Парадокс точности: почему роботы используют червячные передачи, несмотря на снижение их эффективности.
Любой инженер-механик, оценивающий варианты привода для шарнира робота, столкнется с очевидным противоречием: червячные передачи имеют механический КПД 50–751 ТТ³, в то время как косозубые зубчатые передачи достигают 92–961 ТТ³. В энергоэффективном проектировании автоматизированных систем эта разница выглядит критически важной. Тем не менее, червячные передачи широко используются в промышленной и хирургической робототехнике, манипуляторах коллаборативных роботов, системах SCARA и автоматизированном позиционирующем оборудовании. Причина не в том, что инженеры по автоматизации игнорируют снижение эффективности, а в том, что они решают ряд задач, где червячные передачи обеспечивают три свойства, которые одновременно не может обеспечить ни один другой компактный одноступенчатый тип зубчатой передачи.
Первый из них Поведение самоблокировки. Шарнир робота, самоблокирующийся при отключении привода, не требует тормоза для удержания положения под действием силы тяжести. Это механическая функция безопасности, которая становится критически важной в приложениях с коллаборативными роботами (коботами) в соответствии со стандартом ISO/TS 15066, в хирургических роботах в соответствии с CE MDR и в любых роботизированных приложениях, где манипулятор робота должен удерживать положение после аварийной остановки без использования активного торможения. Механическая самоблокировка является отказоустойчивой; электромеханический тормоз является отказоустойчивым и добавляет механическую сложность.
Второй высокое одноступенчатое соотношение. Сервомотор, работающий со скоростью 3000 об/мин и приводящий в движение шарнир робота, вращающийся со скоростью 15 об/мин, требует передаточного отношения 200:1. Один червячный редуктор покрывает весь этот диапазон. Для достижения того же передаточного отношения потребовалось бы три ступени косозубого редуктора, что утроило бы количество механических компонентов в шарнире робота с ограниченным пространством. Третье свойство заключается в следующем: Компактная компоновка под прямым углом, что решает геометрическое ограничение, заключающееся в передаче крутящего момента двигателя к оси шарнира с боковой стороны — ограничение, которое неоднократно встречается в механическом проектировании роботизированных манипуляторов и позиционеров.
Снижение эффективности в контексте: Для шарнира робота, работающего в среднем 2 часа за 8-часовую смену (рабочий цикл 25%) при механической мощности 500 Вт, дополнительные потери эффективности червячной передачи (35%) по сравнению с косозубым редуктором составляют приблизительно 175 Вт дополнительного тепловыделения во время работы — или около 350 Вт·ч за смену. При тарифах на электроэнергию в Корее (приблизительно 90 вон/кВт·ч) это составляет примерно 32 вон за смену, или 8000 вон в год. По сравнению со стоимостью проектирования и производства более сложного многоступенчатого косозубого шарнира, эти затраты энергии редко оправдывают увеличение сложности для роботизированных применений с низкой и средней нагрузкой.
Повторяемость, точность и люфт — что на самом деле означают указанные в технических характеристиках параметры.
В технических характеристиках роботизированной руки указаны два тесно связанных, но технически различных параметра, которые часто путают при выборе. червячные редукторы для автоматизации. Повторяемость Это способность возвращаться в одно и то же положение из одного и того же направления после нескольких циклов, измеряемая разбросом повторяющихся команд позиционирования. Точность Это способность достигать заданного положения, отличающегося от ранее изученного положения, — на это влияют калибровка, ошибки кинематической модели и ошибки геометрии зубчатой передачи.
Обратная реакция влияет на оба варианта, но по-разному. В первую очередь она влияет на двунаправленный Повторяемость — это разброс значений при приближении к одной и той же точке с разных направлений (по часовой стрелке и против часовой стрелки). Стандартная червячная передача с люфтом 0,05–0,10 мм в делительном цилиндре создает угловую мертвую зону, которая напрямую приводит к двунаправленной ошибке повторяемости. Для червячного колеса с радиусом делительной окружности 60 мм люфт 0,08 мм = 4,6 угловых минут = 0,077° угловой мертвой зоны.
