RV-reduktionsväxel för svetslägesställare: Val och vridmomentberäkning för krävande svetsapplikationer

Introduktion

En svetslägesställare är en viktig rörelsekomponent i automatiserade svetsystem. Genom att rotera och ompositionera ett arbetsstycke gör den det möjligt för svetsroboten eller operatören att bibehålla en lämplig svetsvinkel under hela processen. För svetslägesställare för tung drift måste rotationsdriften dock hantera mycket mer än enkel varvtalsreduktion. Den måste ge tillräckligt utgående vridmoment, hög vridstyvhet, stabil rotation vid låg hastighet, exakt positionering och tillförlitlig prestanda vid frekvent acceleration, retardation och reversering.

Därför anses enRV-reduktionsväxelallmänt vara en lämplig transmissionslösning för medelstora och tunga svetslägesställare. Jämfört med konventionella växelreducerare kan enRV-växelreducerarege hög vridmomentdensitet, hög styvhet, lågt glapp och hög motståndskraft mot stötbelastningar i ett relativt kompakt utförande.

Den här artikeln förklarar hur man väljer en RV-reduktionsväxel och servomotor för en svetslägesställare genom att beakta arbetsstyckets massa, rotationsradie, utgående hastighet, belastningsmoment, tröghetsmoment, acceleration och positioneringskrav.

Varför använda en RV-reduktionsväxel för en svetslägesställare?

En svetslägesställare arbetar vanligtvis med relativt låg utgående hastighet samtidigt som den kräver högt vridmoment vid rotationsaxeln. Arbetsstycket kan samtidigt väga hundratals eller till och med tusentals kilogram.

Drivsystemet måste därför omvandla en servomotors höghastiga utgång med relativt lågt vridmoment till kontrollerad rotationsrörelse med högt vridmoment.

En RV-reduktionsväxel är särskilt lämplig för denna tillämpning eftersom den kombinerar flera egenskaper som är viktiga för svetslägesställare:

• Höga utväxlingsförhållanden

• Högt utgående vridmoment

• Hög vridstyvhet

• Lågt glapp

• Hög vridmomentdensitet

• God motståndskraft mot stötbelastningar

• Stabil drift vid rotation med låg hastighet

• Kompatibilitet med servomotorbaserade positioneringssystem

Den korrekta RV-växellådan bör dock inte väljas enbart utifrån arbetsstyckets vikt. Den faktiska beräkningen bör ta hänsyn till svetslägesställarens kompletta mekaniska profil och rörelseprofil.

Typiska konstruktionsparametrar för en svetslägesställare

Betrakta en svetslägesställare med huvudstock och dubbdocka med följande preliminära specifikationer:

Syftet med denna beräkning är att fastställa det ungefärliga utväxlingsförhållandet, motorvridmomentet och RV-reduktionsväxelns erforderliga vridmomentkapacitet för rotationsaxeln.

I en verklig maskin bör värdena ersättas med arbetsstyckets verkliga geometri, tyngdpunktsposition, fixturmassa, tröghetsmoment, accelerationstid och driftcykel.

Val av RV-reduktionsväxel och vridmomentberäkning

Steg 1: Beräkna erforderlig utgående hastighet

Den maximala rotationshastigheten anges som:

70°/s

Omvandling av vinkelhastighet till varv per minut:

nL = 70 / 360 × 60

Därför:

nL ≈ 11.67 rpm

Svetslägesställaren kräver därför en utgående hastighet på cirka 11.7 rpm vid maximal driftshastighet.

Denna låga utgående hastighet är en av de främsta anledningarna till att en reducerare med högt utväxlingsförhållande krävs mellan servomotorn och rotationsaxeln.

Steg 2: Bestäm RV-reduktionsväxelns utväxlingsförhållande

Med antagandet om en servomotor med ett märkt varvtal på 3000 rpm:

i = nM / nL

Genom att sätta in värdena:

i = 3000 / 11.67 ≈ 257

Därför är ett utväxlingsförhållande i intervallet cirka 250:1 lämpligt ur ett hastighetsanpassningsperspektiv.

