Bezkomutátorový motor pro robotiku: Hustota točivého momentu, ozubení a vlastní integrace

Inženýr z výzkumu a vývoje nám jednou řekl, že bezkomutátorový motor, který fungoval skvěle na zkušební stolici dronu, se během několika minut zastavil na rameni robota. Příčinou nebyl nedostatek síly. Jednalo se o nesoulad mezi specifikací nepřetržitého točivého momentu používanou výrobcem dronu a nízkorychlostním profilem s vysokým přídržným točivým momentem požadovaným kloubem robota. Bezkomutátorový motor pro robotiku musí držet polohu proti gravitaci, pohybovat se hladce při 20 otáčkách za minutu a přežít časté cykly start-stop bez tepelného poškození. To je úplně jiná specifikace.

Inženýři nákupu často dělají stejnou chybu: vyberou motor na základě nejvyšších otáček naprázdno v katalogu a pak zjistí, že kontinuální krouticí moment při skutečné rychlosti spoje nedosahuje. Výsledkem je redesign, který stojí měsíce.

Co definuje bezkomutátorový motor pro robotiku?

Bezkomutátorový motor pro robotiku je třífázový synchronní stroj navržený pro vysokou hustotu točivého momentu, nízký točivý moment ozubení a zpětnou vazbu polohy v uzavřené smyčce spíše než pro špičkové otáčky naprázdno.

Rozdíl je zřejmý, když porovnáte hnací motor dronu s kloubovým pohonem. Motor dronu je vybrán pro poměr tahu k hmotnosti při vysokých otáčkách. Kloubový motor robota je vybrán pro nepřetržitý točivý moment při nízkých otáčkách, často s harmonickou převodovkou snižující výstupní otáčky na 20-60 ot./min. při násobení točivého momentu. Kritickými parametry jsou hustota točivého momentu (Nm na kilogram hmotnosti motoru), točivý moment ozubení (magnetická zarážka, která způsobuje nerovnoměrné otáčení) a pružnost vinutí.

O vinutí a kodérech se také rozhoduje na aplikační úrovni. Motor, který pracuje pro osu zápěstí 24 V DC, může potřebovat vinutí 310 V DC pro těžkou osu pasu a typ kodéru musí odpovídat vstupu ovladače. Toto nejsou katalogové volby; jsou to inženýrské volby.

Proč stálý točivý moment při nízkých otáčkách převyšuje otáčky bez zatížení

Trvalý točivý moment při nízkých otáčkách určuje, zda robot dokáže udržet užitečné zatížení; maximální rychlost na datasheetu ne.

Gravitace vždy působí na motor, i když je rameno nehybné. Osa zápěstí, která nese 2 kg nástroj, potřebuje zhruba 0,5 až 1,5 Nm nepřetržitého krouticího momentu při 50-100 ot./min, aby nástroj udržela stabilní. Osa kolena potřebuje 3-8 Nm. Osa ramen manipulující s plným užitečným zatížením může potřebovat 15-40 Nm. Rychlost naprázdno 6000 ot./min je zde irelevantní, protože kloub nikdy nepracuje blízko této rychlosti.

Přizpůsobení motorových platforem robotické kloubové architektuře

Architektura kloubu by měla určovat rám motoru a převodovku, nikoli naopak.

Vysoce zatížené ramenní klouby těží z harmonických převodových motorů, které nabízejí nulovou vůli a vysokou hustotu energie. Jiangsu Retek Motion Co., Ltd. (Retek Motion) nabízí 200 Nm harmonický převodový motor, který se hodí pro těžké osy ramen a pasu. Střední užitečné zatížení na kolaborativních ramenech a mobilních manipulátorech dobře funguje s 60 Nm převodovými motory. Pro kompaktní lékařskou robotiku namontovanou na rameni poskytuje 42mm bezkomutátorový motor outrunner s převodovkou hustotu výkonu v malém prostoru.

