Hur väljer man en robotledsmotor för bättre prestanda hos ändeffektorn?

Introduktion

Vid konstruktion av en robotarm handlar valet av rätt ledmotor för robot inte bara om att välja det högsta vridmomentet, den minsta storleken eller den mest avancerade transmissionstekniken. Det slutliga syftet med varje robotled är att stödja ändverktygets rörelse och prestanda.

En robotarm kan använda ett gripdon, vakuumverktyg, kamera, svetspistol, inspektionsenhet, doseringshuvud, skruvdragare eller annat specialiserat verktyg. Varje ändverktyg skapar olika krav på lastkapacitet, rörelsehastighet, acceleration, positioneringsstabilitet och dynamisk respons.

Därför bör valet av en ledmotor för robot börja med den prestanda som krävs vid robotarmens ände.

Ändverktygets massa, tyngdpunkt, dimensioner, rörelsecykel, accelerationskrav och arbetsuppgift påverkar alla den prestanda som krävs av robotlederna. Dessa krav kan sedan översättas till motorvridmoment, utgångshastighet, utväxlingsförhållande, ledmassa och transmissionsegenskaper.

I många robotsystem kan både en harmonisk ledmotor och en planetväxelledmotor ge en effektiv lösning. Det bästa valet beror på hur hela robotarmen måste prestera, snarare än på specifikationen för en enskild komponent.

Den här artikeln förklarar hur kraven på ändverktyget påverkar valet av ledmotor för robot och hur ingenjörer kan utvärdera harmoniska ledmotorer och planetväxelledmotorer utifrån robotarmens faktiska prestanda.

Varför bör valet av ledmotor för robot börja med ändverktyget？

Ändverktyget är där robotarmen utför sitt faktiska arbete.

En ledmotor för robot skapar inte värde enbart genom att generera vridmoment. Dess syfte är att flytta robotarmens länkar så att ändverktyget kan nå, positionera, accelerera, bromsa och interagera med ett arbetsstycke eller den omgivande miljön.

Det innebär att robotens slutliga prestanda bör utvärderas vid ändverktyget.

En robot kan ha tillräckligt ledvridmoment men ändå uppvisa dålig prestanda vid ändverktyget. Armen kan vibrera efter snabb rörelse, accelerera för långsamt, kräva överdrivet lång tid för att stabiliseras eller få positionsförändringar under extern belastning.

Därför bör det första steget vid val av ledmotor för robot vara att definiera vad ändverktyget måste uppnå.

Erforderlig last, verktygsmassa, tyngdpunkt, arbetsområde, maximal hastighet, acceleration, positioneringsstabilitet och driftcykel bör alla beaktas.

När dessa krav har definierats kan ingenjörer utvärdera den prestanda som krävs av hela robotarmen och sedan välja lämplig ledmotor för robot för varje axel.

Hur påverkar ändverktygets massa kraven på ledmotorn för robot？

Ändverktygsaggregatet omfattar ofta mer än själva verktyget.

Ett komplett robotändaggregat kan inkludera ett gripdon, verktygsväxlare, kraftsensor, kamera, kablar, kontakter, vakuumkomponenter, processutrustning och arbetsstycket.

Alla dessa komponenter bidrar till den last som robotarmen bär.

Valet av ledmotor för robot bör dock inte baseras enbart på massa.

Tyngdpunktens placering är lika viktig.

Ett kompakt och tungt verktyg kan skapa ett mindre ledmoment än ett lättare verktyg som sträcker sig långt från robotflänsen.

För ett förenklat statiskt tillstånd kan lastmomentet uttryckas som:

T = m ×g×L

där T är det erforderliga vridmomentet, m är massan, g är tyngdaccelerationen och L är det effektiva avståndet mellan ledaxeln och tyngdpunkten.

När robotarmen ändrar position kan även den effektiva hävarmen förändras.

Det innebär att kraven på ledmotorn för robot bör beräknas utifrån hela rörelseområdet, snarare än en enda statisk position.

Varför är verktygets tröghetsmoment viktigt vid val av ledmotor för robot？

Ändverktygets massa är endast en del av den dynamiska lasten.

Verktygets rotationströghetsmoment kan ha stor påverkan på ledmotorns prestanda.

Ett verktyg med stort avstånd från rotationsaxeln kan kräva ett betydande accelerationsvridmoment även när dess totala massa är relativt låg.

Rotationströghetsmomentet kan förenklas som:

J = m×r²

där J representerar rotationströghetsmomentet, m representerar massan och r representerar avståndet mellan massan och rotationsaxeln.

Det kvadratiska sambandet med avståndet innebär att ett ökat avstånd mellan verktygsmassan och rotationsaxeln kan öka tröghetsmomentet avsevärt.

