Omfattande analys av precisionsväxlar och motorer

Den här artikeln ger den mest omfattande analysen och introduktionen av de fyra huvudkategorierna av precisionsväxlar och förklarar deras framtida utvecklingstrender, särskilt precisionsmotorer.

Klassificering av precisionsväxlar

Precisionsväxlar klassificeras huvudsakligen i harmoniska växlar, planetväxlar, RV-växlar och cykloidala pinnhjulsväxlar.

Harmonisk precisionsväxel

En harmonisk växel är en ny typ av reduktionsmekanism som uppnår kraftöverföring genom elastisk deformation. Den bryter med det traditionella stela mekaniska transmissionssättet och använder flexibla komponenter för att förverkliga mekanisk kraftöverföring. En harmonisk växel består huvudsakligen av tre grundkomponenter: en våggenerator, ett stelt kugghjul med invändig tandprofil (cirkulär spline) och ett flexibelt kugghjul med utvändig tandprofil (flexspline).

Våggeneratorn är en kamkomponent vars två ändar pressar tätt mot flexsplinens innervägg. Flexsplinen är ett tunnväggigt kugghjul som kan genomgå stor elastisk deformation. När våggeneratorn förs in i flexsplinen tvingar den flexsplinens tvärsnitt att ändras från cirkulär form till elliptisk form. Vid storaxelns två ändar griper flexsplinens tänder helt in i den cirkulära splinens tänder, medan tänderna nära lillaxelns två ändar är helt ur ingrepp med den cirkulära splinen.

Harmoniska växlar kännetecknas av stora utväxlingsförhållanden, kompakta konturer, ett litet antal komponenter och hög transmissionseffektivitet. De installeras vanligtvis i robotars underarm, handled eller hand.

Harmoniska växlar uppnår hastighetsreduktion och vridmomentsförstärkning genom differentiell tandrörelse. Den typiska arbetsprincipen använder en konfiguration där våggeneratorn är ingången, den cirkulära splinen är fixerad och flexsplinen är utgången. Den elliptiska våggeneratorn är ansluten till motoraxeln och installerad inuti den cirkulära flexsplinen, vilket tvingar fram elastisk deformation. Vid storaxeln griper flexsplinens tänder helt in i den cirkulära splinens tänder, medan de vid lillaxeln är helt ur ingrepp, och de återstående områdena befinner sig i övergångsingrepp. När våggeneratorn roterar kontinuerligt deformeras flexsplinen upprepade gånger och skapar differentiell tandrörelse. Ingreppstillståndet förändras kontinuerligt genom ingrepp, fullständig ingreppning, urkoppling och återingrepp, vilket får flexsplinen att rotera långsamt relativt den cirkulära splinen i motsatt riktning mot våggeneratorn och därmed överföra rörelse.

Planetär precisionsväxel

En planetär precisionsväxel består huvudsakligen av ett solhjul, planethjul, en planetbärare och ett ringhjul. Dess reduktionsprincip bygger på kugghjulstransmission. Under drift driver en servomotor eller annan drivkälla solhjulet att rotera. Ingreppet mellan solhjulet och planethjulen får planethjulen att rotera runt sina egna axlar. Samtidigt griper planethjulen in i det invändiga ringhjulet som är fixerat vid huset, vilket får dem att rulla längs ringhjulet medan de roterar och bildar en ”revolutionsrörelse” runt solhjulet.

Planethjulen överför rörelsen till planetbäraren, som är ansluten till utgående axel och levererar utgående vridmoment. Vanligtvis arbetar flera planethjul samtidigt, delar belastningen och driver tillsammans utgången.

Planetära precisionsväxlar finns huvudsakligen i enstegs- och flerstegsstrukturer. Flerstegs planetväxlar lägger till flera steg baserat på en enstegskonstruktion, där varje steg består av ett solhjul, planethjul och ett ringhjul och bildar en kaskadstruktur för att ytterligare minska utgående hastighet och öka vridmomentet. Även om flera planethjul fördelar belastningen och förbättrar belastningskapaciteten, minskar varje extra kuggingrepp transmissionseffektiviteten. För att bibehålla kompakt konstruktion delar flerstegs planetväxlar vanligtvis ett gemensamt ringhjul, som också fungerar som hus.

