Зубчатый поворотный привод для основания роботизированной руки

Зубчатый поворотный привод для основания роботизированной руки

Что такое зубчатая передача для поворотного механизма основания роботизированной руки?

Ацилиндрический привод поворотаЭто компактное вращающееся устройство с высокой нагрузкой, использующее прямозубые зубчатые передачи для передачи крутящего момента и обеспечения поворотного движения. В контексте основания роботизированной руки оно служит в качестве шарнира вращения (часто называемого осью J1 или осью «талии») между неподвижным основанием и движущейся роботизированной рукой. В отличие от червячных или планетарных приводов, вариант с прямозубыми передачами использует одну или несколько ступеней прямозубых передач для снижения скорости и увеличения крутящего момента.

Как правило, привод состоит из ведущей шестерни (подключенной непосредственно к серводвигателю), одной или нескольких промежуточных зубчатых передач и большой внутренней или внешней зубчатой ​​передачи, интегрированной во вращающееся кольцо поворотного подшипника. В неподвижном корпусе размещены подшипник и зубчатая передача, а вращающееся кольцо крепится непосредственно к нижней части конструкции роботизированной руки. Его основная функция заключается в обеспечении точного, повторяемого и жесткого вращения всей роботизированной руки с минимальным люфтом и высокой динамической отзывчивостью.

Характеристики зубчатого редуктора для поворотного механизма основания роботизированной руки

Компактная осевая высота– Благодаря параллельным осям и простой геометрии зубьев прямозубых передач, общая высота блока привода может составлять всего 30–60 мм для небольших роботов, что позволяет использовать низкопрофильную конструкцию основания, повышающую устойчивость и снижающую затраты на материалы для монтажной конструкции.

Высокая плотность крутящего момента– Зубчатые передачи с прямозубыми шестернями обеспечивают плотность крутящего момента, сравнимую с планетарными передачами, при многоступенчатой ​​конструкции, но без сложных узлов привода. При заданном внешнем диаметре (например, 300 мм) поворотный привод с прямозубыми шестернями может обеспечивать выходной крутящий момент 3000–8000 Нм, что подходит для роботизированных манипуляторов, поднимающих грузы массой 50–200 кг.

Низкий и предсказуемый уровень негативных последствий– Благодаря согласованной притирке зубьев, предварительной регулировке подшипников или методам предотвращения люфта в разъемных зубчатых передачах, поворотные приводы с прямозубыми шестернями могут обеспечить люфт менее 1 угловой минуты (класс P2) для высокоточной робототехники. Что еще более важно, люфт остается постоянным на протяжении всего вращения на 360°, поскольку геометрия зацепления зубьев однородна — в отличие от червячных передач, где износ создает неравномерный люфт.

Высокая жесткость при динамических нагрузках– Цилиндрические зубчатые передачи имеют линейный контакт между зубьями, что обеспечивает высокую радиальную жесткость. В сочетании с поперечным роликовым или четырехточечным поворотным подшипником вся система привода противостоит моментам опрокидывания, возникающим при выдвижении рычага. Типичная статическая жесткость составляет 0,5–2,0 угловых минуты на 1000 Н·м моментной нагрузки.

Двунаправленная работа без самоблокировки– В отличие от червячных передач, прямозубые шестерни позволяют осуществлять обратное вращение. Это крайне важно для коллаборативных роботов (коботов), где манипулятор должен безопасно останавливаться при столкновении с препятствием или вручную позиционироваться во время обучения.

Высокая эффективность во всем диапазоне скоростей– КПД остается на уровне 90–95% как на низких (1 об/мин), так и на высоких (50 об/мин) скоростях. В отличие от этого, КПД червячной передачи падает ниже 50% на низких скоростях из-за трения скольжения. Это напрямую снижает потребление мощности двигателя и тепловыделение внутри основания робота.

Простота обслуживания и осмотра– После снятия крышки видны все зубья шестерни, что позволяет визуально оценить износ и измерить люфт без полной разборки. Изношенные шестерни или промежуточные шестерни можно заменить по отдельности, что значительно экономит средства по сравнению с заменой всего планетарного механизма.

Как работает зубчатый поворотный привод на основании роботизированной руки?

Передача крутящего момента от двигателя к зубчатой ​​передаче– Сервомотор (обычно безрамный или со встроенным тормозом) приводит в движение небольшую входную шестерню со скоростью от 500 до 3000 об/мин. Зубья шестерни входят в зацепление с более крупной прямозубой шестерней — эта первая ступень редукции обычно имеет передаточное отношение от 3:1 до 6:1. Для более высоких суммарных передаточных отношений (от 30:1 до 150:1) добавляется вторая или третья ступень прямозубой шестерни. Например, при крутящем моменте двигателя 10 Нм и передаточном отношении первой ступени 5:1 крутящий момент на промежуточном валу становится 50 Нм. Передаточное отношение второй ступени 6:1 увеличивает крутящий момент конечной шестерни до 300 Нм. Если передаточное отношение конечного поворотного кольца составляет 7:1 (шестерня к зубьям кольца), суммарный выходной крутящий момент достигает 2100 Нм.

