Бесщеточный двигатель для робототехники: плотность крутящего момента, зубчатая передача и индивидуальная интеграция

Инженер по исследованиям и разработкам однажды рассказал нам, что бесщеточный двигатель, который прекрасно показал себя на испытательном стенде дрона, заглох через несколько минут на руке робота. Причина была не в недостатке мощности. Это было несоответствие между характеристиками непрерывного крутящего момента, используемыми разработчиками дронов, и профилем низкого крутящего момента с высоким удерживающим моментом, требуемым для соединения робота. Бесщеточный двигатель для робототехники должен удерживать положение, преодолевая силу тяжести, плавно двигаться со скоростью 20 об/мин и выдерживать частые циклы старт-стоп без тепловых повреждений. Это совершенно другой ландшафт спецификаций.

Инженеры по закупкам часто совершают одну и ту же ошибку: они выбирают двигатель, основываясь на самой высокой частоте вращения холостого хода в каталоге, а затем обнаруживают, что постоянный крутящий момент при фактической скорости соединения не соответствует действительности. В результате получается редизайн, который стоит несколько месяцев.

Что определяет бесщеточный двигатель для робототехники?

Бесщеточный двигатель для робототехники — это трехфазная синхронная машина, разработанная для обеспечения высокой плотности крутящего момента, низкого крутящего момента и обратной связи по положению с обратной связью, а не для пиковых оборотов без нагрузки.

Разница становится очевидной, если сравнить двигатель дрона с шарнирным приводом. Двигатель дрона выбран по соотношению тяги к весу при высоких оборотах. Двигатель роботизированного шарнира выбирается для обеспечения постоянного крутящего момента на низкой скорости, часто с гармоническим редуктором, снижающим выходную скорость до 20-60 об/мин и одновременно увеличивающим крутящий момент. Критическими параметрами являются плотность крутящего момента (Нм на килограмм массы двигателя), зубчатый момент (магнитный фиксатор, вызывающий неравномерное вращение) и гибкость обмотки.

Обмотки и энкодеры также определяются на уровне приложения. Двигателю, работающему на оси запястья с напряжением 24 В постоянного тока, может потребоваться обмотка на 310 В постоянного тока для оси с тяжелой талией, а тип энкодера должен соответствовать входу контроллера. Это не варианты из каталога; это инженерный выбор.

Почему постоянный крутящий момент на низкой скорости превосходит обороты на холостом ходу

Непрерывный крутящий момент на низких оборотах определяет, сможет ли робот удерживать полезную нагрузку; максимальной скорости в даташите нет.

Гравитация всегда действует на двигатель, даже когда рычаг неподвижен. Ось запястья, на которой установлен инструмент массой 2 кг, требует постоянного крутящего момента примерно от 0,5 до 1,5 Нм при скорости 50–100 об/мин, чтобы удерживать этот инструмент устойчиво. Ось локтя требует 3-8 Нм. Плечевой оси, воспринимающей полную полезную нагрузку, может потребоваться 15–40 Нм. Скорость холостого хода 6000 об/мин здесь не имеет значения, поскольку шарнир никогда не работает при такой скорости.

Соответствие моторных платформ роботизированной совместной архитектуре

Архитектура соединений должна определять раму двигателя и коробки передач, а не наоборот.

Плечевые шарниры, работающие при высоких нагрузках, выигрывают от гармонических мотор-редукторов, которые обеспечивают нулевой люфт и высокую плотность энергии. Jiangsu Retek Motion Co., Ltd. (Retek Motion) предлагает гармонический мотор-редуктор с крутящим моментом 200 Нм, который подходит для тяжелых плечевых и поясных осей. Средние полезные нагрузки на совместных манипуляторах и мобильных манипуляторах хорошо работают с мотор-редукторами 60 Нм. Для компактной наплечной медицинской робототехники бесщеточный двигатель с выдвижным колесом диаметром 42 мм и редуктором обеспечивает плотность мощности в небольшом корпусе.

