Motor fără perii pentru robotică: densitate de cuplu, cogging și integrare personalizată

Un inginer de cercetare și dezvoltare ne-a spus odată că un motor fără perii, care a funcționat minunat pe un banc de testare de dronă, sa blocat în câteva minute pe un braț robot. Cauza nu a fost lipsa de putere. A fost o nepotrivire între specificația cuplului continuu folosită de constructorul de drone și profilul de viteză mică și cuplu de reținere ridicat cerut de o articulație robot. Un motor fără perii pentru robotică trebuie să mențină poziția împotriva gravitației, să se miște fără probleme la 20 RPM și să supraviețuiască ciclurilor frecvente de pornire-oprire fără daune termice. Acesta este un peisaj de specificații complet diferit.

Inginerii de aprovizionare fac adesea aceeași greșeală: ei aleg un motor pe baza celui mai mare RPM fără sarcină dintr-un catalog, apoi descoperă că cuplul continuu la viteza reală a îmbinării este scurt. Rezultatul este o reproiectare care costă luni de zile.

Ce definește un motor fără perii pentru robotică?

Un motor fără perii pentru robotică este o mașină sincronă trifazată proiectată pentru o densitate mare a cuplului, un cuplu redus de cogging și feedback de poziție în buclă închisă, mai degrabă decât pentru turația maximă fără sarcină.

Diferența devine evidentă atunci când compari un motor de dronă de propulsie cu un actuator articulat. Un motor de dronă este selectat pentru tracțiune-greutate la turații mari. Un motor de articulație robot este selectat pentru un cuplu continuu la viteză mică, adesea cu o cutie de viteze armonică care reduce viteza de ieșire la 20-60 RPM în timp ce multiplică cuplul. Parametrii critici sunt densitatea cuplului (Nm per kilogram de masă a motorului), cuplul de cogging (detentul magnetic care provoacă o rotație neuniformă) și flexibilitatea înfășurării.

Înfășurările și codificatoarele sunt de asemenea decise la nivel de aplicație. Un motor care funcționează pentru o axă de 24 VDC poate avea nevoie de o înfășurare de 310 VDC pentru o axă de talie grea, iar tipul de codificator trebuie să se potrivească cu intrarea controlerului. Acestea nu sunt opțiuni de catalog; sunt alegeri de inginerie.

De ce cuplul continuu la viteză mică depășește RPM fără sarcină

Cuplul continuu la turație scăzută determină dacă un robot poate susține o sarcină utilă; viteza maximă de pe foaia de date nu.

Gravitația acționează întotdeauna asupra motorului, chiar și atunci când brațul este staționar. O axă a încheieturii mâinii care poartă o unealtă de 2 kg are nevoie de aproximativ 0,5 până la 1,5 Nm de cuplu continuu la 50-100 RPM pentru a menține acea unealtă stabilă. Un ax cot are nevoie de 3-8 Nm. O axă a umărului care manipulează o sarcină utilă completă poate avea nevoie de 15-40 Nm. Viteza fără sarcină de 6000 RPM este irelevantă aici, deoarece articulația nu funcționează niciodată lângă această viteză.

Potrivirea platformelor motoare cu arhitectura articulației robotizate

Arhitectura comună ar trebui să determine cadrul motorului și cutia de viteze, nu invers.

Articulațiile umărului cu sarcină mare beneficiază de motoare cu angrenaje armonice, care oferă joc zero și densitate mare de energie. Jiangsu Retek Motion Co., Ltd. (Retek Motion) oferă un motor angrenaj armonic de 200 Nm care se potrivește axelor grele de umăr și talie. Sarcinile utile medii pe brațele colaborative și manipulatoarele mobile funcționează bine cu motoarele cu angrenaje de 60 Nm. Pentru robotica medicală compactă, montată pe umăr, un motor fără perii de 42 mm cu reductor oferă densitate de putere într-un plic mic.