200 Nm harmonický převodový motor pro klouby těžkého robota Tento motor poskytuje točivý moment 200 Nm s nulovou vůlí, takže je vhodný pro těžké osy ramen a pasu u robotů vyžadujících přesné a opakovatelné polohování. Zobrazit produkt →

60 Nm převodový motor pro kolaborativní roboty a manipulátory Díky jmenovitému točivému momentu 60 Nm je tento převodový motor vhodný pro kolaborativní ramena se středním užitečným zatížením a mobilní manipulátory a poskytuje spolehlivý výkon pro různé robotické úkoly. Zobrazit produkt →

42mm střídavý motor Outrunner s převodovkou pro lékařskou robotiku Tento kompaktní 42mm vnější bezkomutátorový motor s převodovkou nabízí vysoký točivý moment a přesné ovládání, ideální pro aplikace lékařské robotiky namontované na rameni. Zobrazit produkt →

Harmonické převodovky nabízejí nulovou vůli, která je nezbytná pro opakovatelné polohování. Planetové převodovky jsou levnější a lépe snášejí rázové zatížení, takže vyhovují kolům mobilních robotů, která narážejí na obrubníky a rampy. Rám motoru odpovídá výběru převodovky, nikoli naopak.

Tento kontrolní seznam použijte při hodnocení jakéhokoli kandidátského motoru pro kloub robota:

• Zkontrolujte trvalý točivý moment při provozních otáčkách, nikoli špičkový točivý moment při nulových otáčkách.
• Změřte ozubený moment s použitým převodovým poměrem převodovky.
• Potvrďte, že hodnocení IP odpovídá podmínkám mytí nebo vystavení prachu.
• Ověřte, zda je zpětná vazba kodéru kompatibilní s řídicí jednotkou robota.
• Vyhodnoťte tepelnou cestu skříní převodovky.

Porovnání hustoty točivého momentu napříč velikostí rámů BLDC

Větší rám ne vždy produkuje úměrně více využitelného točivého momentu, protože faktor plnění vinutí a odvod tepla se mění s průměrem a axiální délkou.

Bezkomutátorové DC vedení Retek Motion má rozpětí od 28 mm do 130 mm. Reprezentativní hodnoty trvalého točivého momentu v řadě 24 VDC jsou zhruba 0,4 Nm pro 42 mm motor, 0,8 Nm pro 57 mm, 1,6 Nm pro 76 mm, 2,2 Nm pro 80 mm, 3,5 Nm pro 100 mm a 6,5 ​​Nm pro 130 mm. Progrese se blíží kubickému vztahu s průměrem rotoru, a proto je výběr velikosti rámu primárně problémem tepelného návrhu.

Co hledat u dodavatele robotických motorů

Technická flexibilita a vertikální integrace výroby jsou důležitější než katalogová šířka, protože většina robotických kloubů vyžaduje zakázkový projekt motoru.

Retek Motion navrhuje a vyrábí bezkomutátorové stejnosměrné motory vlastními silami od roku 2018. Společnost také vyrábí CNC obráběná pouzdra převodovek, tlakově lité komponenty a kabelové svazky pod jednou střechou. Tato kombinace umožňuje výrobci robotů opakovat konfigurace vinutí, kodéru a konektoru bez koordinace více dodavatelů.

Pro konkrétní případy použití Retek's bezkomutátorové motory s nízkým ozubením snížit zvlnění polohy na výstupu, zatímco bezkomutátorové stejnosměrné motory s vysokým točivým momentem poskytují potřebnou rezervu, když je užitečné zatížení dynamické.

Často kladené otázky

Jaký je rozdíl mezi bezkomutátorovým motorem pro robotiku a běžným BLDC motorem?

Robotický bezkomutátorový motor je určen pro nepřetržitý točivý moment při nízkých otáčkách, nízké ozubení a zpětnou kompatibilitu, zatímco běžný BLDC motor je obvykle dimenzován na špičkovou rychlost a vysoký výstupní výkon.

Jak vypočítám požadovaný trvalý točivý moment pro kloub robota?

Vynásobte hmotnost užitečného zatížení délkou momentového ramene, přidejte odraženou setrvačnost a ztráty převodovky a poté použijte bezpečnostní faktor alespoň 3x.

Je harmonická převodovka lepší než planetová převodovka pro robota s bezkomutátorovým motorem?

Harmonické převodovky poskytují nulovou vůli a vysokou redukci pro přesné klouby ramen; planetové převodovky zvládají rázová zatížení lépe pro mobilní hnací kola.

Mohu získat vlastní bezkomutátorový motor s integrovaným ovladačem pro robotiku?

Ano. Integrovaný ovladač a vlastní možnosti vinutí jsou standardní a vertikálně integrovaný dodavatel může také vyrobit skříň převodovky a kabelový svazek.