Under acceleration och inbromsning måste ledmotorn för robot generera extra vridmoment.

Detta dynamiska vridmoment kan uttryckas som:

T = J× α

där αär vinkelaccelerationen.

För robotarmar utrustade med långa gripdon, inspektionsverktyg, kameror, processhuvuden eller förlängda verktygsväxlare bör tröghetsmomentet därför utvärderas tillsammans med lastkapaciteten.

En ledmotor för robot som verkar tillräcklig enligt det statiska vridmomentet kanske inte ger den dynamiska prestanda som krävs vid snabba rörelser.

Hur påverkar ledmotorns massa robotarmens dynamik？

Massan hos en ledmotor för robot blir en del av själva robotarmen.

Detta är särskilt viktigt för leder som är placerade längre från robotbasen.

En tung led nära armens ände blir en nedströmslast för de andra robotlederna. Denna extra massa måste accelereras och bromsas under varje rörelsecykel.

Därför kan valet av en onödigt stor ledmotor för en axel öka vridmomentskraven för andra axlar.

Effekten kan bli kumulativ.

En större ledmotor kan öka nedströmsmassan. Högre nedströmsmassa kan kräva en större uppströmsmotor. Den större uppströmsmotorn tillför sedan ytterligare massa till robotstrukturen.

Därför bör valet av ledmotor för robot ta hänsyn till massfördelningen i hela robotarmen.

För höghastighetsapplikationer kan minskning av onödig distal massa bidra till förbättrad acceleration hos ändverktyget och minskad mekanisk belastning på hela roboten.

Varför är vridmomentdensitet viktig för ändverktygets prestanda？

Vridmomentdensitet är en viktig parameter vid val av ledmotor för robot eftersom robotsystem måste balansera utgångskapacitet med storlek och massa.

En kompakt ledmotor med tillräckligt vridmoment kan bidra till att minska robotarmens dimensioner. En lätt led kan minska nedströmsmassan. Lägre nedströmsmassa kan minska det vridmoment som krävs av andra leder.

Dessa fördelar kan förbättra ändverktygets dynamiska prestanda.

Målet är dock inte enbart att välja minsta möjliga ledmotor för robot.

En underdimensionerad motor kan ha otillräckligt kontinuerligt vridmoment, begränsad termisk kapacitet eller låg överbelastningsförmåga.

Målet är att välja en ledmotor för robot som ger en lämplig balans mellan utgångsvridmoment, ledmassa, installationsdimensioner och dynamiska krav.

Detta är särskilt viktigt vid konstruktion av robotarmar för höghastighetshantering, inspektion, maskinbetjäning och automatiserad montering.

Harmonisk ledmotor och ändverktygets prestanda

En harmonisk ledmotor konstrueras vanligtvis genom att kombinera en motor med ett harmoniskt transmissionssystem och andra rörelsekomponenter i en kompakt ledstruktur.

Denna typ av lösning kan vara fördelaktig när en robotarm kräver ett högt utväxlingsförhållande inom ett kompakt installationsutrymme.

För robotsystem kan en harmonisk ledmotor stödja en kompakt mekanisk arkitektur och samtidigt ge högt utgångsvridmoment i förhållande till sin storlek.

Detta kan vara värdefullt när installationsutrymmet är begränsat eller när minskade leddimensioner bidrar till att förbättra robotarmens övergripande konstruktion.

Harmonisk transmissionsteknik kan också vara lämplig för tillämpningar där kontrollerad rotationspositionering är viktig.

Robotarmar för exempelvis precisionsmontering, inspektion, kompakt automationsutrustning och kontrollerad materialhantering kan dra nytta av en harmonisk ledmotor när den erforderliga kombinationen av vridmoment, dimensioner och positioneringsprestanda motsvarar systemets egenskaper.

En harmonisk ledmotor bör dock fortfarande utvärderas utifrån den kompletta robottillämpningen.

Erforderlig utgångshastighet, driftcykel, extern belastning, acceleration, mekanisk styvhet och ändverktygets tröghetsmoment bör alla beaktas före det slutliga valet.

Planetväxelledmotor och ändverktygets prestanda

En planetväxelledmotor använder ett planetväxelsystem för att ge hastighets- och vridmomentomvandling i robotleden.

Planettransmissionssystem används i stor utsträckning inom industriella rörelseapplikationer och kan erbjuda ett flexibelt tillvägagångssätt för utväxlingsförhållande och prestandakonfiguration.

För robotarmar kan en planetväxelledmotor vara lämplig när erforderlig utgångshastighet, vridmoment, verkningsgrad och systemkonfiguration överensstämmer med tillämpningens egenskaper.