Till exempel, med ett utväxlingsförhållande på 250:1:

nL = 3000 / 250 = 12 rpm

Motsvarande rotationshastighet är:

12 × 360 / 60 = 72°/s

Den resulterande maximala utgående hastigheten är cirka 72°/s, vilket något överstiger de erforderliga 70°/s.

Det faktiska utväxlingsförhållandet bör slutligen väljas utifrån tillgängliga utväxlingsförhållanden för RV-reduktionsväxeln, servomotorns varvtalsområde och den erforderliga rörelseprofilen.

Steg 3: Beräkna arbetsstyckets tröghetsmoment

Arbetsstyckets rotationsinerti har en betydande inverkan på det dynamiska vridmoment som krävs av svetslägesställaren.

För en inledande teknisk uppskattning kan lasten förenklas som en ekvivalent massa placerad vid en given rotationsradie:

JL = m × R²

För ett arbetsstycke på 500 kg med en ekvivalent radie på 0.6 m:

JL = 500 × 0.6²

Därför:

JL = 180 kg·m²

Detta är endast en preliminär approximation. I en verklig svetslägesställare bör det totala rotationsinertimomentet även omfatta fixturen, chucken, monteringsplattan, kopplingen, utgående axeln och andra roterande komponenter.

För stora eller oregelbundna arbetsstycken ger beräkning av faktisk tyngdpunkt och tröghetsmoment ett betydligt mer tillförlitligt resultat.

Steg 4: Beräkna tyngdkraftsbelastningens vridmoment

Om arbetsstyckets tyngdpunkt är förskjuten från rotationsaxeln skapar tyngdkraften ett statiskt belastningsmoment.

Det grundläggande sambandet är:

TL = m × g × e

där m är arbetsstyckets massa, g är gravitationsaccelerationen och e är det vinkelräta avståndet mellan tyngdpunkten och rotationsaxeln.

Om den effektiva förskjutningen antas vara 600 mm:

TL = 500 × 9.81 × 0.6

Därför:

TL ≈ 2943 N·m

Detta värde representerar tyngdkraftsmomentet under det antagna excentriska belastningstillståndet.

Det är viktigt att skilja mellan arbetsstyckets fysiska radie och tyngdpunktens förskjutning. Om arbetsstyckets tyngdpunkt ligger nära rotationsaxeln blir det faktiska tyngdkraftsmomentet avsevärt lägre än i detta konservativa exempel.

Denna skillnad är viktig vid val av en RV-reduktionsväxel för en verklig svetslägesställare.

Steg 5: Beakta accelerations- och retardationsmoment

Statiskt vridmoment är endast en del av beräkningen.

Under acceleration och retardation måste rotationssystemet även övervinna arbetsstyckets tröghetsmoment.

Tröghetsmomentet kan uppskattas med:

TJ = JL × α

där JL är det totala rotationsinertimomentet och α är vinkelaccelerationen på arbetsstyckssidan.

Detta innebär att två svetslägesställare som bär samma arbetsstycke på 500 kg kan kräva helt olika RV-reduktionsväxlar om deras accelerationstider skiljer sig åt.

Exempelvis kan en lägesställare konstruerad för långsam och jämn rotation ha relativt lågt dynamiskt vridmoment, medan en höghastighetslägesställare med snabb acceleration och inbromsning kan generera avsevärt högre toppmoment.

Därför bör accelerations- och retardationsprofilen alltid inkluderas i det slutliga valet av RV-växellåda.

Steg 6: Beräkna erforderligt servomotorvridmoment

RV-reduktionsväxelns utgående vridmoment kan approximeras med:

Tout = TM × i × η

Därför är det erforderliga motorvridmomentet:

TM = Tout / (i × η)

Med antagandet:

TL = 2943 N·m

i = 250

η = 0.85

Vridmomentet på motorsidan blir:

TM = 2943 / (250 × 0.85)

TM ≈ 13.85 N·m

Om en preliminär säkerhetsfaktor på 2.0 tillämpas:

TM,rated = 13.85 × 2

TM,rated ≈ 27.7 N·m

Servomotorn bör därför ha ett märkt vridmoment på cirka 28 N·m eller högre under detta antagna belastningstillstånd.