Вращение поворотного кольца– Главная шестерня входит в зацепление с внутренними зубьями поворотного кольца. Вращаясь, шестерня катится по внутренней поверхности кольца, заставляя его вращаться относительно неподвижного корпуса. Опорная плита роботизированной руки прикреплена болтами непосредственно к этому вращающемуся кольцу.

Интеграция с механизмом поворота роботизированной руки.– Абсолютный энкодер, установленный на валу двигателя или непосредственно на конечном поворотном кольце, обеспечивает обратную связь по положению. Контроллер робота использует эту обратную связь для выполнения заданных угловых положений, скоростей и ускорений. Поскольку прямозубые шестерни обладают незначительной податливостью, контур управления может использовать высокие коэффициенты усиления для жесткого позиционирования, что критически важно для точности траектории при сварке, склеивании или резке.

Динамическое поведение во время разгона и замедления– При быстром перемещении оси зубья шестерни испытывают переменные контактные напряжения. Конструкции прямозубых шестерен с модифицированным профилем зубьев (закругление вершин, выпуклость) равномерно распределяют нагрузку, предотвращая образование кромочных нагрузок и точечных повреждений. Это позволяет достигать скорости ускорения 1000–3000 град/с² на базовой оси без повреждения шестерни.

Преимущества зубчатого редуктора для поворотного механизма основания роботизированной руки

Повышение эффективности снижает затраты на электродвигатели и электроэнергию.– При типичной эффективности 92% (для двухступенчатой ​​зубчатой ​​передачи плюс заключительное кольцо) для выходного крутящего момента 2000 Нм требуется всего 2174 Нм эквивалентного крутящего момента двигателя, тогда как червячная передача с эффективностью 50% потребовала бы 4000 Нм эквивалентного крутящего момента двигателя. Это позволяет использовать меньший и более дешевый серводвигатель и снижает энергопотребление на 30–45% за 8-часовую смену.

Снижение производственных и ремонтных затрат– Цилиндрические зубчатые передачи изготавливаются с помощью стандартных зубофрез и зуборезных станков без использования специального инструмента (в отличие от червячных передач, требующих сложных зубофрез). Полный поворотный привод с цилиндрической зубчатой ​​передачей для робота среднего размера (наружный диаметр 500 мм) стоит примерно 60% от стоимости аналогичного червячного поворотного привода. Стоимость замены шестерен составляет…$50\text{–}200янстиад\mathrm{то}ф$500–1000 для червячных передач.

Отсутствие самоблокировки обеспечивает безопасность при совместной работе.– В коллаборативных роботах, соответствующих стандарту ISO 10218, базовая ось не должна зажимать или защемлять оператора. Цилиндрические приводы позволяют осуществлять обратное вращение; если двигатель теряет питание, манипулятор можно отодвинуть вручную без повреждения шестерни. Червячные приводы, напротив, блокируются механически и потребовали бы дорогостоящего механизма разъединения.

Повышенная скорость для операций захвата и перемещения.– Для циклов захвата и перемещения требуется базовая скорость вращения 90–180°/с. Цилиндрические приводы могут работать при входной скорости до 5000 об/мин без перегрева, поскольку трение качения выделяет мало тепла. Червячные приводы со скоростью вращения выше 1500 об/мин быстро превышают температурные пределы, что требует принудительного охлаждения.

Предсказуемый износ и увеличенный срок службы– Износ цилиндрических зубчатых передач заключается в постепенном образовании точечных повреждений на поверхности, что медленно увеличивает люфт в течение тысяч часов работы, давая ремонтным бригадам предварительное предупреждение. В червячных передачах при нарушении смазки происходит внезапный адгезионный износ (задиры), приводящий к немедленному выходу из строя.

Упрощенная герметизация для работы в агрессивных средах.– Простая геометрия корпуса поворотного механизма с зубчатой ​​передачей позволяет использовать стандартные двухкромочные вращающиеся уплотнения или лабиринтные уплотнения. Достижимы степени защиты IP65, IP67 и даже IP69K (мойка под высоким давлением). Для роботов, используемых в пищевой промышленности или чистых помещениях, открытая зубчатая передача (с герметичной крышкой) легче дезинфицируется, чем закрытые червячные передачи с щелями.

Основные моменты, которые следует учитывать при выборе зубчатого редуктора для поворотного механизма основания роботизированной руки.