Precision RV-växel

En RV-växel är ett tvåstegs reduktionssystem som består av en förstastegs planetväxelreducerare och en andrastags cykloidal pinnhjulsväxelreducerare.

Förstastegsreduktion: Solhjulet är anslutet till motorn, och motorn driver solhjulet att rotera. Solhjulet driver planethjulen, som är anslutna till en vevaxel vars främre och bakre ändar är anslutna till planethjulen och RV-kugghjulen (cykloidskivorna). När planethjulen roterar, roterar vevaxeln med samma hastighet. På grund av planethjulens högre tandantal är deras rotationshastighet lägre än ingångskugghjulets, vilket uppnår förstastegsreduktion.

Andrastagsreduktion: Ingångsaxeln är vevaxeln från första steget. Två cykloidskivor (RV-kugghjul) är monterade på den excentriska delen av vevaxeln via nållager. Antalet pinnar i husets pinnring är en större än antalet tänder på cykloidskivorna. När vevaxeln roterar ett varv fullbordar cykloidskivorna en excentrisk rörelsecykel och roterar en tand i motsatt riktning mot vevaxeln, vilket uppnår ytterligare reduktion.

Cykloidal pinnhjulsväxel

Den cykloidala pinnhjulsväxeln använder precisions-cykloidal transmissionsteknik, som först föreslogs av den tyske ingenjören Lorenz Braren 1926. Det är en planettransmission med liten tandskillnad som använder en epitrokoid tandprofil. Eftersom dess nyckelkomponenter är cykloidskivor och pinnhjul kallas den en cykloidal pinnhjulsväxel och är en typ av RV-växel.

Specifikt avser ”cykloidal” den faktiska profilen hos cykloidskivan, som är en ekvidistant kurva till en kort epitrokoid. Enligt den invändiga rullningsmetoden rullar en rullcirkel utan glidning inuti en fast grundcirkel och skapar en cykloidal bana. En punkt fixerad vid rullcirkeln spårar en kort epitrokoid under rullningen. Genom att rita cirklar med lika radie centrerade på punkter längs denna bana bildar dessa cirklars envelopp den faktiska tandprofilen hos cykloidskivan.

Egenskaper och användningsscenarier för olika växlar

RV-växlar kännetecknas av hög precision, stora utväxlingsförhållanden, hög styvhet, stark överbelastningskapacitet, lång livslängd och hög utmattningshållfasthet, med låg vibration, lågt buller och låg energiförbrukning. De används ofta i robotleder med stora vridmomentskrav, såsom ben-, midje- och armbågsleder, samt i tungt belastade industrirobotar. Den första, andra och tredje axeln använder vanligtvis RV-växlar. Tack vare sitt breda utväxlingsområde, stabila precision, höga utmattningshållfasthet samt höga styvhet och vridmomentskapacitet är RV-växlar särskilt fördelaktiga i tungt belastade positioner såsom robotarmar och baser.

Harmoniska växlar kännetecknas av stora och flexibla utväxlingsförhållanden, hög precision, kompakt storlek, låg vikt, jämn transmission, lågt buller och förmågan att överföra rörelse i slutna utrymmen. Jämfört med konventionella växlar uppnår harmoniska växlar samma utgående vridmoment med mindre storlek och lägre vikt, vilket ger dem fördelar i robotars underarmar, handleder och händer. Deras rörelsenoggrannhet minskar dock med tiden, så de används generellt i lätt belastade industrirobotar eller i terminalaxlarna på stora robotar, samt inom flyg- och rymdteknik, precisionsbearbetning och medicinsk utrustning.

Planetväxlar används i stor utsträckning i servo-, steg- och DC-drivsystem tack vare sin kompakta storlek och långa livslängd. Enstegs planetväxlar har dock begränsade utväxlingsförhållanden, och för att uppnå högt vridmoment krävs flerstegskonfigurationer, vilket ökar storlek och vikt. Tillämpningar omfattar mobila robotar, ny energiutrustning, avancerade verktygsmaskiner och intelligent transport. Teslas Optimus-robot använder planetväxlar i fingerfärdiga händer, medan vissa robottillverkare använder planetväxlar i ben och höftleder.

