Как выбрать поворотный кольцевой подшипник для шарниров робототехники

Что такое поворотный кольцевой подшипник в робототехнике?Это подшипник большого диаметра, воспринимающий осевую нагрузку, радиальную нагрузку и опрокидывающий момент в одном кольцевом блоке. Благодаря этому шарнир робота может вращаться без отдельного вала и подшипникового узла. Сложность заключается в его правильном подборе, поскольку в поясничном и плечевом шарнирах один и тот же подшипник нагружается совершенно по-разному.

Это руководство предназначено для инженеров-конструкторов, которые разрабатывают новую ось для робота или заменяют подшипник, оказавшийся слишком маленьким. В итоге вы получите расчет нагрузки, целевую жесткость при наклоне, предельный люфт и краткий список типов подшипников, которые можно отправить поставщику. Я опираюсь на более чем 30-летний опыт работы в области механического проектирования тяжелой техники и силовых передач, включая более 200 проектов оборудования.

Необходимые данные перед началом подбора размера

Некоторые параметры блокируют прогресс. Другие можно уточнить позже. Сначала отсортируйте их, чтобы не застрять на числе, которое не меняет результат.

Вход	Размеры блоков?	Почему это важно
Масса полезной нагрузки и дальность действия при полном выдвижении.	Да	Задает осевую нагрузку и момент опрокидывания.
Масса руки и положение центра тяжести	Да	Зачастую он создает больший крутящий момент, чем полезная нагрузка.
Ориентация оси сустава (вертикальная или горизонтальная)	Да	Определяет, является ли гравитация осевой или радиальной.
Целевой показатель повторяемости на кончике инструмента	Да	Преобразуется в предел углового люфта
Максимальное ускорение и нагрузки при аварийной остановке	Можно подождать первого варианта.	Добавляет динамический фактор к статическим нагрузкам.
Габаритные размеры: внешний диаметр, отверстие для кабелей, высота.	Можно подождать первого варианта.	Ограничения, к которым подходят определенные серии подшипников
Окружающая среда (пыль, промывка, температура)	Можно подождать первого варианта.	Влияет на уплотнения, покрытие и материал.

Если масса манипулятора по-прежнему неизвестна, используйте приблизительную оценку массы, полученную с помощью САПР, и отметьте её как временное значение. Неверную оценку в 20% легче исправить сейчас, чем после получения прототипа.

Пошаговая процедура отбора

1. Нарисуйте наихудшую позу.Обычно это полностью выдвинутый и горизонтальный рычаг. Отметьте каждую массу и расстояние от нее до центра подшипника.
2. Рассчитайте осевую силу, радиальную силу и опрокидывающий момент.Осевая и радиальная силы обусловлены весом (масса × 9,81). Момент равен произведению силы на плечо рычага относительно плоскости центра подшипника.Контрольная точка:Сумма моментов, создаваемых манипулятором и полезной нагрузкой, должна совпадать с результатом, полученным с помощью САПР, относительно центра тяжести с точностью до нескольких процентов.
3. Добавьте динамические нагрузки.Учтите ускорение полезной нагрузки и манипулятора. Уточните у поставщика, какой коэффициент нагрузки они применяют к своей статической оценке.
4. Преобразуйте целевой показатель повторяемости в предельный уровень люфта.Погрешность на конце стрелы ≈ расстояние до цели × tan(угловой люфт). При расстоянии до цели 1000 мм люфт в 0,1° приводит к погрешности на конце стрелы примерно в 1,75 мм. Если целевая точка меньше, то определяющим фактором становится люфт или предварительная нагрузка.
5. Выберите тип подшипника.Используйте типовую таблицу в последующем разделе. Начните с наименьшего поперечного сечения, способного выдерживать момент, затем проверьте жесткость.
6. Проверьте конструкцию крепления.Жесткий подшипник на тонком, гибком фланце все равно будет наклоняться. Перед выпуском чертежей подтвердите плоскостность и схему расположения болтов у поставщика.
7. Соедините его с накопителем.Определите, нужен ли вам подшипник с внешними зубьями шестерни или со встроенным приводом поворота. Это определяет способ контроля люфта.

Пример решения задачи (иллюстративные цифры, не кейс клиента).