Требования к статическому и динамическому крутящему моменту– Рассчитайте максимальный момент нагрузки, создаваемый вылетом манипулятора и его грузом в полностью выдвинутом состоянии. Затем умножьте его на коэффициент запаса прочности 1,5–2,0 для динамических пусков и остановок. Например, груз массой 150 кг на вылете 1,2 м создает статический момент 1800 Н·м. При коэффициенте запаса прочности 1,8 требуемый момент составит 3240 Н·м. Выберите привод с динамической моментной нагрузкой не менее 3500 Н·м.

Допуск на люфт в зависимости от области применения– Для лазерной резки, сборки и прецизионной сварки укажите люфт менее 1 угловой минуты (класс P2). Для паллетирования и обслуживания станков достаточно 3–5 угловых минут (класс P4–P5). Для погрузочно-разгрузочных работ и покраски допустим 5–10 угловых минут (класс P6), а для черновых операций позиционирования, таких как литейные работы, — до 15 угловых минут. Обратите внимание, что люфт в зубчатой ​​передаче суммируется на всех этапах. Двухступенчатый редуктор с люфтом 3 угловые минуты на этап плюс поворотное кольцо с люфтом 4 угловые минуты дают в сумме приблизительно 10 угловых минут. Всегда указывайте общий люфт системы, а не люфт на этап.

Точность монтажного интерфейса– Монтажный фланец основания робота должен быть плоским с отклонением не более 0,05 мм от диаметра привода. Несоответствие приводит к заклиниванию поворотного подшипника, увеличению крутящего момента на 20–50% и сокращению срока службы на 50%. Для центрирования привода всегда используйте обработанный направляющий диаметр (посадка H7).

защита рабочей среды– Для пыльных сред, таких как строительство или деревообработка, выбирайте степень защиты IP65 с лабиринтными уплотнениями и продувочным отверстием для создания избыточного давления. Для влажных или коррозионных условий, таких как морская промышленность или пищевая промышленность, используйте корпус из нержавеющей стали (304 или 316L) и двухкромочные уплотнения из витона. Для чистых помещений, таких как медицинские учреждения или производство полупроводников, выбирайте низкочастотную смазку (NSF H1), гладкие поверхности корпуса и отсутствие внешних вентиляционных отверстий.

гибкость интеграции двигателя– Определите, будет ли двигатель устанавливаться аксиально (в линию) или радиально (параллельно со смещением). В прямозубых приводах легко допускается смещение при установке с помощью ремня или зубчатой ​​передачи, что снижает общую высоту. Для прямой установки в линию следует выбрать полый входной вал со шпоночным пазом или термоусадочной трубкой.

Срок службы при комбинированных нагрузках– Используйте расчет ресурса L10 для поворотного подшипника (ISO 281). Для прямозубого поворотного привода необходимо проверить как подшипник, так и зубья шестерни. Типичные целевые показатели составляют 20 000 часов для промышленных роботов и 10 000 часов для коллаборативных роботов.

Монтаж и техническое обслуживание зубчатого поворотного привода для основания роботизированной руки.

Процедуры выравнивания и затяжки болтов– Сначала очистите монтажную поверхность основания от заусенцев и мусора. Нанесите тонкий слой установочной жидкости или используйте индикатор часового типа для проверки плоскостности (общее биение менее 0,05 мм). Опустите привод на направляющую и поверните поворотное кольцо вручную, чтобы убедиться в плавности хода. Вставьте болты (класса 10.9 или 12.9) с фиксатором резьбы (Loctite 243). Затяните по схеме «звезда» до 60% от конечного момента затяжки, затем до 100%. Наконец, установите шестерню двигателя. Отрегулируйте осевые прокладки так, чтобы шестерня входила в зацепление с первой ступенью зубчатой ​​передачи с люфтом 0,1–0,2 мм. Слишком сильное затягивание вызывает шум и износ; слишком слабое затягивание увеличивает общий люфт.

Тип смазки, количество и интервалы смазки.– Для стандартной смазки используйте литиевый комплекс EP2, например, Mobilith SHC 220. Заполните корпус до 50–70% свободного объема. Для работы при низких температурах до -40°C используйте синтетическую полиальфаолефиновую смазку, например, Kluber Isoflex NBU 15. Для работы при высоких температурах до 250°C используйте перфторполиэфирную (PFPE) смазку, например, Krytox GPL 227. Интервалы повторной смазки составляют каждые 2000 часов для тяжелых условий эксплуатации или 4000 часов для легких условий эксплуатации. Для труднодоступных оснований следует предусмотреть централизованную линию смазки.

Проверка износа и люфта зубчатых передач с течением времени.– Каждые 1000 часов или ежегодно зажимайте рычаг и измеряйте люфт на фланце инструмента (умножьте на передаточное число, чтобы получить люфт привода). Снимите смотровой люк и осмотрите зубья шестерни на наличие раковин. Небольшие раковины размером менее 0,3 мм допустимы; более крупные требуют замены. Проверьте наличие металлических частиц в старой смазке с помощью магнита или белой ткани.

