Harmoniskt roterande ställdon: integrerad drivning eller extern drivning – vilket passar din applikation bäst?

Introduktion

Inom robotleder, precisionsautomation, halvledarutrustning, CNC-roterande axlar och högprecisionspositioneringssystem blir den harmoniska roterande aktuatorn en alltmer integrerad lösning för roterande rörelser.

Jämfört med den traditionella kombinationen av servomotor, harmonisk växel och extern drivenhet kan en harmonisk roterande aktuator integrera funktioner som motor, harmonisk transmission, encoder, lager och motordrivare i en mer kompakt rörelseenhet. Detta kan förenkla både den mekaniska och elektriska systemkonstruktionen.

Ingenjörer ställs dock ofta inför ett annat viktigt beslut vid val av en harmonisk roterande aktuator: Ska aktuatorn ha en inbyggd eller extern drivare?

Detta handlar inte bara om att avgöra vilken konfiguration som ger bäst prestanda. De två konfigurationerna är utformade för olika systemarkitekturer. Det rätta valet beror på faktorer som installationsutrymme, kabeldragning, värmehantering, styrarkitektur, underhållskrav och den specifika tillämpningen.

Två drivkonfigurationer för harmoniska roterande aktuatorer

Harmoniska roterande aktuatorer kan generellt delas in i två konfigurationer baserat på motordrivarens placering: inbyggd drivare och extern drivare.

Harmonisk roterande aktuator med inbyggd drivare

I en konfiguration med inbyggd drivare integreras motordrivaren direkt i aktuatorn.

Detta gör det möjligt för aktuatorn att kombinera motor, harmonisk transmission, encoder och drivare i en kompakt enhet, vilket ger en högintegrerad lösning för roterande rörelser.

Denna konfiguration är särskilt lämplig för tillämpningar där installationsutrymme, kabeldragning och övergripande systemintegration är avgörande.

Typiska tillämpningar omfattar humanoida robotleder, kollaborativa robotar, kompakta robotarmar, robotleder med begränsat utrymme samt kompakt automationsutrustning.

För robottillverkare är den huvudsakliga fördelen inte bara att en separat drivare elimineras. Ännu viktigare är att en högintegrerad aktuator kan förenkla den mekaniska och elektriska konstruktionen av hela ledmodulen.

Harmonisk roterande aktuator med extern drivare

I en konfiguration med extern drivare installeras drivaren separat från aktuatorn.

Aktuatorn fokuserar på det mekaniska rörelsesystemet och positionsåterkopplingen, medan motordrivaren placeras på annan plats i maskinen eller i styrskåpet.

Denna konfiguration ger större flexibilitet i systemlayout och elektrisk arkitektur.

För fleraxlig automationsutrustning kan flera drivare installeras tillsammans i ett styrskåp eller ett elskåp, i stället för att placera drivelektroniken inuti varje mekanisk aktuator.

Denna konfiguration är särskilt lämplig för CNC-roterbord, halvledarutrustning, precisionspositioneringssystem, fleraxliga automationssystem och industrirobotar.

Varför är drivarnas placering viktig för systemkonstruktionen?

För en konventionell motor kan drivarnas placering främst verka vara en fråga för den elektriska konstruktionen.

För en harmonisk roterande aktuator kan dock integreringen av drivaren direkt påverka den totala ledstorleken, kabeldragningen, värmehanteringen och systemarkitekturen.

Därför bör valet av aktuator inte enbart baseras på nominellt vridmoment.

Ingenjörer bör även beakta installationsutrymme, kabeldragning, kylning av drivaren, styrarkitektur, synkronisering av flera axlar, underhållskrav, omgivningstemperatur, driftbelastning, arbetscykel och aktuatorns dimensioner.

Det är därför samma harmoniska roterande aktuator kan kräva olika drivkonfigurationer beroende på vilken utrustning den installeras i.

När är en inbyggd drivare det bättre valet?

Begränsat utrymme inuti robotleden

Humanoida robotar, kollaborativa robotar och kompakta robotarmar har vanligtvis mycket begränsat utrymme inuti lederna.

Med en konventionell konfiguration måste systemet inte bara rymma motorn och den harmoniska transmissionen, utan även den externa drivaren och tillhörande elektriska anslutningar.

En harmonisk roterande aktuator med inbyggd drivare kan integrera fler funktioner i själva ledmodulen och bidra till att minska det totala installationsutrymmet.