В системах автоматизированного захвата и перемещения, где робот всегда приближается с одного и того же направления (однонаправленное движение), этот люфт не снижает повторяемость. Для сварочных роботов, систем контроля и любых применений, требующих двунаправленной точности, люфт необходимо контролировать — либо путем выбора двухступенчатой червячной передачи с регулируемым люфтом, либо путем реализации программной компенсации люфта в контроллере робота.
| Тип робота/системы | Требование к люфту | Направленный подход | Рекомендации по снаряжению | Типичное соотношение |
|---|---|---|---|---|
| Укладка и перемещение (паллетирование) | < 0,15 мм допустимо | Однонаправленный | Стандартная червячная передача, DIN8 | 20:1 – 80:1 |
| Сварка / сборка SCARA | < 0,05 мм | Двунаправленный | Дуплексный червяк, DIN6–DIN7 | 60:1 – 120:1 |
| Визуальный контроль | < 0,02 мм | Двунаправленный + остановки | Дуплексный червяк DIN5, программное обеспечение. | 80:1 – 200:1 |
| Коллаборативный робот (кобот) | < 0,08 мм | Двунаправленный | Дуплексный червяк, DIN6 | 40:1 – 100:1 |
| Солнечная энергия / слежение за антенной | < 0,10 мм | В основном одностороннее. | Стандартный или дуплексный червь | 80:1 – 300:1 |
| Автоматизированный позиционер для тестирования | < 0,01 мм | Двунаправленный | Дуплексный червячный механизм DIN5 + обратная связь энкодера | 100:1 – 300:1 |
Динамическая нагрузка в автоматизации — моменты ускорения, инерция и рабочий цикл.
Номинальный крутящий момент червячной передачи — это её предельная крутящая способность в установившемся режиме. В робототехнике и автоматизации критически важным параметром является фактический мгновенный крутящий момент во время фаз ускорения и замедления, а не крутящий момент в рабочем режиме. Шарнир робота, несущий полезную нагрузку массой 10 кг с постоянной скоростью, создаёт крутящий момент, необходимый для удержания полезной нагрузки против силы тяжести. Тот же шарнир, разгоняющийся из состояния покоя до полной скорости за 0,2 секунды, создаёт момент ускорения, который может быть в 3–5 раз больше крутящего момента в рабочем режиме.
J_total = полный момент инерции вращения в шарнире (полезная нагрузка + конструкция манипулятора + отраженный момент инерции механизма).
α = угловое ускорение сустава (рад/с²) — определяется профилем скорости контроллера робота.
Пример: полезная нагрузка 5 кг на радиусе 0,5 м, угол 45°, ускорение 300°/с² → T_peak ≈ 17,4 + 22,3 = 39,7 Нм пиковое значение против 11,8 Нм крутящего момента при движении под действием силы тяжести — динамическое усиление в 3,4 раза.
Для автоматизация червячной передачи В соответствии со спецификациями, коэффициент запаса прочности, применяемый к номинальному крутящему моменту, должен учитывать это динамическое усиление. Общий промышленный коэффициент запаса прочности 1,5 недостаточен для роботизированных приложений с высокой интенсивностью работы. Правильный подход заключается в непосредственном расчете пикового крутящего момента и выборе модуля редуктора таким образом, чтобы пиковый крутящий момент находился в пределах допустимой перегрузки редуктора (обычно в 2 раза превышающей номинальный крутящий момент для кратковременных пиков).
Расчет рабочего цикла
Приводы автоматизированных систем редко работают при постоянной нагрузке. Среднеквадратичный крутящий момент за полный цикл движения является правильной основой для расчета тепловых характеристик, в то время как пиковый крутящий момент определяет требования к механической прочности. Для робота-манипулятора с циклом 80% при пиковом крутящем моменте 30% и 20% при пиковом крутящем моменте 100% среднеквадратичный крутящий момент составляет приблизительно 47% пикового значения — что значительно отличается как от пикового, так и от рабочего значений.
