké ramenné a pásové osi v robotoch vyžadujúcich presné a opakovateľné polohovanie. Zobraziť produkt →

60 Nm prevodový motor pre kolaboratívne roboty a manipulátory S menovitým krútiacim momentom 60 Nm je tento prevodový motor vhodný pre kolaboratívne ramená a mobilné manipulátory so stredným užitočným zaťažením a poskytuje spoľahlivý výkon pre rôzne robotické úlohy. Zobraziť produkt →

42 mm bezuhlíkový motor Outrunner s prevodovkou pre medicínsku robotiku Tento kompaktný 42 mm vonkajší bezkomutátorový motor s prevodovkou ponúka vysoký krútiaci moment a presné ovládanie, ideálne pre aplikácie medicínskej robotiky namontované na ramene. Zobraziť produkt →

Harmonické prevodovky ponúkajú nulovú vôľu, ktorá je potrebná pre opakovateľné polohovanie. Planétové prevodovky sú lacnejšie a lepšie znášajú nárazové zaťaženie, takže vyhovujú kolesám mobilných robotov, ktoré narážajú na obrubníky a rampy. Rám motora sa riadi výberom prevodovky, nie naopak.

Tento kontrolný zoznam použite pri hodnotení akéhokoľvek kandidátskeho motora pre kĺb robota:

• Skontrolujte trvalý krútiaci moment pri prevádzkových otáčkach, nie špičkový krútiaci moment pri nulových otáčkach.
• Odmerajte ozubený krútiaci moment s použitým prevodovým pomerom.
• Skontrolujte, či sa hodnotenie IP zhoduje s podmienkami umývania alebo vystavenia prachu.
• Skontrolujte, či je spätná väzba kódovača kompatibilná s ovládačom robota.
• Vyhodnoťte tepelnú cestu cez skriňu prevodovky.

Porovnanie hustoty krútiaceho momentu medzi veľkosťami rámu BLDC

Väčší rám nie vždy produkuje proporcionálne väčší využiteľný krútiaci moment, pretože faktor plnenia vinutia a odvod tepla sa menia s priemerom a axiálnou dĺžkou.

Bezkartáčové jednosmerné vedenie Retek Motion má rozpätie od 28 mm do 130 mm. Reprezentatívne hodnoty trvalého krútiaceho momentu v sérii 24 V DC sú zhruba 0,4 Nm pre 42 mm motor, 0,8 Nm pre 57 mm, 1,6 Nm pre 76 mm, 2,2 Nm pre 80 mm, 3,5 Nm pre 100 mm a 6,5 ​​Nm pre 130 mm. Progresia je bližšie ku kubickému vzťahu s priemerom rotora, a preto je výber veľkosti rámu predovšetkým problémom tepelného dizajnu.

Čo hľadať u dodávateľa robotických motorov

Inžinierska flexibilita a vertikálna integrácia výroby sú dôležitejšie ako katalógová šírka, pretože väčšina robotických kĺbov vyžaduje vlastný projekt motora.

Retek Motion navrhuje a vyrába bezkomutátorové jednosmerné motory vo vlastnej réžii od roku 2018. Spoločnosť tiež vyrába CNC-obrábané skrine prevodoviek, tlakovo liate komponenty a káblové zväzky pod jednou strechou. Táto kombinácia umožňuje výrobcovi robota opakovať konfigurácie vinutia, kódovača a konektora bez koordinácie viacerých dodávateľov.

Pre špecifické prípady použitia Retek's bezkomutátorové motory s nízkym ozubením znížiť zvlnenie polohy na výstupe, pričom bezkomutátorové jednosmerné motory s vysokým krútiacim momentom poskytujú potrebnú rezervu, keď je užitočné zaťaženie dynamické.

Často kladené otázky

Aký je rozdiel medzi bezkomutátorovým motorom pre robotiku a bežným BLDC motorom?

Robotický bezkomutátorový motor je určený pre nepretržitý krútiaci moment pri nízkych otáčkach, nízke ozubenie a spätnú kompatibilitu, zatiaľ čo bežný BLDC motor je zvyčajne dimenzovaný na špičkovú rýchlosť a vysoký výstupný výkon.

Ako vypočítam požadovaný nepretržitý krútiaci moment pre kĺb robota?

Vynásobte hmotnosť užitočného zaťaženia dĺžkou momentového ramena, pridajte odrazenú zotrvačnosť a straty prevodovky a potom použite bezpečnostný faktor aspoň 3x.

Je harmonická prevodovka lepšia ako planétová prevodovka pre robot s bezkomutátorovým motorom?

Harmonické prevodovky poskytujú nulovú vôľu a vysokú redukciu pre presné kĺby ramien; planétové prevodovky lepšie zvládajú rázové zaťaženie pre mobilné hnacie kolesá.

Môžem získať vlastný bezkomutátorový motor s integrovaným ovládačom pre robotiku?

áno. Integrovaný ovládač a vlastné možnosti vinutia sú štandardom a vertikálne integrovaný dodávateľ môže vyrobiť aj kryt prevodovky a káblový zväzok.