Detta är särskilt viktigt för humanoida robotar, där varje led måste balansera vridmoment, hastighet, storlek, vikt och kabelkomplexitet.

Komplex intern robotkabeldragning

Robotar kan innehålla ett stort antal individuellt styrda leder.

När antalet frihetsgrader ökar kan hanteringen av motor-, encoder- och drivanslutningar bli allt mer komplicerad.

Genom att integrera drivaren i aktuatorn kan den elektriska arkitekturen för varje led förenklas och mängden kablage som måste dras genom robotens struktur minskas.

Detta kan vara särskilt värdefullt för humanoida robotar, kollaborativa robotar, sexaxliga robotarmar och andra system med flera leder.

Hög grad av ledintegration

Om en robottillverkare vill använda en relativt komplett robotledsaktuator i stället för att integrera motor, harmonisk växel, drivare och encoder separat, kan en konfiguration med inbyggd drivare vara en effektiv lösning.

En högre integrationsgrad kan minska arbetet med systemintegration och potentiellt förkorta utvecklingscykeln för robotleder.

När är en extern drivare det bättre valet?

Centraliserad styrarkitektur

Industriell automationsutrustning använder ofta ett centraliserat styrskåp där flera servodrivare installeras tillsammans.

En fleraxlig maskin kan exempelvis ha flera roterande axlar som styrs av individuella drivare placerade i samma elskåp.

I denna typ av arkitektur kan en harmonisk roterande aktuator med extern drivare enklare integreras i det befintliga automationssystemet.

Högre krav på värmehantering

Motordrivare genererar värme under drift.

När drivaren integreras i aktuatorn måste systemet ta hänsyn till den sammanlagda värmebelastningen från både motorn och drivaren.

Med en extern drivare kan drivelektroniken installeras i ett större kapslingsutrymme eller i en särskild kyld miljö, vilket ger större flexibilitet vid värmehantering.

Detta kan vara en fördel för utrustning som arbetar kontinuerligt, hanterar höga belastningar, utför frekventa accelerationer och retardationer eller innehåller flera axlar.

Flexibelt elektriskt underhåll

En externt monterad drivare kan inspekteras, servas eller bytas ut oberoende av den mekaniska aktuatorn.

För stora industriella automationssystem kan denna modulära arkitektur göra underhåll och felsökning enklare.

Högre integrationsgrad innebär därför inte nödvändigtvis att en inbyggd drivare alltid är den bättre lösningen.

För industriell utrustning kan åtkomlighet för underhåll, styrskåpets layout och standardisering av det elektriska systemet vara lika viktiga.

Inbyggd drivare jämfört med extern drivare: Hur bör du välja?

Valet bör baseras på den övergripande systemarkitekturen snarare än på aktuatorn i sig.

Tillämpning eller konstruktionskrav Rekommenderad konfiguration

Det finns ingen enskild konfiguration som är idealisk för alla tillämpningar.

Det lämpligare valet bör avgöras av den kompletta maskinens mekaniska struktur, elektriska arkitektur, termiska förhållanden och rörelsekrav.

Vilka parametrar bör du beakta vid val av en harmonisk roterande aktuator?

Utgående vridmoment och utgående hastighet

Nominellt vridmoment är ofta den första specifikation ingenjörer beaktar, men det bör alltid utvärderas tillsammans med utgående hastighet.

Robotleder behöver vanligtvis balansera vridmoment och dynamisk respons, medan höghastighetsroterande axlar kan lägga större vikt vid kontinuerlig höghastighetsdrift.

Aktuatorn bör därför väljas utifrån den faktiska belastningsprofilen och inte enbart utifrån maximalt vridmoment.

Utväxlingsförhållande

Utväxlingsförhållandet påverkar utgående vridmoment, utgående hastighet, motorns driftförhållanden och den dynamiska responsen.

Det bör därför väljas utifrån motorns erforderliga arbetspunkt och den mekaniska belastningen.

Lasttröghet

För robotleder och höghastighetspositioneringssystem påverkar lasttrögheten direkt det vridmoment som krävs under acceleration och retardation.

Därför kan lasttrögheten vara lika viktig som det nominella vridmomentet vid val av aktuator.

Encoderkonfiguration

För högprecisionspositionsstyrning bör ingenjörer, utifrån tillämpningskraven, beakta encoderupplösning, enkelvarvs- eller flervarvsåterkoppling samt återkoppling på motor- och utgående sida.