En typisk servomotor på 11 kW som arbetar vid 3000 rpm ger ungefär:

T = 9550 × P / n

T = 9550 × 11 / 3000

T ≈ 35 N·m

Utifrån denna preliminära beräkning kan en servomotor på 11 kW och 3000 rpm ge tillräckligt märkt vridmoment för det antagna tillståndet.

Det slutliga motorvalet bör dock även verifiera toppmoment, överbelastningskapacitet, termisk kapacitet, givarupplösning och hela driftcykeln.

Steg 7: Välj RV-reduktionsväxel efter utgående vridmoment

RV-reduktionsväxeln måste kunna överföra det erforderliga belastningsmomentet kontinuerligt och samtidigt hantera transienta moment under acceleration, retardation, nödstopp och reversering.

Med användning av en preliminär säkerhetsfaktor på 2.0:

Tcontinuous ≥ 2943 × 2

Tcontinuous ≥ 5886 N·m

För en konservativ kontroll av toppbelastning med tre gånger det statiska belastningsmomentet:

Tpeak ≥ 2943 × 3

Tpeak ≥ 8829 N·m

Därför, för detta antagna tillstånd med excentrisk belastning, skulle en RV-reduktionsväxel med ungefär:

Märkt utgående vridmoment ≥ 6000 N·m

och:

Toppmomentkapacitet ≥ 9000 N·m

vara en rimlig utgångspunkt för vidare modellval.

Den faktiska reduceraren bör väljas enligt tillverkarens märkta vridmoment, tillåtna toppmoment, driftfaktor, ingående varvtal, livslängdsklassning och driftcykel.

Varför är toppmoment viktigt i svetslägesställare?

En svetslägesställare arbetar sällan med konstant hastighet.

En typisk rörelsecykel kan omfatta:

Acceleration → rotation med konstant hastighet → retardation → stopp → omvänd rotation

Under dessa övergångar kan arbetsstyckets tröghetsmoment bli betydande.

Nödstopp kan skapa ännu högre transienta belastningar.

Av denna anledning kan val av en RV-reduktionsväxel enbart efter dess kontinuerliga märkta vridmoment leda till ett underdimensionerat transmissionssystem.

Följande parametrar bör kontrolleras tillsammans:

• Kontinuerligt utgående vridmoment

• Maximalt utgående vridmoment

• Ingående varvtal

• Utgående hastighet

• Lasttröghetsmoment

• Acceleration och retardation

• Driftcykel

• Radiella och axiella belastningar

• Glapp och vridstyvhet

Detta tillvägagångssätt ger en betydligt mer tillförlitlig grund för val av RV-reduktionsväxel.

Glapp i RV-reduktionsväxeln och positioneringsnoggrannhet

Positioneringsnoggrannhet är en annan viktig faktor för automatiserade svetslägesställare.

Den mekaniska transmissionskedjan består normalt av:

Servomotor → RV-reduktionsväxel → utgående axel → fixtur → arbetsstycke

Alla mekaniska fel i denna kedja kan påverka arbetsstyckets slutliga position.

Glapp är särskilt viktigt eftersom en ändring av rotationsriktningen kan introducera ett vinkelfel mellan in- och utgående sida.

Till exempel, med antagandet om ett vinkelfel på 1 bågminut:

θ = 1 / 60 × π / 180

θ ≈ 0.000291 rad

Vid en rotationsradie på 600 mm:

ΔL = θ × R

ΔL ≈ 0.000291 × 600

ΔL ≈ 0.175 mm

Detta exempel visar att när tillämpningen kräver ungefär 0.1 mm linjär repeterbarhet vid arbetsstyckets radie, kan enbart reducerarens glapp bli en viktig faktor.