Cykloidala pinnhjulsväxlar erbjuder hög lastkapacitet, relativt hög transmissionsnoggrannhet, kompakt storlek, låg vikt och jämn transmission tack vare ingrepp med flera tänder. Även om deras struktur är komplex och deras precision är något lägre än hos harmoniska växlar, ger deras höga lastkapacitet dem stor potential för användning i högbelastade leder såsom humanoida robotars midjor och höfter.

Jämförelse av olika precisionsväxlar

Harmonisk växel: arbetsprincipen innebär att våggeneratorns rörelse driver flexsplinens deformation och ingrepp med den cirkulära splinen genom en liten tandskillnad för att uppnå reduktion; strukturen består av våggenerator, flexspline och cirkulär spline; högre enhetspris; lägre vikt; hög transmissionsnoggrannhet; relativt hög verkningsgrad; högt utväxlingsförhållande; lång konstruktionslivslängd; relativt hög vridstyvhet; fördelarna inkluderar högt utväxlingsförhållande, hög precision, kompakt struktur och låg vikt; nackdelarna inkluderar begränsad lastkapacitet och kortare livslängd.

Planetväxel: arbetsprincipen innebär att planethjulen roterar under drivning av solhjulet; enkel struktur bestående av solhjul, planethjul och ringhjul; lägre enhetspris; lägre vikt; genomsnittlig transmissionsnoggrannhet; hög verkningsgrad; måttligt utväxlingsförhållande; lång konstruktionslivslängd; hög vridstyvhet; fördelarna inkluderar enkel struktur och kompakt enstegskonstruktion; nackdelarna inkluderar lägre utväxlingsförhållande och lägre utgående vridmoment.

RV-växel: tvåstegstransmission med planet- och cykloidalsteg; komplex struktur med många komponenter; högt enhetspris; högre vikt; hög transmissionsnoggrannhet; hög verkningsgrad; högt utväxlingsförhållande; lång konstruktionslivslängd; hög vridstyvhet; fördelarna inkluderar stark lastkapacitet, hög vridstyvhet och stabil precision; nackdelarna inkluderar stor storlek och begränsade användningsscenarier.

Cykloidal pinnhjulsväxel: arbetsprincipen innebär att excentrisk rörelse driver cykloidskivor att kretsa runt pinnhjul med hjälp av en liten tandskillnad; strukturen inkluderar cykloidskivor, pinnhjul och excentriska axlar; relativt högt enhetspris; lägre vikt; relativt hög transmissionsnoggrannhet; hög verkningsgrad; högt utväxlingsförhållande; lång konstruktionslivslängd; hög vridstyvhet; fördelarna inkluderar stor lastkapacitet, kompakt storlek, låg vikt och jämn transmission; nackdelarna inkluderar komplex tillverkning och lägre precision jämfört med harmoniska växlar.

Principer, parametrar, fördelar och nackdelar med precisionsväxlar

Viktiga tekniska indikatorer för precisionsväxlar inkluderar vridstyvhet, utväxlingsförhållande, transmissionseffektivitet, transmissionsnoggrannhet, transmissionsfel, startmoment, förlorad rörelse och glapp.

Vridstyvhet avser en komponents förmåga att motstå vriddeformation under vridmoment, eller förhållandet mellan nominellt belastningsmoment och elastisk vinkeldeformation, vilket påverkas av strukturell design, lagringsstödmetod, lagertyp, kugghjulsstyvhet och noggrannhet samt utväxlingsförhållande.

Utväxlingsförhållande är förhållandet mellan ingående hastighet och utgående hastighet; ett större utväxlingsförhållande resulterar i lägre utgående hastighet och högre vridmoment, påverkat av kugghjulens tandantal och antalet reduktionssteg.

Transmissionseffektivitet är förhållandet mellan utgående effekt och ingående effekt och påverkas av utväxlingsförhållande, hastighet, belastningsmoment, temperatur, smörjförhållanden, materialval, transmissionssteg, strukturell design, kugghjulsnoggrannhet, kugghjulspositionering och monteringskvalitet.

Transmissionsnoggrannhet och transmissionsfel beskriver hur nära den faktiska utgående vinkeln matchar den teoretiska vinkeln under enkelriktad rotation av ingången; de påverkas av konstruktion, bearbetning, montering och smörjning.