Encoderkonfigurationen bör utvärderas tillsammans med kraven på positioneringsnoggrannhet, repeterbarhet, styrarkitektur och säkerhet.

Arbetscykel och termiska förhållanden

En aktuators termiska belastning kan skilja sig avsevärt mellan kontinuerlig drift och kortvarig toppdrift.

Vid det faktiska valet bör därför arbetscykel, kontinuerligt vridmoment, toppvridmoment, driftshastighet och omgivningstemperatur beaktas tillsammans.

Detta är särskilt viktigt för kompakta integrerade aktuatorer eftersom motor och drivare kan dela samma begränsade installationsutrymme.

Hur väljer man rätt drivkonfiguration för olika tillämpningar?

Humanoida robotar och kompakta robotleder

För humanoida robotar och kompakta robotleder är installationsutrymme och kabeldragning ofta viktiga konstruktionsbegränsningar.

En harmonisk roterande aktuator med inbyggd drivare kan ge en högintegrerad ledlösning och bidra till att minska det utrymme som krävs för extern drivelektronik.

Kollaborativa robotar och robotarmar

Kollaborativa robotar och kompakta robotarmar kräver en kombination av hög vridmomenttäthet, exakt positionering, kompakta dimensioner och effektiv systemintegration.

En konfiguration med inbyggd drivare kan vara särskilt attraktiv när aktuatorn behöver integreras direkt i en kompakt ledmodul.

CNC-roterbord

CNC-roterbord arbetar ofta som en del av en centraliserad maskinstyrningsarkitektur.

I dessa tillämpningar kan en extern drivare ge större flexibilitet för integrering i styrskåp, värmehantering och elektriskt underhåll.

Utrustning för halvledartillverkning

Halvledarutrustning kräver vanligtvis hög positioneringsnoggrannhet, stabil drift, kompakt mekanisk konstruktion och kontrollerade termiska förhållanden.

Valet mellan inbyggd och extern drivare bör därför baseras på den tillgängliga installationsytan, styrarkitekturen, arbetscykeln och de termiska kraven för utrustningen.

Fleraxliga automationssystem

För fleraxliga maskiner blir den elektriska arkitekturen allt viktigare när antalet aktuatorer ökar.

En konfiguration med extern drivare kan vara fördelaktig när flera drivare behöver arrangeras och hanteras centralt i ett gemensamt styrsystem.

Varför är tillämpningsbaserat val viktigt?

En praktisk urvalsprocess för harmoniska roterande aktuatorer bör börja med tillämpningskraven.

Ingenjörer bör först fastställa de mekaniska kraven, inklusive belastning, hastighet, vridmoment, tröghet, arbetscykel och installationsbegränsningar. Därefter kan lämplig drivkonfiguration väljas utifrån maskinens elektriska arkitektur och termiska förhållanden.

Först när dessa faktorer har fastställts bör aktuatorns storlek, encoderkonfiguration, kommunikationsgränssnitt och övriga specifikationer slutgiltigt bestämmas.

Målet är inte bara att välja en harmonisk roterande aktuator med högsta nominella vridmoment.

För kompakta robotleder kan en inbyggd drivare ge fördelar när det gäller integration, kabeldragning och utnyttjande av utrymme.

För industriell automationsutrustning med centraliserade styrsystem kan en extern drivare ge större flexibilitet för elektrisk integration, kylning och underhåll.

HONPINE:s lösningar med harmoniska roterande aktuatorer

HONPINE erbjuder två konfigurationer av harmoniska roterande aktuatorer för att möta olika mekaniska och elektriska systemkrav: harmoniska roterande aktuatorer med inbyggda drivare och harmoniska roterande aktuatorer med externa drivare.

De två konfigurationerna gör det möjligt för utrustningskonstruktörer att välja en aktuatorarkitektur utifrån kraven för den kompletta maskinen, utan att begränsas till en enda drivkonfiguration.

För robotar och högintegrerade rörelsemoduler kan en konfiguration med inbyggd drivare bidra till att minska installationsutrymmet och förenkla kabeldragningen.

För CNC-system, halvledarutrustning, fleraxlig automation och maskiner med centraliserade styrarkitekturer kan en konfiguration med extern drivare ge större flexibilitet för elektrisk integration och värmehantering.

Målet är i slutändan inte att avgöra om en inbyggd eller extern drivare generellt är bättre. Det rätta valet är den konfiguration som bäst överensstämmer med tillämpningens mekaniska struktur, elektriska arkitektur, termiska förhållanden och rörelsekrav.