Så väljer du en harmonisk växel: 9 viktiga faktorer att känna till

Hej allihop, jag heter Theodore Li och är teknisk chef på HONPINE.

I tidigare artiklar har jag diskuterat olika aspekter avharmonisk reducer, bland annat hur man beräknar utväxlingsförhållandet. Att välja rätt harmonisk reducer handlar dock om mycket mer än att välja ett utväxlingsförhållande eller jämföra vridmomentvärden.

En harmonisk reducer består huvudsakligen av tre centrala komponenter: våggeneratorn, flexsplinen och den cirkulära splinen. En tillförlitlig urvalsprocess börjar med att anpassa reducern till tillämpningen och lastdynamiken. Därefter kontrolleras vridmomentkapacitet, livslängd, installationsbegränsningar, positioneringsnoggrannhet och driftsförhållanden.

Vid val av harmonisk reducer bör ingenjörer inte fokusera enbart på vridmomentet. Rätt val kräver att man utvärderar tillämpningen, utväxlingsförhållandet, ingångshastigheten, vridmomentskraven, externa laster, positioneringsnoggrannheten, motorgränssnittet, installationsutrymmet och driftsmiljön.

I den här artikeln förklaras de 9 viktigaste faktorerna att ta hänsyn till vid val av harmonisk reducer. Här presenteras också en praktisk urvalsprocess för robotar, servorundbord, robotleder och automatiserad utrustning.

Innan du börjar bör du komma ihåg en viktig princip:

En harmonisk reducer bör inte väljas enbart utifrån det nominella vridmomentet. Stötbelastningar, tröghetsanpassning och vältmoment är ofta de verkliga orsakerna till fel.

I många fall havererar en reducer inte för att dess kontinuerliga vridmomentkapacitet har överskridits. I stället orsakas haveriet av alltför stora stötbelastningar, vältmoment eller bristande tröghetsanpassning.

1. Definiera tillämpningen

Tillämpningen är utgångspunkten vid val av harmonisk reducer. Den påverkar direkt den säkerhetsfaktor, noggrannhetsnivå, smörjning, miljöskydd och livslängd som krävs.

Leder i humanoida robotar och kollaborativa robotar

Dessa tillämpningar kännetecknas vanligtvis av frekventa start och stopp, fram- och återgående rörelser, drift vid låga hastigheter och höga dynamiska prestandakrav. De kräver ofta litet glapp, låg vikt och integrerade stödlager.

En relativt hög säkerhetsfaktor, vanligtvis mellan 1.5 och 2.0, rekommenderas ofta. Viktiga aspekter är utmattningslivslängd, mikrovibrationer och stabilitet hos glappet på lång sikt.

Roterande bord för hantering och inspektion av halvledarwafers

Dessa tillämpningar kräver hög positioneringsnoggrannhet, låg partikelbildning, rena driftsmiljöer och jämna rörelser vid låg hastighet.

Prioritera litet glapp, små variationer i vridmomentet och smörjmedel som är kompatibla med vakuum eller renrum.

Servodrivna indexeringsbord och fixturer med roterande rörelse

Dessa tillämpningar arbetar vanligtvis intermittent och kan utsättas för stötbelastningar. Därför bör toppmoment och stötmoment kontrolleras noggrant.

Gimbaler och elektrooptiska nyttolaster

Dessa system arbetar vanligtvis vid låga hastigheter och påverkas i hög grad av lastens tröghet. Förlorad rörelse och friktionsmoment är särskilt viktiga urvalsfaktorer.

2. Välj lämpligt utväxlingsförhållande

Vanliga utväxlingsförhållanden för harmoniska reducerar är 50:1, 80:1, 100:1, 120:1 och 160:1. Vissa modeller finns även med förhållanden som 30:1 eller 200:1.

Till skillnad från vissa andra växelsystem kan utväxlingsförhållandet för en harmonisk reducer inte väljas godtyckligt, eftersom det begränsas av tandprofilen och konstruktionen.

I en konventionell harmonisk drivkonstruktion, där våggeneratorn är ingången, kan utväxlingsförhållandet uttryckas så här:

Utväxlingsförhållande = antal tänder på flexsplinen ÷ (antal tänder på den cirkulära splinen − antal tänder på flexsplinen)

Utgå från utgående hastighet och motorhastighet

Den önskade utgående hastigheten och motorns nominella hastighet bör användas för att fastställa ett första utväxlingsförhållande.