Мотор-редуктор Harmonic 200 Нм для тяжелых соединений роботов Этот двигатель обеспечивает крутящий момент 200 Нм с нулевым люфтом, что делает его пригодным для тяжелых плечевых и поясных осей роботов, требующих точного и воспроизводимого позиционирования. Посмотреть продукт →

Мотор-редуктор 60 Нм для коллаборативных роботов и манипуляторов Этот мотор-редуктор с номинальным крутящим моментом 60 Нм подходит для совместных манипуляторов средней грузоподъемности и мобильных манипуляторов, обеспечивая надежную работу при выполнении различных роботизированных задач. Посмотреть продукт →

Бесщеточный двигатель Outrunner диаметром 42 мм с редуктором для медицинской робототехники Этот компактный бесщеточный двигатель диаметром 42 мм с редуктором обеспечивает высокий крутящий момент и точное управление, что идеально подходит для наплечной медицинской робототехники. Посмотреть продукт →

Редукторы Harmonic обеспечивают нулевой люфт, что необходимо для повторяемости позиционирования. Планетарные редукторы дешевле и лучше переносят ударные нагрузки, поэтому подходят для колес мобильных роботов, которые наезжают на бордюры и пандусы. Рама двигателя соответствует выбору коробки передач, а не наоборот.

Используйте этот контрольный список при оценке любого двигателя-кандидата на соединение робота:

• Проверяйте постоянный крутящий момент на рабочей скорости, а не пиковый крутящий момент на нулевой скорости.
• Измерьте зубчатый момент с применением передаточного числа коробки передач.
• Убедитесь, что степень IP соответствует условиям мытья или воздействия пыли.
• Убедитесь, что обратная связь энкодера совместима с контроллером робота.
• Оцените тепловой путь через корпус коробки передач.

Сравнение плотности крутящего момента в разных типоразмерах BLDC

Рама большего размера не всегда обеспечивает пропорционально больший полезный крутящий момент, поскольку коэффициент заполнения обмотки и рассеивание тепла изменяются в зависимости от диаметра и осевой длины.

Бесщеточная линия постоянного тока Retek Motion имеет диаметр от 28 до 130 мм. Репрезентативные значения постоянного крутящего момента в серии 24 В постоянного тока составляют примерно 0,4 Нм для двигателя диаметром 42 мм, 0,8 Нм для двигателя 57 мм, 1,6 Нм для 76 мм, 2,2 Нм для 80 мм, 3,5 Нм для 100 мм и 6,5 Нм для 130 мм. Прогрессия ближе к кубической зависимости от диаметра ротора, поэтому выбор размера корпуса является, прежде всего, проблемой теплового расчета.

На что обратить внимание при выборе поставщика двигателей для робототехники?

Инженерная гибкость и вертикальная производственная интеграция имеют большее значение, чем широта каталога, поскольку для большинства роботизированных соединений требуется индивидуальный проект двигателя.

Retek Motion самостоятельно разрабатывает и производит бесщеточные двигатели постоянного тока с 2018 года. Компания также производит корпуса коробок передач на станках с ЧПУ, литые компоненты и кабельные жгуты под одной крышей. Эта комбинация позволяет производителю роботов изменять конфигурации обмоток, энкодеров и разъемов без координации работы нескольких поставщиков.

Для конкретных случаев использования Retek бесщеточные двигатели с низким зубцом уменьшить пульсации положения на выходе, в то же время бесщеточные двигатели постоянного тока с высоким крутящим моментом обеспечить запас, необходимый, когда полезные нагрузки являются динамическими.

Часто задаваемые вопросы

Чем бесщеточный двигатель для робототехники отличается от обычного двигателя BLDC?

Бесщеточный двигатель для робототехники рассчитан на постоянный крутящий момент на низкой скорости, низкий уровень зубцов и совместимость с обратной связью, тогда как обычный двигатель BLDC обычно рассчитан на пиковую скорость и высокую выходную мощность.

Как рассчитать необходимый постоянный крутящий момент для соединения робота?

Умножьте массу полезной нагрузки на длину плеча момента, прибавьте отраженную инерцию и потери в коробке передач, затем примените коэффициент безопасности не менее 3х.

Является ли гармонический редуктор лучше планетарного редуктора для робота с бесщеточным двигателем?

Редукторы Harmonic обеспечивают нулевой люфт и высокую степень уменьшения для точных соединений рычагов; Планетарные редукторы лучше справляются с ударными нагрузками на подвижных ведущих колесах.

Могу ли я получить специальный бесщеточный двигатель со встроенным контроллером для робототехники?

Да. Встроенный контроллер и специальные варианты обмотки входят в стандартную комплектацию, а вертикально интегрированный поставщик также может изготовить корпус редуктора и жгут проводов.