Olika utväxlingsförhållanden kan stödja olika samband mellan motorhastighet och utgångshastighet.

Detta kan vara användbart när robotarmen kräver en särskild balans mellan snabb rörelse och utgångsvridmoment.

En planetväxelledmotor bör inte enbart ses som ett alternativ med lägre prestanda än en harmonisk ledmotor.

De två teknikerna har olika mekaniska egenskaper.

Det lämpliga valet beror på ändverktygets uppgift, erforderlig rörelseprofil, tillgängligt installationsutrymme, utgångsvridmoment, hastighetskrav och den kompletta robotarmens arkitektur.Harmonisk ledmotor jämfört med planetväxelledmotor

Jämförelsen mellan en harmonisk ledmotor och en planetväxelledmotor bör utgå från robotuppgiften snarare än ett generellt påstående om vilken teknik som är bättre.

En harmonisk ledmotor kan vara mer lämplig när robotarmen kräver en kompakt struktur, högt utväxlingsförhållande, hög vridmomentdensitet och exakt rotationsrörelse inom begränsat installationsutrymme.

En planetväxelledmotor kan vara lämplig när tillämpningen kräver en annan balans mellan utgångshastighet, transmissionsverkningsgrad, utväxlingsförhållande och mekanisk konfiguration.

Det slutliga beslutet bör ta hänsyn till hela driftförhållandet.

Detta omfattar ändverktygets massa, last, tyngdpunkt, verktygets tröghetsmoment, erforderlig hastighet, acceleration, driftcykel, robotarmens dimensioner och installationskrav.

Den bästa ledmotorn för robot är inte nödvändigtvis den med högst vridmoment eller den mest komplexa transmissionstekniken.

Det är den ledmotor som gör det möjligt för hela robotarmen att uppnå den erforderliga prestandan hos ändverktyget på ett effektivt och tillförlitligt sätt.

Hur påverkar ledstyvheten ändverktygets stabilitet？

Ändverktygets stabilitet påverkas av robotarmens kompletta mekaniska struktur.

Lederna, transmissionssystemen, lagren, husen, monteringsgränssnitten och robotlänkarna kan alla utsättas för små mekaniska deformationer under belastning.

Dessa effekter kan ackumuleras i hela robotarmen.

För en robot med lång räckvidd kan en liten vinkelavvikelse nära basen ge en större positionsförändring vid ändverktyget.

Det innebär att enbart utgångsvridmoment inte räcker för att utvärdera en ledmotor för robot.

Mekanisk styvhet bör också beaktas när tillämpningen kräver stabil verktygspositionering.

Detta är särskilt relevant för robottillämpningar som omfattar precisionsmontering, inspektion, insättning, dosering, polering och andra uppgifter där relationen mellan ändverktyget och arbetsstycket måste förbli stabil.

Målet är att utvärdera ledmotorn som en del av det kompletta mekaniska systemet.

Dynamisk respons och ändverktygets inställningstid

En robot kan nå en målposition snabbt medan ändverktyget fortfarande behöver ytterligare tid för att stabiliseras.

Efter acceleration och inbromsning kan vibrationer i robotarmen påverka ändverktygets stabiliseringsförlopp.

Denna inställningstid kan direkt påverka den faktiska produktionscykeln.

Att öka robotens maximala hastighet ökar till exempel inte alltid produktiviteten om roboten måste vänta på att vibrationerna minskar innan ändverktyget kan påbörja nästa operation.

Valet av ledmotor för robot kan påverka detta beteende genom faktorer som ledmassa, utgångströghetsmoment, mekanisk styvhet, transmissionsegenskaper och den dynamiska interaktionen mellan robotaxlarna.

För höghastighetsautomation bör ingenjörer därför överväga hur snabbt ändverktyget kan röra sig, stanna och stabiliseras.

Målet bör inte enbart vara hög maximal hastighet.

Målet bör vara effektiv rörelseprestanda under hela driftcykeln.

Val av ledmotor för robot för olika ändverktygsuppgifter

Olika ändverktyg skapar olika krav på ledmotorn för robot.

Ett materialhanteringsgripdon kan kräva hög lastkapacitet och effektiv upprepad rörelse. Ett verktyg för precisionsmontering kan kräva kontrollerad positionering och stabil rörelse. Ett visionsystem kan kräva låga vibrationer och snabb stabilisering. Ett processverktyg kan kräva kontinuerlig drift under föränderliga externa belastningar.

Därför bör valet av ledmotor för robot baseras på den faktiska arbetsuppgiften.

Uppgiften definierar kraven på ändverktyget.