Startmoment är det vridmoment som krävs för start utan belastning och påverkas av strukturell design, utväxlingsförhållande, friktionskoefficienter och lagerkvalitet.

Förlorad rörelse avser den vinkelfördröjning hos utgående axel när ingående axel byter rotationsriktning och påverkas av design, tillverkningskvalitet, slitage, installation och justering.

Glapp avser den lilla vinkelförskjutningen vid ingången när utgång och hus är fixerade och ±2% nominellt vridmoment appliceras växelvis; det påverkas av kugghjulsnoggrannhet, lagerprecision, oljefilmens tjocklek, verktygsmaskinens noggrannhet, monteringsprecision och driftstemperatur.

Varför precisionsmotorer är framtidens trend

En precisionsmotor är en integrerad modul som kombinerar en precisionsväxel med en motor. Med den snabba utvecklingen inom industriell automation, humanoida robotar, halvledarutrustning och medicintekniska enheter fortsätter efterfrågan på integrerade växel-motorlösningar att växa.

Vad är en harmonisk växelmotor？

En harmonisk växelmotor består av en harmonisk växel, ramlös vridmomentsmotor, broms, encoder och drivenhet. Som en kärnkomponent inom robotindustrin kommer framsteg inom tekniken för harmoniska växelmotorer att fortsätta främja utvecklingen av specialrobotar och humanoida robotar mot större flexibilitet och bredare användningsscenarier. Utöver robotik används robotledmotorer även inom halvledarutrustning, fotovoltaisk utrustning, precisionsmedicinsk utrustning, 3C-utrustning, optisk utrustning och andra områden.

Vad är en planetväxelmotor？

Planetväxelmotorn är en kärnkomponent i robotars drivsystem. Genom en högintegrerad konstruktion som kombinerar en planetväxel, ramlös vridmomentsmotor, broms, encoder och drivenhet uppnår den betydande optimering i volym och vikt samt möjliggör exakt ledstyrning. Detta resulterar i större vridmoment, mindre storlek och lägre vikt. Jämfört med harmoniska växelmotorer har planetväxelmotorer mindre utväxlingsförhållanden, högre utgående hastigheter och högre vridmomentsdensitet, vilket gör dem mer lämpade för applikationer med medelhög till låg belastning. Anpassningstjänster som är skräddarsydda efter specifika kundkrav finns också tillgängliga. Med fördelar som hög hastighetsprestanda, slagtålighet och kompakt lättviktskonstruktion har standardiserade planetära ledmoduler blivit föredragna lösningar för humanoida robotar, specialrobotar, logistik-AGV:er och industriell automation, vilket driver förbättrad robotprestanda och utökade användningsscenarier.

Vad är en fläns-RV-växel?

Den flänsintegrerade RV-växeln är en högprecisions-reduktionsenhet utformad för avancerade maskiner. Dess interna mekanism har en unik tvåstegskombination av cykloidala och planetära kugghjul inneslutna i en tätad enhet. Växeln levereras färdigmonterad med integrerad fläns och försmord med specialfett, vilket möjliggör direkt installation och omedelbar användning med en servomotor utan ytterligare förberedelser.

RV-växlar används ofta i industrirobotar, särskilt i bas- och högbelastade leder (leder 1 till 4) för robotarmar med nyttolaster på 20 kg eller mindre. När nyttolasten överstiger 20 kg är alla sex leder vanligtvis utrustade med RV-växlar. Dessa växlar spelar en avgörande roll för att bibehålla positioneringsnoggrannhet.

Den flänsintegrerade RV-växeln är en specialiserad version som utvecklats genom att integrera en flänstätning i den traditionella RV-växelns konstruktion. Liksom vanliga RV-växlar klassificeras flänsintegrerade modeller i två typer: Flänsintegrerad E-serie med massiv axel och Flänsintegrerad C-serie med ihålig axel.

Precisionsväxlar utvecklas mot samtidiga prestandauppgraderingar och djupare mekatronisk integration. I synnerhet måste harmoniska växlar anta mekatronisk integration genom att kombinera harmoniska växlar med motorer, encoders, bromsar, sensorer och andra komponenter för att tillhandahålla modulära produkter med högt mervärde, vilket möjliggör bättre tillämpningar inom humanoida robotar, halvledarutrustning, optiska system och precisionsmätningsindustrin.