Ta hänsyn till tröghetsanpassning

Lasttrögheten som reflekteras till motoraxeln minskar när utväxlingsförhållandet ökar. Ett högre utväxlingsförhållande kan därför göra det enklare att anpassa trögheten till motorn.

Vid samma utgående vridmoment minskar ett högre utväxlingsförhållande också det nödvändiga ingående vridmomentet. Dessutom reduceras det vinkelmässiga felet som reflekteras till motorsidan i förhållande till utväxlingsförhållandet.

Ett högre utväxlingsförhållande har dock även nackdelar. Det kan minska den maximala tillgängliga utgående hastigheten och påverka systemets dynamiska respons.

Kontrollera den maximala ingångshastigheten

Harmoniska reducerar har en maximal tillåten ingångshastighet på grund av begränsningar hos våggeneratorn och det flexibla lagret.

Vissa modeller med högre utväxlingsförhållande kan ha lägre tillåtna maximala ingångshastigheter. Därför bör motorhastigheten inte bedömas separat.

Välj inte bara det största möjliga utväxlingsförhållandet. Om tillämpningen kräver hög utgående hastighet kan motorn överskrida den harmoniska reducerns maximalt tillåtna ingångshastighet.

3. Kontrollera ingångshastigheten

Ingångshastigheten avser våggeneratorns rotationshastighet, det vill säga hastigheten på motorsidan. Det är inte reducerns utgående hastighet.

Produktkataloger anger vanligtvis två viktiga värden:

Nominell kontinuerlig ingångshastighet: Den rekommenderade hastigheten för långvarig kontinuerlig drift, samtidigt som angiven livslängd och temperaturgränser upprätthålls.

Maximal momentan ingångshastighet: Den högsta hastigheten som tillåts under korta perioder. Den bör inte användas vid kontinuerlig drift.

Ta hänsyn till temperaturökningen

Kontinuerlig drift vid hög hastighet kan påskynda åldrandet hos det flexibla lagret och smörjmedlet. För hög temperaturökning kan avsevärt förkorta den harmoniska reducerns livslängd.

Använd inte topphastigheten vid kontinuerlig drift

Detta är särskilt viktigt i tillämpningar med fram- och återgående rörelser, där upprepad acceleration och retardation kan alstra betydande värme.

Kontrollera smörjningens inverkan

Olika smörjmetoder har olika hastighetsgränser. Fettsmörjning har i allmänhet en lägre hastighetsgräns än oljesmörjning, medan specialsmörjmedel för renrum eller vakuummiljöer kan ha ännu striktare begränsningar.

Kontrollera motorhastigheten mot reducerns gränsvärde

Maximal motorhastighet ≤ den harmoniska reducerns maximalt tillåtna ingångshastighet.

4. Förstå vridmomentskraven

Kontinuerligt vridmoment, toppmoment och stötmoment är i grunden olika parametrar och får aldrig förväxlas. Detta är ett av de vanligaste misstagen vid val av harmonisk reducer.

Kontinuerligt utgående vridmoment (Tc)

Kontinuerligt utgående vridmoment är det vridmoment som reducern kontinuerligt kan överföra under angivna förhållanden, till exempel nominell ingångshastighet och standardiserad omgivningstemperatur, samtidigt som kraven på nominell livslängd uppfylls.

Det används främst för att kontrollera stationära laster, inklusive kontinuerlig rotation och långvarigt lastmoment.

Det faktiska stationära driftmomentet bör vara lägre än det kontinuerliga utgående vridmomentet, med en lämplig säkerhetsmarginal.

Observera att katalogvärdet för Tc vanligtvis anges under standardiserade testförhållanden. Höga temperaturer, fram- och återgående rörelser och renrumsmiljöer kan kräva nedklassning av vridmomentet.

En typisk nedklassningsfaktor kan ligga mellan 0.7 och 0.9, beroende på driftsförhållandena.

Toppmoment (Tp)

Toppmoment är det maximala utgående vridmoment som tillåts under en kort period, vanligtvis vid acceleration eller retardation.

Den tillåtna varaktigheten kan variera mellan tillverkare och produktserier. Toppmoment bör användas för att utvärdera dynamiska driftförhållanden, inte kontinuerlig drift.

Stötmoment

Stötmoment avser ett plötsligt vridmoment av kort varaktighet som uppstår vid exempelvis nödstopp, kollisioner eller snabba lastförändringar.

En harmonisk reducer bör inte väljas enbart utifrån sin nominella kontinuerliga vridmomentkapacitet. I tillämpningar med hög dynamik måste även den maximala stötbelastningen utvärderas för att undvika skador på flexsplinen, kuggarna eller de interna lagren.