Motor cu angrenaj armonic de 200 Nm pentru îmbinări de roboți de mare rezistență Acest motor oferă un cuplu de 200 Nm cu joc zero, făcându-l potrivit pentru axele grele de umăr și talie la roboții care necesită o poziționare precisă și repetabilă. Vizualizare produs →

Motorreductor de 60 Nm pentru roboți și manipulatori colaborativi Cu un cuplu nominal de 60 Nm, acest motorreductor se potrivește cu brațe de colaborare cu sarcină utilă medie și manipulatoare mobile, oferind performanțe fiabile pentru diverse sarcini robotice. Vizualizare produs →

Motor fără perii Outrunner de 42 mm cu angrenaj pentru robotică medicală Acest motor compact de 42 mm outrunner fără perii cu angrenaj oferă un cuplu ridicat și un control precis, ideal pentru aplicații de robotică medicală montată pe umăr. Vizualizare produs →

Cutiile de viteze armonice oferă zero joc, care este necesar pentru o poziționare repetabilă. Cutiile de viteze planetare sunt mai puțin costisitoare și tolerează mai bine sarcinile de impact, așa că se potrivesc cu roțile robotilor mobile care lovesc bordurile și rampele. Cadrul motorului urmează alegerea cutiei de viteze, nu invers.

Utilizați această listă de verificare atunci când evaluați orice motor candidat pentru o articulație robot:

• Verificați cuplul continuu la turația de funcționare, nu cuplul maxim la turație zero.
• Măsurați cuplul de strângere cu raportul cutiei de viteze aplicat.
• Confirmați că ratingul IP se potrivește cu condițiile de spălare sau de expunere la praf.
• Verificați că feedbackul codificatorului este compatibil cu controlerul robotului.
• Evaluați calea termică prin carcasa cutiei de viteze.

Comparația densității cuplului între dimensiunile cadrului BLDC

Un cadru mai mare nu produce întotdeauna proporțional mai mult cuplu utilizabil, deoarece factorul de umplere a înfășurării și disiparea căldurii se modifică odată cu diametrul și lungimea axială.

Linia DC fără perii a Retek Motion se întinde de la 28 mm la 130 mm. Valorile reprezentative ale cuplului continuu în seria de 24 VDC sunt de aproximativ 0,4 Nm pentru un motor de 42 mm, 0,8 Nm pentru 57 mm, 1,6 Nm pentru 76 mm, 2,2 Nm pentru 80 mm, 3,5 Nm pentru 100 mm și 6,5 Nm pentru 130 mm. Progresia este mai aproape de o relație cubică cu diametrul rotorului, motiv pentru care selectarea dimensiunii cadrului este în primul rând o problemă de proiectare termică.

Ce să cauți la un furnizor de motoare robotice

Flexibilitatea ingineriei și integrarea verticală a producției contează mai mult decât lărgimea catalogului, deoarece majoritatea îmbinărilor robotului necesită un proiect de motor personalizat.

Retek Motion a proiectat și construit motoare de curent continuu fără perii din 2018. Compania produce, de asemenea, carcase pentru cutii de viteze prelucrate CNC, componente turnate sub presiune și cablaje de cabluri sub un singur acoperiș. Această combinație permite unui producător de roboți să repete configurațiile înfășurării, codificatorului și conectorului fără a coordona mai mulți furnizori.

Pentru cazuri specifice de utilizare, Retek's motoare fără perii cu dentare redusă reduce ondulația de poziție la ieșire, în timp ce motoare DC fără perii cu cuplu ridicat oferă marja necesară atunci când sarcinile utile sunt dinamice.

Întrebări frecvente

Care este diferența dintre un motor fără perii pentru robotică și un motor BLDC obișnuit?

Un motor fără perii robotic este specificat pentru cuplu continuu la viteză mică, cogging scăzut și compatibilitate cu feedback, în timp ce un motor BLDC obișnuit este de obicei evaluat pentru viteză maximă și putere mare de ieșire.

Cum calculez cuplul continuu necesar pentru o articulație robot?

Înmulțiți masa sarcinii utile cu lungimea brațului de moment, adăugați inerția reflectată și pierderile cutiei de viteze, apoi aplicați un factor de siguranță de cel puțin 3x.

Este o cutie de viteze armonică mai bună decât o cutie de viteze planetară pentru un robot cu motor fără perii?

Cutiile de viteze armonice oferă zero joc și o reducere ridicată pentru articulații precise ale brațelor; cutiile de viteze planetare gestionează mai bine sarcinile de șoc pentru roțile motrice mobile.

Pot obține un motor fără perii personalizat cu un controler integrat pentru robotică?

Da. Controlerul integrat și opțiunile de înfășurare personalizate sunt standard, iar un furnizor integrat vertical poate produce, de asemenea, carcasa cutiei de viteze și cablajul de cabluri.