Systemets positioneringsnoggrannhet kan dock inte fastställas enbart utifrån reducerarens glapp.

Den beror också på:

• Servogivarens upplösning

• Servostyrningens prestanda

• RV-reduktionsväxelns transmissionsnoggrannhet

• Vridningsdeformation

• Den utgående axelns styvhet

• Fixturens styvhet

• Monteringsnoggrannhet

• Arbetsstyckets deformation

Därför garanterar en högupplöst givare inte automatiskt hög mekanisk positioneringsnoggrannhet.

Hur förbättrar man positioneringsprestandan hos en svetslägesställare?

Använd en RV-reduktionsväxel med lågt glapp och hög styvhet

En reducerare med lågt glapp och hög vridstyvhet bidrar till att minska vinkelrörelser som orsakas av belastningsförändringar och reverserande rörelser.

Använd en högupplöst absolutgivare

En absolutgivare ger exakt återkoppling till servosystemet och kan minska osäkerheten i positioneringen.

För tillämpningar som kräver bibehållen position efter strömavbrott kan även en fler-varvs absolutgivare övervägas.

Öka den strukturella styvheten på utgående sida

Inte ens en högpresterande RV-reduktionsväxel kan kompensera för överdriven deformation i den utgående axeln, monteringsplattan, fixturen eller maskinstativet.

Den mekaniska konstruktionen bör därför utformas med tillräcklig styvhet för den faktiska arbetsstycksbelastningen.

Överväg positionsåterkoppling på utgående sida

För högprecisionssvetslägesställare kan direkt positionsåterkoppling vid utgående axel ge mer exakt information om arbetsstyckets faktiska position än att enbart förlita sig på givaren på motorsidan.

Svetslägesställare med enkel drift jämfört med dubbel drift

Svetslägesställare med huvudstock och dubbdocka kan använda antingen en enkel rotationsdrift eller en konfiguration med dubbel drift.

Svetslägesställare med enkel drift

I en konstruktion med enkel drift ger ett drivsystem det primära rotationsmomentet. RV-reduktionsväxeln, den utgående axeln, lagerarrangemanget och maskinstativet måste därför konstrueras för att hantera hela belastningstillståndet.

Svetslägesställare med dubbel drift

En konfiguration med dubbel drift använder servomotorer och reducerare i båda ändarna av arbetsstycket.

Om lasten är jämnt fördelad kan varje drivning teoretiskt hantera ungefär hälften av det totala genomsnittliga vridmomentet.

Den totala lasten kan dock inte helt enkelt delas med två vid den slutliga tekniska konstruktionen.

Skillnader i mekanisk inriktning, servosynkronisering, styvhet, friktion och belastningsfördelning kan orsaka ojämn momentfördelning mellan de två drivsystemen.

Därför kräver en svetslägesställare med dubbel drift både mekanisk synkronisering och samordnad servostyrning.

Viktiga fördelar med RV-reduktionsväxlar för svetslägesställare

Hög vridstyvhet

Hög vridstyvhet bidrar till att bibehålla en stabil arbetsstyckspositionering under svetsning och minskar vinkelavböjning som orsakas av förändrade belastningar.

Hög vridmomentdensitet

En RV-växelreducerare kan leverera högt utgående vridmoment i ett relativt kompakt hus, vilket gör den lämplig för rotationsaxlar för tung drift där installationsutrymmet är begränsat.

Lågt glapp

Lågt glapp bidrar till att förbättra noggrannheten vid reversering och repeterbar positionering, vilket är särskilt viktigt för robotiserade svetsapplikationer.

Hög motståndskraft mot stötbelastningar

Stora arbetsstycken kan generera betydande transienta belastningar under acceleration, retardation, lastning och nödstopp. En korrekt dimensionerad RV-reduktionsväxel kan ge den mekaniska robusthet som krävs för dessa driftförhållanden.

Lämplig för servostyrd rörelse

RV-reduktionsväxlar kan kombineras med AC-servomotorer och högupplösta givare för att skapa slutna rotationspositioneringssystem för automatiserad svetsutrustning.