Распространенные ошибки при установке, которых следует избегать.– Неправильное крепление двигателя приводит к неравномерному контакту зубьев и высокочастотному шуму. Для устранения проблемы используйте эксцентриковые подшипниковые корпуса или пластины двигателя с пазами. Чрезмерная смазка увеличивает вязкостное сопротивление, перегрев и утечку смазки в энкодеры. Всегда используйте только расчетный объем. Отсутствие предварительной нагрузки: некоторые цилиндрические приводы требуют предварительной нагрузки подшипников с помощью регулировочной гайки. Отсутствие предварительной нагрузки приводит к осевому люфту и увеличению зазора. Неправильная длина болта: болты, упирающиеся в дно до затяжки, могут вызывать ложные показания момента затяжки. Всегда измеряйте глубину резьбы.

LyraDrive: Производитель зубчатых передач для поворотных механизмов роботизированных манипуляторов.

LyraDriveМы являемся профессиональным поставщиком приводов поворота, предлагающим настраиваемые, высококачественные и конкурентоспособные по цене решения. Мы предоставляем полный спектр услуг.специализированные поворотные приводыРазработано с учетом точных требований к основанию вашего роботизированного манипулятора.

Наши возможности по индивидуальной настройке поворотных приводов с цилиндрическими зубчатыми передачами включают в себя:
Габариты – от 100 мм до 5000 мм внешнего диаметра.
Характеристики – выходной крутящий момент, передаточное число, люфт (P0, P6, P5, P4, доП2(для <1 угловой минуты).
Механические интерфейсы – схема расположения монтажного фланца, диаметр направляющего элемента, тип входного вала (сплошной, полый, со шпонкой, шлицевой).
Корпус и материалы – конструкция (цельная или разъемная), легированная сталь, нержавеющая сталь 304/316L или алюминий для облегченных конструкций.
Защита окружающей среды – степень герметизации (IP65, IP67, IP69K), коррозионностойкие покрытия, покрытия, пригодные для использования в пищевых продуктах или чистых помещениях.
Интеграция двигателя – прямое крепление сервопривода, переходные пластины, встроенное крепление энкодера и интерфейсы тормоза.

Независимо от того, работает ли ваш робот в промышленных ячейках с высокой нагрузкой, на высокоскоростных автоматизированных линиях, на пыленепроницаемых строительных площадках, в подверженных коррозии морских средах или в чистых помещениях медицинского класса, LyraDrive учитывает каждую деталь — от металлургии шестерен до типа уплотнений — для обеспечения стабильной, надежной и долговечной работы.

Просто отправьте свои требования по электронной почте, и мы предоставим вам готовый проект с 3D-файлами.

Часто задаваемые вопросы о зубчатом редукторе для поворотного привода основания роботизированной руки

Может ли зубчатый редукторный поворотный привод заменить...червячный привод поворотадля основания роботизированной руки?
Да, во всех областях применения, где самоблокировка не требуется. Цилиндрические приводы обеспечивают более высокую эффективность (92% против 50–70%), меньшую стоимость и лучшую возможность обратного вращения для обеспечения безопасности при совместной работе. Червячные приводы следует использовать только в тех случаях, когда базовая ось должна удерживать положение без тормоза двигателя (например, мобильные роботы с батарейным питанием).

Какой допустимый люфт для основания прецизионного роботизированного манипулятора?
Для сборки, сварки или лазерной резки: менее 3 угловых минут (P4 или выше). Для общей укладки на поддоны или погрузки/разгрузки материалов: 5–10 угловых минут (P5–P6). По запросу LyraDrive может обеспечить класс P2 (менее 1 угловой минуты), измеренный на выходном кольце под нагрузкой.

Какую смазку рекомендуется использовать при длительной эксплуатации?
В стандартных условиях используется литиевая смазка EP2 (например, Mobilith SHC 220) с повторной смазкой каждые 2000–4000 часов. Для низкотемпературных сред требуется синтетическая полиальфаолефиновая смазка (PAO) (например, Kluber Isoflex NBU 15). Для высокотемпературных применений необходима смазка PFPE (например, Krytox) при температуре до 250°C. Для чистых помещений используется пищевая смазка NSF H1.

Предлагает ли LyraDrive готовые к установке зубчатые редукторы для поворотных приводов коллаборативных роботов?
Да. Мы поставляем полностью собранные устройства с адаптером двигателя, креплением энкодера, возможностью установки полого вала для прокладки кабеля и предварительно заправленной смазкой — готовые к установке. Все приводы соответствуют стандарту IP65, IP67 — опционально.