Отражённая инерция
Вал двигателя воспринимает инерцию нагрузки, отраженную через квадрат передаточного отношения (J_reflected = J_load / i²). Высокое передаточное отношение значительно уменьшает отраженную инерцию — червячная передача с передаточным отношением 100:1 уменьшает инерцию нагрузки, воспринимаемую двигателем, в 10 000 раз. Именно поэтому червячные передачи с высоким передаточным отношением позволяют небольшим серводвигателям разгонять большие полезные нагрузки — согласование инерции является благоприятным, несмотря на умеренную эффективность.
Жесткость и резонанс
Жесткость зацепления зубчатых передач при кручении влияет на собственную частоту колебаний манипулятора робота при динамической нагрузке. Более жесткое зацепление (более высокая жесткость контакта по Герцу, которая увеличивается с качеством модуля и рисунка контакта) повышает собственную частоту, снижая риск резонанса в рабочем диапазоне скоростей. Документированный рисунок контакта компании Korea Ever-Power (ширина рабочей поверхности ≥70%) напрямую способствует предсказуемой жесткости зацепления.
Коллаборативные роботы и стандарт ISO/TS 15066 — Самоблокировка как функция безопасности
Стандарт ISO/TS 15066:2016 устанавливает требования к приложениям для коллаборативных роботов, где робот работает в общем рабочем пространстве с людьми. Ключевым параметром безопасности является поведение робота при срабатывании системы безопасности, подающей команду на остановку, — особенно в шарнирах вертикальной оси, где гравитационная нагрузка может привести к падению манипулятора, если привод не удержит его положение.
В конструкциях коллаборативных роботов, использующих червячные передачи, присущее однозаходному червяку с передаточным отношением 20:1 и выше свойство самоблокировки обеспечивает механическую функцию удержания положения, не зависящую от мощности, удерживающего момента двигателя или электромеханических тормозов. Это упрощает архитектуру безопасности: самоблокировка червячной передачи является пассивной, не зависящей от мощности функцией безопасности, которая может быть включена в анализ функций безопасности в соответствии с IEC 62061 или ISO 13849. Самоблокирующийся червячный шарнир способствует достижению уровня безопасности PLd (Performance Level d) для удержания положения в соответствующих конфигурациях.
Критически важное требование к самоблокировке коллаборативного робота: Функция самоблокировки должна быть проверена при максимальной рабочей температуре с использованием фактического указанного смазочного материала, а не в лабораторных условиях окружающей среды. Привод кобота, работающий при температуре корпуса 68°C с низковязким синтетическим маслом, может не удовлетворять условию самоблокировки, которому удовлетворяет тот же привод при 25°C со стандартным минеральным маслом. Запросите расчет самоблокировки при указанной рабочей температуре в рамках документации по проверке конструкции. Компания Korea Ever-Power предоставляет этот расчет в стандартном порядке для червячных передач с одним пуском, заказанных для применения в системах с защитными функциями.
Автоматизация на практике
Четыре технических характеристики роботизированных червячных передач — точность, безопасность и индивидуальные решения по передаточному отношению.
Испытание: Корейскому производителю SCARA-роботов для сварки автомобильных кузовов требовалось червячное передаточное число, соответствующее рабочей точке их серводвигателя. Оптимальная скорость вращения двигателя для их кривой крутящего момента-скорости составляла 2800 об/мин; требуемая скорость вращения выходного вала шарнира — 72 об/мин. Требуемое передаточное число составляло 38,9:1 — и его не было ни в одном стандартном каталоге. Заказ ближайшего к каталогу передаточного числа (40:1) потребовал бы снижения рабочей точки серводвигателя на 2,751 TP3T — что приемлемо для непрерывной работы, но приводит к заметному снижению точности при высокочастотной сварке.
Решение: Компания Korea Ever-Power изготовила полузаказной червячный редуктор 3-го уровня: z2 = 39-зубчатое колесо на стандартном зубофрезерном инструменте M5, соединенное с однозаходным червячным валом, отшлифованным с точной геометрией 39:1. Нестандартное передаточное число не потребовало нового инструмента — только другой настройки индексирующей шестерни на зубофрезерном станке. Срок выполнения заказа: 5 недель для первой партии. Робот соответствовал заявленной точности траектории (±0,04 мм в шарнире) без изменения размеров сервомотора.
