Motor bez četkica za robotiku: gustoća okretnog momenta, zupčanje i prilagođena integracija

Inženjer za istraživanje i razvoj jednom nam je rekao da je motor bez četkica koji se izvrsno pokazao na ispitnom stolu za drone zastao za nekoliko minuta na ruci robota. Uzrok nije bio nedostatak snage. Bila je to neusklađenost između specifikacije kontinuiranog zakretnog momenta koju je koristio proizvođač bespilotnih letjelica i profila zakretnog momenta male brzine, visokog držanja koji zahtijeva zglob robota. Motor bez četkica za robotiku mora držati položaj protiv gravitacije, kretati se glatko pri 20 okretaja u minuti i preživjeti česte cikluse pokretanja i zaustavljanja bez termičkog oštećenja. To je potpuno drugačiji pejzaž specifikacije.

Inženjeri nabave često čine istu pogrešku: odabiru motor na temelju najvećeg broja okretaja u praznom hodu u katalogu, a zatim otkrivaju da kontinuirani okretni moment pri stvarnoj brzini zgloba nije dovoljan. Rezultat je redizajn koji košta mjesecima.

Što definira motor bez četkica za robotiku?

Motor bez četkica za robotiku trofazni je sinkroni stroj projektiran za visoku gustoću okretnog momenta, mali zakretni moment i povratnu informaciju o položaju u zatvorenoj petlji, a ne za vršni broj okretaja u minuti bez opterećenja.

Razlika postaje očita kada usporedite pogonski motor bespilotne letjelice sa zajedničkim aktuatorom. Motor drona odabran je za omjer potiska i težine pri visokom broju okretaja. Robotski spojni motor odabran je za kontinuirani okretni moment pri maloj brzini, često s harmonijskim mjenjačem koji smanjuje izlaznu brzinu na 20-60 okretaja u minuti dok multiplicira okretni moment. Kritični parametri su gustoća zakretnog momenta (Nm po kilogramu mase motora), zakretni moment (magnetski zastoj koji uzrokuje neravnomjernu rotaciju) i fleksibilnost namota.

O namotima i koderima također se odlučuje na razini aplikacije. Motor koji radi za os zapešća od 24 VDC može trebati namotaj od 310 VDC za tešku os struka, a tip kodera mora odgovarati ulazu regulatora. Ovo nisu kataloški izbori; oni su inženjerski izbori.

0,8-2,2 Nm/kg Raspon gustoće momenta

0,2-8 Nm Kontinuirani raspon zakretnog momenta

24-310 (prikaz, stručni). VDC Standardni raspon napona

Za zglobove robota, faktor smanjenja između vršnog i kontinuiranog momenta je obično 2,5x do 3x. Uvijek navedite kontinuiranu brojku, a ne vršnu brojku.

Zašto kontinuirani zakretni moment pri maloj brzini nadmašuje RPM bez opterećenja

Kontinuirani okretni moment pri niskom broju okretaja u minuti određuje može li robot držati teret; maksimalna brzina na podatkovnoj tablici ne.

Gravitacija uvijek djeluje na motor, čak i kada ruka miruje. Os zapešća koja nosi alat od 2 kg treba otprilike 0,5 do 1,5 Nm kontinuiranog okretnog momenta pri 50-100 okretaja u minuti kako bi taj alat držao stabilnim. Osovina koljena treba 3-8 Nm. Os ramena koja nosi puni teret može trebati 15-40 Nm. Brzina u praznom hodu od 6000 okretaja u minuti ovdje je nebitna jer spoj nikada ne radi blizu te brzine.

Koristite 3x sigurnosnu marginu pri dimenzioniranju zglobnog motora. Motor koji daje samo točan potrebni okretni moment pregrijat će se unutar prvog mjeseca rada.

Tablica 1. Reprezentativni zahtjevi za okretni moment zgloba u odnosu na tipične veličine okvira BLDC koji se koriste u rukama robota.
Tip zgloba robota	Potreban kontinuirani zakretni moment na izlazu	Tipični BLDC okvir
Os zapešća	0,5-1,5 Nm	42 mm
Os lakta	3-8 Nm	57-76 mm
Osovina ramena	15-40 Nm	80-100 mm

Usklađivanje motornih platformi s robotskom zglobnom arhitekturom

Arhitektura spoja treba odrediti okvir motora i mjenjača, a ne obrnuto.

Rameni zglobovi s velikim opterećenjem imaju koristi od harmoničkih motora s reduktorom, koji nude nulti zazor i visoku gustoću energije. Jiangsu Retek Motion Co., Ltd. (Retek Motion) nudi harmonijski motor s prijenosom od 200 Nm koji odgovara teškim osima ramena i struka. Srednje nosivosti na kolaborativnim rukama i mobilnim manipulatorima dobro rade s motorima s prijenosom od 60 Nm. Za kompaktnu medicinsku robotiku montiranu na ramenu, motor bez četkica od 42 mm s mjenjačem osigurava gustoću snage u maloj omotnici.

