Silnik bezszczotkowy dla robotyki: gęstość momentu obrotowego, uzębienie i integracja niestandardowa

Inżynier ds. badań i rozwoju powiedział nam kiedyś, że silnik bezszczotkowy, który doskonale spisał się na stanowisku testowym dronów, zatrzymał się w ramieniu robota w ciągu kilku minut. Przyczyną nie był brak mocy. Była to rozbieżność między specyfikacją ciągłego momentu obrotowego zastosowaną przez konstruktora drona a profilem momentu obrotowego charakteryzującym się niską prędkością i wysokim momentem trzymania wymaganym przez złącze robota. Bezszczotkowy silnik do robotyki musi utrzymywać pozycję wbrew grawitacji, poruszać się płynnie z prędkością 20 obr./min i przetrwać częste cykle rozruchu i zatrzymania bez uszkodzeń termicznych. To zupełnie inny krajobraz specyfikacji.

Inżynierowie ds. zakupów często popełniają ten sam błąd: wybierają silnik w oparciu o najwyższe w katalogu obroty bez obciążenia, a następnie odkrywają, że ciągły moment obrotowy przy rzeczywistej prędkości połączenia jest niewystarczający. Rezultatem jest przeprojektowanie, które kosztuje miesiące.

Co definiuje silnik bezszczotkowy w robotyce?

Bezszczotkowy silnik do robotyki to trójfazowa maszyna synchroniczna zaprojektowana pod kątem dużej gęstości momentu obrotowego, niskiego momentu obrotowego i sprzężenia zwrotnego położenia w pętli zamkniętej, a nie szczytowych obrotów na minutę bez obciążenia.

Różnica staje się oczywista, gdy porównasz silnik drona napędowego ze wspólnym siłownikiem. Silnik drona jest wybierany pod kątem stosunku ciągu do masy przy wysokich obrotach. Silnik przegubowy robota jest wybierany pod kątem ciągłego momentu obrotowego przy niskiej prędkości, często z harmoniczną skrzynią biegów, która zmniejsza prędkość wyjściową do 20–60 obr./min, jednocześnie zwiększając moment obrotowy. Krytycznymi parametrami są gęstość momentu obrotowego (Nm na kilogram masy silnika), moment zaczepowy (zapadka magnetyczna powodująca nierówny obrót) i elastyczność uzwojenia.

Uzwojenia i enkodery są również ustalane na poziomie aplikacji. Silnik pracujący z osią nadgarstkową 24 VDC może wymagać uzwojenia 310 VDC w przypadku osi o dużej średnicy, a typ enkodera musi odpowiadać wejściu sterownika. To nie są wybory katalogowe; są to wybory inżynieryjne.

Dlaczego ciągły moment obrotowy przy niskiej prędkości przewyższa obroty bez obciążenia

Ciągły moment obrotowy przy niskich obrotach określa, czy robot może utrzymać ładunek; maksymalna prędkość w arkuszu danych nie.

Grawitacja zawsze działa na silnik, nawet gdy ramię jest nieruchome. Oś nadgarstka, na której można umieścić narzędzie o masie 2 kg, wymaga około 0,5 do 1,5 Nm ciągłego momentu obrotowego przy 50–100 obr./min, aby utrzymać narzędzie stabilnie. Oś łokciowa potrzebuje 3-8 Nm. Oś barkowa obsługująca pełny ładunek może potrzebować 15–40 Nm. Prędkość bez obciążenia wynosząca 6000 obr./min nie ma tutaj znaczenia, ponieważ przegub nigdy nie pracuje w pobliżu tej prędkości.

Dopasowanie platform silnikowych do architektury połączeń robotycznych

Architektura połączenia powinna determinować ramę silnika i skrzynię biegów, a nie odwrotnie.

Przeguby barkowe o dużym obciążeniu korzystają z motoreduktorów harmonicznych, które zapewniają zerowy luz i wysoką gęstość energii. Jiangsu Retek Motion Co., Ltd. (Retek Motion) oferuje silnik z przekładnią harmoniczną o momencie obrotowym 200 Nm, który pasuje do ciężkich osi ramion i talii. Średnie obciążenia ramion współpracujących i manipulatorów mobilnych dobrze współpracują z motoreduktorami o momencie obrotowym 60 Nm. W przypadku kompaktowej roboty medycznej montowanej na ramieniu, bezszczotkowy silnik outrunner o średnicy 42 mm z przekładnią zapewnia gęstość mocy w małej obudowie.