Испытание: Вьетнамский производитель электроники, работающий круглосуточно на сборочных линиях с механизмом захвата и установки компонентов, заменял червячные колеса каждые 5–7 месяцев на своих высокоскоростных роботах для установки компонентов. Частота циклов составляла 380 циклов в минуту в течение 22-часовых производственных дней — приблизительно 500 000 контактов зубьев за 8-часовую смену. Анализ вышедших из строя колес с помощью координатно-измерительной машины показал прогрессирующий абразивный износ, соответствующий недостаточной разнице твердостей: вал был закален индукционным методом C45 (твердость поверхности 48 HRC при проверке), а бронзовое колесо достигло предела зазора до появления видимых царапин.
Решение: Компания Korea Ever-Power провела модернизацию: вал, закаленный индукционным методом из стали C45, заменен на вал, закаленный хромом 40Cr до твердости 54 HRC, с теми же размерами модуля и отверстия. Дополнительная твердость поверхности в 6 HRC примерно вдвое увеличила разницу в твердости по сравнению с бронзовым шлифовальным кругом, что напрямую повысило износостойкость пропорционально квадрату разницы в твердости. Тот же диаметр отверстия, тот же модуль, замена "неделя за неделей" с документацией, подтверждающей модернизацию материала.
Испытание: Производитель полупроводникового оборудования, разрабатывающий портал для перемещения пластин на фабрике по производству 200-мм пластин, потребовал червячные передачи для оси θ (вращательное позиционирование) с двунаправленной повторяемостью ±0,02 мм на держателе пластин (эквивалентно ±0,019° на червячном колесе с радиусом шага 60 мм). Задача заключалась в поддержании этих параметров в диапазоне температур 20–40 °C внутри корпуса оборудования — стандартный люфт червячной передачи увеличивается с температурой, поскольку дифференциальное тепловое расширение изменяет геометрию зацепления.
Решение: Компания Korea Ever-Power поставила двухрядные червячные редукторы (с регулируемым люфтом), откалиброванные до нулевого люфта при средней рабочей температуре 30°C. Двухрядная конфигурация позволяет повторно регулировать люфт в случае возникновения температурных колебаний, приводящих к его отклонению, — без снятия редуктора с робота. Квалификационные испытания производителя оборудования подтвердили двунаправленную повторяемость ±0,018° во всем диапазоне температур, что соответствует спецификации ±0,019° с запасом.
Испытание: Корейский интегратор коллаборативных роботов готовил техническую документацию CE для нового 6-степенного коллаборативного робота в соответствии с Директивой по машиностроению 2006/42/EC и ISO/TS 15066. Анализ функции безопасности для удержания положения запястного сустава в соответствии с ISO 13849 требовал оценки уровня производительности (PL) для функции механической самоблокировки червячной передачи. Интегратору требовались документальные подтверждения того, что поведение самоблокировки червячной передачи удовлетворяет условиям, необходимым для внесения вклада в уровень производительности (PLd).
Решение: Компания Korea Ever-Power предоставила официальный документ, подтверждающий работоспособность самоблокирующейся зубчатой передачи для конкретного комплекта: расчет угла шага зубьев при заданной геометрии шага; диапазон коэффициента трения при рабочей температуре (25–70 °C) с указанным смазочным материалом; запас прочности самоблокировки при наихудшей температуре (70 °C, сценарий минимального трения); и подтверждение того, что функция самоблокировки является пассивным механизмом, не зависящим от мощности. Этот документ был принят уполномоченным органом в качестве подтверждающего доказательства для присвоения функции безопасности PLd.
Корейская компания Ever-Power Products
Червячные передачи для робототехники и автоматизации
Часто задаваемые вопросы о робототехнике и автоматизации
Червячная передача в робототехнике и автоматизации — вопросы от инженеров-механиков и специалистов по системам управления.
Укажите тип вашей роботизированной червячной передачи.
Укажите тип робота, ось шарнира, требуемое передаточное отношение (или скорость двигателя + скорость шарнира), требования к люфту, спецификацию повторяемости, рабочий цикл и любые требования к документации по функциям безопасности. Компания Korea Ever-Power предоставит полную спецификацию с подтверждением индивидуального передаточного отношения и сроками выполнения в течение одного рабочего дня.
Редактор: Cxm