Exempel på val av RV-reduktionsväxel för en svetslägesställare på 500 kg

För exemplet som behandlas i denna artikel:

Baserat på dessa preliminära beräkningar kan en RV-reduktionsväxel med ett märkt utgående vridmoment omkring 6000 N·m eller högre och tillräcklig toppmomentkapacitet övervägas för vidare utvärdering.

Den exakta reducerarmodellen bör bekräftas efter kontroll av arbetsstyckets faktiska tyngdpunkt, totala tröghetsmoment, accelerationstid, driftcykel, radiella och axiella belastningar, monteringskonfiguration och erforderlig livslängd.

Vanliga misstag vid val av RV-reduktionsväxel för en svetslägesställare

Att välja reducerare enbart efter arbetsstyckets vikt

Ett arbetsstycke på 500 kg kräver inte automatiskt samma specifikation för RV-växellåda i varje tillämpning.

Tyngdpunktens förskjutning, tröghetsmomentet, accelerationen och fixturens geometri kan avsevärt förändra det erforderliga vridmomentet.

Att ignorera dynamiskt vridmoment

Statiskt tyngdkraftsmoment räcker inte för tillämpningar med snabb acceleration, inbromsning eller reversering.

Tröghetsmomentet bör inkluderas i den slutliga beräkningen.

Att välja enbart efter motoreffekt

En servomotor på 11 kW avgör inte automatiskt vilken RV-reduktionsväxel som är korrekt.

Reduceraren måste anpassas efter ingående varvtal, utgående vridmoment, toppmoment, utväxlingsförhållande, tröghetsmoment, driftcykel och mekanisk belastning.

Att ignorera glapp

En reducerare kan ge tillräckligt vridmoment men ändå inte uppfylla den erforderliga positioneringsprestandan om dess mekaniska noggrannhet och styvhet är otillräckliga för tillämpningen.

Att ignorera fixturen och den roterande strukturen

Arbetsstycket är inte den enda roterande massan. Chuckar, fixturer, monteringsplattor, kopplingar, axlar och andra komponenter bidrar också till det totala rotationsinertimomentet.

Slutsats

Valet av en RV-reduktionsväxelför en svetslägesställare kräver mer än att anpassa reduceraren efter arbetsstyckets vikt. Det kompletta rotationssystemet bör utvärderas utifrån belastningsmoment, tyngdpunktens förskjutning, rotationsinerti, acceleration, maximal hastighet, toppmoment, glapp, vridstyvhet och positioneringskrav.

För exemplet med en svetslägesställare på 500 kg som behandlas i denna artikel motsvarar en maximal rotationshastighet på 70°/s en utgående hastighet på cirka 11.67 rpm. Vid användning av en servomotor på 3000 rpm ger ett utväxlingsförhållande omkring 250:1 en utgående hastighet på cirka 12 rpm.

Vid den antagna tyngdpunktsförskjutningen på 600 mm är det beräknade tyngdkraftsmomentet cirka 2943 N·m. Med en preliminär säkerhetsfaktor når kravet på kontinuerligt utgående vridmoment cirka 5886 N·m, medan en konservativ kontroll av toppbelastning ger cirka 8829 N·m.

Detta ger en användbar utgångspunkt för att välja en RV-växelreducerare med högt vridmoment och hög styvhet för svetslägesställare för tung drift.

För verklig maskinkonstruktion bör dessa beräkningar dock förfinas med hjälp av arbetsstyckets verkliga tyngdpunkt, kompletta rotationsinerti, accelerations- och bromsprofil, fixturmassa, radiella och axiella belastningar, driftcykel samt de specifika tekniska data för den valda RV-reduktionsväxeln.

En korrekt anpassad RV-reduktionsväxel och servomotor kan ge kombinationen av högt vridmoment, exakt positionering, stabil rotation vid låg hastighet och mekanisk styvhet som krävs för robotiserade svetslägesställare, svetsrotatorer och annan automatiserad rotationsutrustning för tung drift.