200 Nm Harmonic Gear Motor for Heavy-Duty Robot Joints

200 Nm harmonijski motor s prijenosom za teške zglobove robota Ovaj motor isporučuje okretni moment od 200 Nm bez zazora, što ga čini prikladnim za teške osi ramena i struka kod robota koji zahtijevaju precizno i ponovljivo pozicioniranje. Pogledajte proizvod →

60 Nm Gear Motor for Collaborative Robots and Manipulators

Motor s mjenjačem od 60 Nm za kolaborativne robote i manipulatore S okretnim momentom od 60 Nm, ovaj motor s reduktorom odgovara kolaborativnim rukama srednje nosivosti i mobilnim manipulatorima, pružajući pouzdanu izvedbu za razne robotske zadatke. Pogledajte proizvod →

42mm Outrunner Brushless Motor with Gearhead for Medical Robotics

42 mm Outrunner motor bez četkica s mjenjačem za medicinsku robotiku Ovaj kompaktni motor bez četkica od 42 mm s mjenjačem nudi visok okretni moment i preciznu kontrolu, idealan za primjene medicinske robotike na ramenu. Pogledajte proizvod →

Harmonični mjenjači nude nulti zazor, što je neophodno za ponovljivo pozicioniranje. Planetarni mjenjači jeftiniji su i bolje podnose udarna opterećenja, pa odgovaraju kotačima mobilnih robota koji udaraju o rubnike i rampe. Okvir motora slijedi izbor mjenjača, a ne obrnuto.

Koristite ovaj kontrolni popis kada procjenjujete bilo koji motor kandidata za robotski zglob:

Provjerite kontinuirani zakretni moment pri radnoj brzini, a ne vršni zakretni moment pri nultoj brzini.
Izmjerite okretni moment zupčanika s primijenjenim omjerom mjenjača.
Potvrdite da IP ocjena odgovara uvjetima pranja ili izloženosti prašini.
Provjerite je li povratna informacija kodera kompatibilna s kontrolerom robota.
Procijenite toplinski put kroz kućište mjenjača.

Usporedba gustoće zakretnog momenta među veličinama okvira BLDC

Veći okvir ne proizvodi uvijek proporcionalno više iskoristivog zakretnog momenta, jer se faktor punjenja namota i rasipanje topline mijenjaju s promjerom i aksijalnom duljinom.

Retek Motion DC linija bez četkica proteže se od 28 mm do 130 mm. Reprezentativne vrijednosti kontinuiranog momenta u seriji od 24 VDC su otprilike 0,4 Nm za motor od 42 mm, 0,8 Nm za 57 mm, 1,6 Nm za 76 mm, 2,2 Nm za 80 mm, 3,5 Nm za 100 mm i 6,5 Nm za 130 mm. Progresija je bliža kubičnom odnosu s promjerom rotora, zbog čega je izbor veličine okvira prvenstveno problem toplinskog dizajna.

Kontinuirani zakretni moment prema veličini okvira (24 VDC serija)

42 mm 0,4 Nm

57 mm 0,8 Nm

76 mm 1,6 Nm

80 mm 2,2 Nm

100 mm 3,5 Nm

130 mm 6,5 Nm

Reprezentativne vrijednosti kontinuiranog zakretnog momenta za odabrane veličine okvira, serija od 24 VDC.

Na osi ramena, BLDC od 100 mm plus harmonijski mjenjač od 200 Nm pokriva većinu industrijskih nosivosti. Ispod toga, okviri od 80 mm i manji upravljaju pokretima zgloba i središnje točke alata.

Što tražiti kod dobavljača motora za robotiku

Inženjerska fleksibilnost i vertikalna integracija proizvodnje važniji su od širine kataloga, jer većina zglobova robota zahtijeva prilagođeni projekt motora.

Retek Motion dizajnira i proizvodi istosmjerne motore bez četkica od 2018. Tvrtka također proizvodi CNC strojno obrađena kućišta mjenjača, tlačno lijevane komponente i kabelske snopove pod jednim krovom. Ta kombinacija proizvođaču robota omogućuje ponavljanje konfiguracija namota, kodera i konektora bez koordinacije više dobavljača.

Za posebne slučajeve upotrebe, Retek's motori bez četkica s malim zupčenjem smanjiti valovitost položaja na izlazu, dok istosmjerni motori bez četkica visokog momenta osigurati potrebnu marginu kada su korisna opterećenja dinamična.

Motor robota je sustav na osovini: namotaji, koder, kočnica, mjenjač i kabelski svežanj moraju biti usklađeni s jednim profilom zakretnog momenta i brzine.

Često postavljana pitanja

Započnite svoju specifikaciju motora s kontinuiranim okretnim momentom pri brzini zgloba, a ne brzinom bez opterećenja iz podatkovne tablice.

Koja je razlika između motora bez četkica za robotiku i običnog BLDC motora?

Robotski motor bez četkica specificiran je za kontinuirani okretni moment pri maloj brzini, niskom zupčenju i kompatibilnosti s povratnom spregom, dok je uobičajeni BLDC motor obično ocijenjen za vršnu brzinu i veliku izlaznu snagu.

Kako mogu izračunati potrebni kontinuirani okretni moment za zglob robota?

Pomnožite masu korisnog tereta s duljinom kraka momenta, dodajte reflektiranu inerciju i gubitke u mjenjaču, zatim primijenite faktor sigurnosti od najmanje 3x.

Je li harmonijski mjenjač bolji od planetarnog mjenjača za robota s motorom bez četkica?

Harmonični mjenjači pružaju nulti zazor i visoku redukciju za precizne spojeve ruku; planetarni prijenosnici bolje podnose udarna opterećenja za mobilne pogonske kotače.

Mogu li dobiti prilagođeni motor bez četkica s integriranim kontrolerom za robotiku?

Da. Integrirani kontroler i prilagođene mogućnosti namotavanja su standardne, a okomito integrirani dobavljač također može proizvesti kućište mjenjača i kabelski svežanj.

Previous: Kako odabrati FPV motore za drone: KV, 4S nasuprot 6S i usklađivanje propelera Next: Vodič za odabir mini motora bez četkica za proizvođače originalne opreme: ključne specifikacije i savjeti za kupnju