Kraven på ändverktyget definierar den erforderliga prestandan hos robotarmen.

Robotarmens prestandakrav definierar sedan kraven på vridmoment, hastighet, massa, styvhet och transmission för varje ledmotor för robot.

Detta systemnivåperspektiv bidrar till att undvika val av robotleder enbart baserat på katalogspecifikationer.

En metod på systemnivå för val av ledmotor för robot

En praktisk process för att välja ledmotor för robot börjar med att definiera ändverktyget och uppgiften.

Det kompletta ändaggregatet bör omfatta massan hos verktyget, lasten, sensorerna, kontakterna, kablarna och annan installerad utrustning.

Tyngdpunkten och rotationströghetsmomentet bör sedan utvärderas.

Erforderligt rörelseområde, hastighet, acceleration och cykeltid kan användas för att fastställa robotarmens dynamiska prestandakrav.

En mekanisk modell kan sedan användas för att uppskatta de statiska och dynamiska belastningar som varje led utsätts för inom hela arbetsområdet.

De erforderliga ledegenskaperna kan sedan utvärderas utifrån utgångsvridmoment, krav på kontinuerlig drift, hastighet, massa, dimensioner, transmissionskonfiguration och installationsförhållanden.

Efter att preliminära ledmotorer har valts bör deras faktiska massa och dimensioner införlivas i modellen för hela robotarmen.

Systemet kan sedan utvärderas igen för att avgöra hur de valda ledmotorerna för robot påverkar ändverktygets slutliga prestanda.

Detta iterativa tillvägagångssätt kan hjälpa ingenjörer att undvika onödig överdimensionering samtidigt som tillräcklig prestanda och tillförlitlighet bibehålls.

HONPINE lösningar med harmoniska ledmotorer och planetväxelledmotorer

HONPINE tillhandahåller integrerade rörelseprodukter för robotik och industriella automationsapplikationer, inklusive harmoniska ledmotorer och lösningar med planetväxelledmotorer.

Olika robottillämpningar kan kräva olika kombinationer av utgångsvridmoment, utväxlingsförhållande, hastighet, dimensioner och ledmassa.

Därför bör valet av ledmotor för robot ta hänsyn till hela robotsystemet snarare än en enskild specifikation.

Viktig tillämpningsinformation kan omfatta ändverktygstyp, last, verktygsmassa, tyngdpunkt, robotarmens räckvidd, länkmassa, erforderlig utgångshastighet, acceleration, driftcykel och tillgängligt installationsutrymme.

Dessa parametrar kan utgöra grunden för att utvärdera varje leds prestandakrav.

Beroende på tillämpningen kan en harmonisk ledmotor erbjuda fördelar för kompakta robotarkitekturer som kräver höga utväxlingsförhållanden och hög vridmomentdensitet.

En planetväxelledmotor kan erbjuda en alternativ lösning när en annan balans mellan utgångshastighet, transmissionskonfiguration och mekaniska krav behövs.

Genom att utvärdera hela robotarmen och den prestanda som krävs vid ändverktyget kan konstruktörer välja en mer balanserad ledmotorarkitektur för tillämpningen.

Slutsats

En robotarms prestanda mäts i slutändan vid ändverktyget.

Därför bör valet av ledmotor för robot börja med den slutliga uppgiften snarare än med en produktspecifikation.

Ändverktygets massa och tyngdpunkt påverkar ledbelastningen. Verktygets tröghetsmoment påverkar accelerationskraven. Ledmassan påverkar hela robotarmens dynamiska prestanda. Mekanisk styvhet påverkar ändverktygets stabilitet. Den kombinerade prestandan hos alla robotleder påverkar hur snabbt ändverktyget kan röra sig och stabiliseras.

En harmonisk ledmotor och en planetväxelledmotor kan båda erbjuda effektiva lösningar för robotsystem, men de bör väljas utifrån tillämpningens faktiska krav.

Den bästa ledmotorn för robot är inte enbart den kraftfullaste, minsta eller lösningen med högst utväxlingsförhållande.

Det är den ledmotor som ger rätt balans mellan vridmoment, hastighet, massa, dimensioner, dynamisk prestanda och tillförlitlighet för hela robotarmen.

Genom att börja med kraven på ändverktyget och arbeta bakåt genom robotarmen kan ingenjörer utveckla en effektivare och mer tillämpningsorienterad ledmotorarkitektur.

HONPINE erbjuder lösningar med harmoniska ledmotorer och planetväxelledmotorer för robotik- och automationsapplikationer och hjälper systemkonstruktörer att utvärdera integrerade rotationsrörelselösningar utifrån prestandakraven hos deras kompletta robotsystem.