5. Kontrollera radiell last, axiell last och vältmoment

Detta är en av de viktigaste aspekterna vid val av harmonisk reducer.

De flesta harmoniska standardreducerar är inte konstruerade för att direkt tåla stora radiella eller axiella laster eller vältmoment.

Den interna flexsplinen och det flexibla lagret är i första hand konstruerade för att överföra vridmoment och bör inte betraktas som det huvudsakliga lastbärande lagersystemet.

Endast harmoniska reducerar med integrerade stödlager, till exempel korsrullager som används i vissa konstruktioner av ställdon eller robotleder, har vanligtvis angivna värden för tillåten radiell last, axiell last och vältmoment.

Radiell last (Fr)

En kraft som verkar vinkelrätt mot utgående axelns axel.

Axiell last (Fa)

En tryck- eller dragkraft som verkar längs utgående axelns axel.

Vältmoment (M)

Ett vältmoment uppstår när lastens tyngdpunkt är förskjuten från utgående axel.

Detta är särskilt vanligt i robotarmar som bär en excentrisk ändlast.

Vid val av harmonisk reducer för dessa tillämpningar måste tillåtna laster och moment noggrant kontrolleras mot tillverkarens specifikationer.

6. Utvärdera noggrannhetskraven

Glapp och förlorad rörelse förväxlas ofta, men de är inte samma sak. Båda bör beaktas vid val av harmonisk reducer för positioneringstillämpningar.

Vad är glapp?

Glapp, även kallat vinkelspel, är den utgående rotation som uppstår när rörelseriktningen ändras medan ingången hålls stilla.

Harmoniska reducerar är kända för sitt extremt lilla glapp. Typiska specifikationer kan vara ≤1 bågminut eller ≤0.5 bågminut, medan modeller med högre precision kan nå värden under 0.3 bågminut.

Harmoniska reducerar är dock inte helt glappfria system.

Det lilla glappet uppnås genom elastisk deformation och förspänning. Efter lång tids drift eller överbelastning kan glappet gradvis öka till följd av utmattning och slitage.

Vad är förlorad rörelse?

Förlorad rörelse omfattar inte bara mekaniskt glapp utan också vinkeldeformation som orsakas av transmissionskomponenternas elastiska flexibilitet.

När ett utgående vridmoment appliceras kan flexsplinen och andra elastiska komponenter deformeras, vilket skapar en vinkelmässig fördröjning mellan ingången och utgången.

Så väljer du rätt noggrannhetsnivå

För allmän kraftöverföring och transport med konstant hastighet räcker vanligtvis standardnoggrannhet.

För visionsbaserad inriktning, elektrooptiska rundbord och positionering av halvledare bör en klass med liten förlorad rörelse prioriteras.

En viktig egenskap hos harmoniska reducerar är att den förlorade rörelsen varierar med det utgående vridmomentet. Högre vridmoment kan ge större elastisk deformation och därmed större förlorad rörelse.

Detta är en inneboende egenskap hos harmoniska drivsystem och skiljer sig avsevärt från konventionella planetväxlar.

7. Kontrollera motorns fläns- och axelmått

Ingångssidan på en harmonisk reducer ansluts till våggeneratorn. En typisk våggenerator består av ett flexibelt lager och en elliptisk kam, som måste anslutas korrekt till motoraxeln.

Vanliga anslutningsmetoder

Vanliga anslutningsmetoder är stoppskruvar, kilförband och klämförband.

Klämförband kan ge en glappfri anslutning och föredras ofta i precisionskrävande tillämpningar och robotleder.

Checklista för val av motorgränssnitt

Följande parametrar bör kontrolleras:

• Motorflänsens hålbild

• Centreringsdiameter

• Kompatibilitet med den harmoniska reducerns ingångsfläns

• Motoraxelns diameter

• Axeländens längd

• Kilspårsmått

• Motoraxelns toleranser

Om motorflänsen inte passar till reducern kan en adapterfläns behövas.

Undvik dålig koaxialitet

Motoraxelns toleranser är också viktiga. För stora toleranser eller dålig koaxialitet kan leda till att våggeneratorn hamnar snett, vilket ger ökade vibrationer, slitage och transmissionsfel.

Dålig koaxialitet mellan en adapterfläns, motoraxeln och våggeneratorn kan leda till förtida haveri hos det flexibla lagret.

Skicka motorns ritning till tillverkaren

God teknisk praxis är att skicka motorns ritning till tillverkaren av den harmoniska reducern, så att våggeneratorns anslutning, kammåtten och eventuella nödvändiga adapterkomponenter kan kontrolleras på rätt sätt.