Motoreduktor harmoniczny 200 Nm do przegubów robotów o dużej wytrzymałości Silnik ten zapewnia moment obrotowy 200 Nm przy zerowym luzie, dzięki czemu nadaje się do ciężkich osi ramion i talii w robotach wymagających precyzyjnego i powtarzalnego pozycjonowania. Zobacz produkt →

Silnik przekładniowy 60 Nm do robotów współpracujących i manipulatorów Dzięki znamionowemu momentowi obrotowemu wynoszącemu 60 Nm ten motoreduktor pasuje do ramion współpracujących o średnim udźwigu i manipulatorów mobilnych, zapewniając niezawodne działanie w przypadku różnych zadań robotycznych. Zobacz produkt →

Bezszczotkowy silnik Outrunner 42 mm z przekładnią do robotyki medycznej Ten kompaktowy, bezszczotkowy silnik outrunner o średnicy 42 mm z przekładnią zapewnia wysoki moment obrotowy i precyzyjne sterowanie, idealny do zastosowań w robotyce medycznej montowanych na ramieniu. Zobacz produkt →

Przekładnie Harmonic charakteryzują się zerowym luzem, niezbędnym do powtarzalnego pozycjonowania. Przekładnie planetarne są tańsze i lepiej znoszą obciążenia udarowe, dlatego pasują do kół robotów mobilnych uderzających w krawężniki i rampy. Rama silnika dopasowuje się do wyboru skrzyni biegów, a nie odwrotnie.

Użyj tej listy kontrolnej podczas oceny dowolnego silnika potencjalnego do połączenia robota:

• Sprawdź ciągły moment obrotowy przy prędkości roboczej, a nie szczytowy moment obrotowy przy prędkości zerowej.
• Zmierzyć moment zaczepowy przy zastosowanym przełożeniu skrzyni biegów.
• Potwierdź, że stopień ochrony IP jest zgodny z warunkami narażenia na działanie wody lub pyłu.
• Sprawdź, czy sprzężenie zwrotne enkodera jest zgodne ze sterownikiem robota.
• Ocenić ścieżkę cieplną przez obudowę skrzyni biegów.

Porównanie gęstości momentu obrotowego dla rozmiarów ram BLDC

Większa rama nie zawsze wytwarza proporcjonalnie większy użyteczny moment obrotowy, ponieważ współczynnik wypełnienia uzwojenia i rozpraszanie ciepła zmieniają się wraz ze średnicą i długością osiową.

Bezszczotkowa żyłka DC firmy Retek Motion obejmuje zakres od 28 mm do 130 mm. Reprezentatywne wartości ciągłego momentu obrotowego w serii 24 VDC wynoszą w przybliżeniu 0,4 Nm dla silnika 42 mm, 0,8 Nm dla 57 mm, 1,6 Nm dla 76 mm, 2,2 Nm dla 80 mm, 3,5 Nm dla 100 mm i 6,5 Nm dla 130 mm. Postęp jest bliższy zależności sześciennej ze średnicą wirnika, dlatego dobór rozmiaru ramy jest przede wszystkim problemem związanym z konstrukcją termiczną.

Czego szukać u dostawcy silników do robotyki

Elastyczność inżynieryjna i pionowa integracja produkcji mają większe znaczenie niż szerokość katalogu, ponieważ większość przegubów robotów wymaga niestandardowego projektu silnika.

Od 2018 roku Retek Motion samodzielnie projektuje i produkuje bezszczotkowe silniki prądu stałego. Firma produkuje również pod jednym dachem obudowy skrzyń biegów obrabiane CNC, elementy odlewane ciśnieniowo i wiązki kablowe. Ta kombinacja umożliwia producentowi robota powtarzanie konfiguracji uzwojenia, enkodera i złącza bez koordynowania wielu dostawców.

W konkretnych przypadkach użycia Retek's silniki bezszczotkowe o niskim poziomie zazębienia zmniejszyć tętnienie położenia na wyjściu, podczas gdy bezszczotkowe silniki prądu stałego o wysokim momencie obrotowym zapewniają margines wymagany, gdy ładunki są dynamiczne.

Często zadawane pytania

Jaka jest różnica między silnikiem bezszczotkowym do robotyki a zwykłym silnikiem BLDC?

Bezszczotkowy silnik robotyczny charakteryzuje się ciągłym momentem obrotowym przy niskiej prędkości, niskim poziomem uzębienia i zgodnością ze sprzężeniem zwrotnym, podczas gdy zwykły silnik BLDC jest zwykle znamionowany pod kątem prędkości maksymalnej i dużej mocy wyjściowej.

Jak obliczyć wymagany ciągły moment obrotowy dla złącza robota?

Pomnóż masę ładunku przez długość ramienia momentowego, dodaj odbitą bezwładność i straty w skrzyni biegów, a następnie zastosuj współczynnik bezpieczeństwa co najmniej 3x.

Czy przekładnia harmoniczna jest lepsza niż przekładnia planetarna dla robota z silnikiem bezszczotkowym?

Przekładnie Harmonic zapewniają zerowy luz i wysoką redukcję dla precyzyjnych przegubów ramion; przekładnie planetarne lepiej znoszą obciążenia udarowe w przypadku mobilnych kół napędowych.

Czy mogę otrzymać niestandardowy silnik bezszczotkowy ze zintegrowanym kontrolerem do robotyki?

Tak. Zintegrowany sterownik i niestandardowe opcje uzwojenia są standardem, a dostawca zintegrowany pionowo może również wyprodukować obudowę skrzyni biegów i wiązkę przewodów.