Предположим, что манипулятор весит 60 кг, а его центр тяжести находится на расстоянии 0,5 м от основания. Полезная нагрузка составляет 20 кг на расстоянии 1,0 м. В области талии осевая нагрузка равна (60 + 20) × 9,81 ≈ 785 Н. Момент опрокидывания равен (60 × 0,5 + 20 × 1,0) × 9,81 ≈ 490 Н·м.

Это только статические значения. Умножьте их на динамический коэффициент, предоставленный вашим поставщиком, а затем сравните с кривой номинальной грузоподъемности подшипника, а не просто с одним числом из таблицы в каталоге.

Матрица нагрузки, момента, жесткости и люфта для тазобедренных и плечевых суставов.

На большинстве страниц описания товара поворотный подшипник для робототехники указывается как компонент, относящийся к поясничной области, и на этом всё заканчивается. Шарнир плеча встречается так же часто, но требования к нему отличаются. В таблице ниже показано, как меняются требования.

Фактор отбора	Поясничный сустав (вертикальная ось)	Плечевой сустав (горизонтальная ось)	Действия для дизайнера
Основной путь нагрузки	Вес действует вдоль оси, поэтому он преимущественно осевой.	Вес действует вдоль оси, поэтому он преимущественно радиальный.	Соответственно, выберите подшипник с учетом его осевой или радиальной грузоподъемности.
Источник опрокидывающего момента	Стрела и полезная нагрузка вытянуты из основания.	Центр тяжести звена смещен относительно плоскости подшипника.	Момент рассчитывается исходя из смещения, а не только из полезной нагрузки.
Необходима жесткость наклона	Высокий, потому что наклон многократно увеличивается в месте установки инструмента.	Высокий уровень, и это также влияет на выравнивание суставов.	Сравнивайте данные о жесткости, а не только показатели несущей способности.
Эффект обратной реакции	Проявляется в виде угловой ошибки на кончике.	Та же ошибка, плюс обратное изменение знака при изменении силы тяжести.	Установите предел люфта на основе формулы ошибки наконечника.
Крутящий момент силы тяжести, действующий на привод.	Ничего не известно об оси вращения.	Большой и однонаправленный в большинстве поз	Выберите привод, рассчитанный на выдерживаемый крутящий момент в точке опоры.
Типичный тип пускового подшипника	Перекрестный вальцовый или двухрядный шаровой механизм для средних нагрузок; трехрядный вальцовый механизм для тяжелых нагрузок.	Поперечно-роликовый соединитель для компактных и жестких соединений	Рассматривайте это как первое предположение и сверяйте с кривыми нагрузки.
Типичный признак неисправности	Неустойчивость при полном вылете стрелы, износ направляющей с одной стороны.	Заедание при изменении направления движения, неравномерный износ в зоне нагрузки.	При первом посещении осмотрите ресницы на предмет износа и одностороннего сдвига.

В случаях, когда это не применимо:Шарниры со смещенными осями, противовесные манипуляторы и роботы с параллельными звеньями нарушают эти закономерности. В таких случаях следует запускать полный расчет нагрузки, а не полагаться на таблицу.

В приведенном выше примере подшипник с выступом 0,15 м будет испытывать момент около 785 Н × 0,15 м ≈ 118 Н·м. Крутящий момент, возникающий под действием силы тяжести и составляющий 490 Н·м, будет передаваться в основном через привод, а не через подшипник.

Какой тип подшипника подходит для какого шарнира?

Различные конструкции жертвуют жесткостью, высотой и стоимостью. Вот краткое сравнение типов, которые чаще всего рассматривают разработчики роботов.

Тип подшипника	Лучший вариант	Лимит
Однорядные шарикоподшипники с поворотным кольцом	Легкие и умеренные нагрузки, компактные оси	Более низкая жесткость при наклоне по сравнению с роликовыми типами.
Двухрядный шариковый поворотный подшипник	Более высокие осевые и моментные нагрузки при умеренном увеличении высоты.	Требуется конверт большего размера, чем один ряд.
Поворотные подшипники с перекрестными роликами	Компактные соединения, требующие высокой жесткости и малого наклона.	Чувствителен к ровности монтажа.
Трехрядные роликовые поворотные подшипники	Тяжелые грузы и большие моменты	Они крупнее, тяжелее и дороже, чем большинство осей для роботов.