8. Ta hänsyn till installationsutrymmet

Installationsutrymmet är ytterligare en viktig faktor vid val av harmonisk reducer. Tillgänglig ytterdiameter och axiell längd kan direkt begränsa vilka modeller som kan användas.

Harmoniska reducerar delas vanligtvis in i standardiserade storleksserier, till exempel storlek 14, 17, 20, 25 och 32.

Kontrollera ytterdiametern

Den tillgängliga ytterdiametern avgör den största reducerstorlek som kan installeras.

I många konstruktioner av robotleder är ledens diameter strikt begränsad. Använd därför den tillgängliga ytterdiametern först för att begränsa urvalet av möjliga reducerserier.

Kontrollera den axiella längden

Olika konstruktioner av harmoniska reducerar kan ha avsevärt olika axiella mått, även när deras ytterdiametrar är likartade.

Kopp-, hatt- och ihålig axelkonstruktion ger olika utrymmeslösningar.

Gör avvägningar mellan storlek och vridmomentkapacitet

En mindre reducer kan behövas när installationsutrymmet är begränsat, men mindre storlekar har också lägre vridmomentkapacitet.

I vissa fall blir det tillgängliga installationsutrymmet den begränsande faktorn, vilket gör att konstruktören måste minska lasten eller överväga en alternativ transmissionslösning.

9. Ta hänsyn till drifttemperatur och miljöförhållanden

Drifttemperatur och miljöförhållanden påverkar direkt smörjningens prestanda, livslängden och den långsiktiga tillförlitligheten.

Drifttemperatur

För konventionella fettsmorda harmoniska reducerar beror det tillåtna temperaturområdet på produkten och smörjmedlets specifikation.

Vid höga temperaturer kan smörjfettet mjukna, migrera eller brytas ned snabbare.

Vid låga temperaturer ökar fettets viskositet, vilket kan öka startfriktionsmomentet avsevärt.

Specialsmörjmedel för höga eller låga temperaturer kan behövas i extrema miljöer.

Allmänna industrimiljöer

Grundläggande dammskydd kan räcka för vanliga industriella tillämpningar.

Renrum och halvledartillämpningar

Smörjmedel med låg partikelbildning och silikonfritt fett kan behövas.

Vakuumtillämpningar

Särskilda vakuumkompatibla smörjmedel eller torrsmörjning kan behövas. Krav på låg gasavgivning bör också beaktas.

Fuktiga eller korrosiva miljöer

Ytskydd, tätningskonstruktioner och korrosionsbeständighet bör beaktas för att förhindra rost och skador på komponenter som flexsplinen.

Dammiga miljöer

Ytterligare tätning kan behövas för att hindra partiklar från att tränga in i kuggingreppet och påskynda slitaget.

Kontrollera kraven på smörjning och underhåll

Smörjning är en av de viktigaste faktorerna som påverkar den harmoniska reducerns livslängd.

Under urvalsprocessen är det viktigt att kontrollera om reducern är försmord från fabrik eller om användaren behöver smörja den. Det rekommenderade underhållsintervallet bör också verifieras.

I allmänhet är harmoniska reducerar precisionskomponenter som inte är avsedda för frekvent demontering och underhåll.

Kort svar: Så väljer du en harmonisk reducer

För att välja rätt harmonisk reducer börjar du med att definiera tillämpningen och lastförhållandena. Utvärdera sedan utväxlingsförhållandet, ingångshastigheten, kontinuerligt vridmoment och toppmoment, externa laster, noggrannhetskrav, motorgränssnitt, installationsutrymme och driftsmiljö.

Det viktigaste är att utvärdera de fullständiga driftsförhållandena i stället för att välja en harmonisk reducer enbart utifrån det nominella vridmomentet.

Avslutande tankar

Att välja rätt harmonisk reducer handlar inte bara om att jämföra vridmomentvärden.

En tillförlitlig urvalsprocess bör börja med tillämpningen och lastdynamiken, följt av en systematisk utvärdering av de nio viktiga faktorer som diskuteras i den här artikeln.

För högpresterande tillämpningar som robotleder, halvledarutrustning, precisionspositioneringssystem och servorundbord kan en enda förbisedd faktor påverka positioneringsprestanda, livslängd och systemets totala tillförlitlighet.

Den bästa harmoniska reducern är inte nödvändigtvis den som har högst nominellt vridmoment eller störst utväxlingsförhållande. Det är den som passar systemets faktiska driftsförhållanden.