Для лёгкого оружияповоротный подшипник с малой нагрузкойВозможно, этого будет достаточно. Если поставщик не может предоставить вам данные о жесткости для данной серии, запросите их до принятия решения.

Распространенные ошибки и способы их исправления

• Размеры определяются только по полезной нагрузке.Собственная масса манипулятора часто создает такой же момент, как и полезная нагрузка. Для восстановления необходимо повторно рассчитать момент на шаге 2, включив в расчет каждое звено.
• Использование осевой чувствительности для плечевого сустава.Горизонтальная ось преобразует вес в радиальную нагрузку. Проверьте соответствие кривой радиальной и моментной несущей способности.
• Игнорирование негативной реакции до проведения тестирования.Вы видите это как разброс наконечника при изменении направления. Вернитесь к шагу 4 и пересчитайте, используя фактическую дальность действия.
• Монтаж на тонком фланце.Вы наблюдаете неравномерный износ или наклон при полном вылете. Усильте конструкцию или добавьте более толстое переходное кольцо.
• Пропускаем обзор герметизации и покрытия.Пыль или промывка могут сократить срок службы. Перед окончательным выбором номера детали подберите защитное средство, соответствующее условиям эксплуатации.

Проверка завершения

Выбор завершен, когда выполняется каждое из следующих условий:

• Осевые, радиальные и моментные нагрузки записываются для наихудшего варианта положения, с добавлением динамических факторов.
• Кривая производственных мощностей поставщика показывает запас прочности сверх этих нагрузок.
• Погрешность наконечника из-за люфта ниже целевого показателя повторяемости.
• Плоскостность монтажной конструкции и расположение болтов подтверждены.
• Выбирается вариант привода: подшипник с зубчатой ​​передачей или встроенный поворотный привод.

Варианты, изменяющие процедуру

Если вам необходим жесткий контроль люфта и компактная компоновка, то интегрированное решение вам подойдет.поворотный приводВозможно, потребуется заменить отдельный подшипник и шестерню.двойной червячный поворотный приводКонструкция – один из способов уменьшить люфт, поскольку два червячных вала можно расположить друг напротив друга. Для нестандартных схем расположения болтов или отверстий для кабелей...модифицированный поворотный приводЗачастую это более практично, чем перепроектирование основания робота.

Компания Luoyang Slewring Bearing Co., Ltd. более 15 лет производит поворотные подшипники и приводы поворота, а ее продукция используется в более чем 2000 проектах с использованием тяжелой техники. Ни один из приведенных ниже примеров не относится к роботизированным манипуляторам, но они демонстрируют сопоставимые пути приложения нагрузки и требования к точности:

• Производитель автоматизированного оборудования из Манчестера, Великобритания, заказал 100 единиц SP-I 0841-32.1 для автоматизированных поворотных платформ.
• Производитель лесозаготовительной техники из Британской Колумбии, Канада, заказал 30 единиц поворотных приводов с двойной червячной передачей WED14-86-25BHR.5 с точностью 0,13° или выше.
• Производитель из Хьюстона, штат Техас, заказал 100 единиц SEA21-125-25HR(2) для поворотных платформ.

Для прототипа минимальный объем заказа составляет 1 комплект для стандартного изделия и 5 комплектов для изделия, изготовленного по индивидуальному заказу. Мы предлагаем быстрое прототипирование за 3 дня и отправляем техническое предложение в течение 24 часов. Завод сертифицирован по стандарту ISO 9001:2015, и каждый поворотный подшипник проходит проверку на координатно-измерительной машине и динамические испытания под нагрузкой. Подробнее о нашем продукте.контроль качества поворотного приводаПодробности на странице. Наша расширенная 2-летняя гарантия распространяется на подтвержденные производственные дефекты.

Если вы заменяете деталь недостаточного размера, пришлите вам примерную нагрузку, параметры конструкции и целевой люфт. Наши инженеры сравнят эти показатели с соответствующими сериями и сообщат вам, где выбранный вами подшипник поворотного кольца для робототехники имеет запас прочности, а где нет.