Пошаговые расчеты для выбора приводов в дизайне рук робота

Для многорычажной руки суммируйте гравитационные крутящие моменты от всех звеньев и полезную нагрузку, которую должен поддерживать сустав.Плечевой сустав, поддерживающий двухрычажную руку с полезной нагрузкой, должен учитывать крутящий момент от верхней руки, предплечья и полезной нагрузки, каждый из которых рассчитывается на соответствующих расстояниях от оси плеча.

Далее вычислите инерционный крутящий момент, необходимый для ускорения вращающихся масс. В этом используется вращательный эквивалент второго закона Ньютона: τ inertia = I × α, где I — момент инерции, а α — угловое ускорение. Момент инерции зависит от того, как масса распределяется относительно оси вращения.I = m × r2 Для удлинённых тел используют соответствующие формулы: однородный стержень, вращающийся вокруг одного конца, имеет I = (1/3) × m × L2, в то время как стержень, вращающийся вокруг своего центра, имеет I = (1/12) × m × L2.

В многозвенных системах эффективный момент инерции изменяется по мере изменения конфигурации руки. При удлинении предплечья плечевой сустав видит гораздо больший момент инерции, чем при сложении предплечья близко к верхней руке. Вычислите момент инерции для наихудшей конфигурации, как правило, со всеми звеньями, полностью удлиненными.

Динамические крутящие моменты

Динамические эффекты становятся значительными в высокоскоростных приложениях. Кориолис и центробежные силы возникают при одновременном движении нескольких суставов. Эффект Кориолиса возникает при движении массы радиально, при вращении системы, создавая силы, перпендикулярные как радиальному движению, так и оси вращения. Центробежные силы выталкивают массы наружу во время вращения, создавая дополнительные крутящие нагрузки на суставы.

Для точных расчетов используют уравнения Эйлера-Лагранжа или рекурсивные формулы Ньютона-Эйлера для вычисления динамических крутящих моментов. Эти методы учитывают связь между суставами — движение одного сустава влияет на требования к крутящему моменту других. Программные инструменты, такие как MATLAB Robotics Toolbox или специализированные пакеты моделирования роботов, могут автоматизировать эти сложные вычисления.

Трение в вращающихся соединениях включает трение подшипников и трение уплотнений. Для шарикоподшипников крутящий момент трения обычно τ friction = μ × F radial × r bearing, где F radial — радиальная нагрузка на подшипник, а r bearing — радиус подшипника. Производители часто предоставляют спецификации крутящего момента трения непосредственно. Для зубчатых систем учитывают трение сетки передач с использованием КПД передачи, обычно 90-98% на ступень передачи.

Учет эффективности сокращения и передачи груш

Большинство приводов рукояток роботов используют редукцию передач для соответствия характеристик двигателя требованиям нагрузки. Гирбоксы умножают крутящий момент при одновременном снижении скорости в соответствии с передаточным числом. Если двигатель производит 1 Нм крутящего момента и проходит через коробку передач 100:1, выходной крутящий момент теоретически составляет 100 Нм (минус потери).

Связь τ output = τ motor × gear ratio × efficiency. И наоборот, чтобы найти требуемый крутящий момент двигателя, используйте τ motor = τ load/. Эффективность учитывает потери энергии в коробке передач из-за трения. Типичная эффективность составляет 60-80% для червячных передач, 90-95% для шпор и спиральных передач, 70-90% для планетарных передач и 80-90% для гармонических приводов.

Уменьшение передач также влияет на отраженную инерцию, наблюдаемую двигателем. Инерция нагрузки делится на квадрат передаточного числа: I reflected = I load/ (gear ratio)2. Это выгодно, поскольку высокие передаточные числа делают большие нагрузки намного меньшими для двигателя, улучшая динамическую реакцию и стабильность управления.

Однако обратная реакция в коробках передач может поставить под угрозу точность позиционирования. Реакция - это угловая игра между передачами, обычно задаваемая в угловых минутах. Для точных применений рассмотрим варианты с низкой обратной реакцией, такие как гармонические приводы, циклоидные приводы или предварительно загруженные планетарные коробки передач. Эти специализированные редукторы стоят дороже, но обеспечивают точность, необходимую для высокоточных рук роботов.

Требования к скорости и ускорению

Выбор привода должен удовлетворять требованиям как крутящего момента, так и скорости. Определите максимальную угловую скорость, необходимую для каждого соединения, обычно указанную в градусах в секунду или радианах в секунду. Рассмотрим требования к времени цикла приложения - если робот должен выполнить операцию выбора и места за 2 секунды, работайте назад, чтобы определить требуемые скорости соединения.

Связь между линейной скоростью и угловой скоростью v = ω × r, где v — линейная скорость, ω — угловая скорость, а r — радиус. Для концевого эффектора руки робота требуемые скорости соединения зависят от желаемой конечной скорости эффектора и геометрии руки. Суставы ближе к основанию обычно движутся медленнее, чем дистальные соединения, для достижения той же конечной эффекторной скорости.

Ускорение определяет, насколько быстро рука может достичь рабочей скорости. Более высокое ускорение сокращает время цикла, но увеличивает требования к крутящему моменту и механическому напряжению. Угловое ускорение α относится к крутящему моменту через τ = I × α. Если ваше приложение требует быстрых движений, инерциальный компонент крутящего момента может доминировать над гравитационным крутящим моментом.

Проверить, может ли выбранный привод выдавать требуемую скорость при расчетном крутящем моменте нагрузки. Кривые характеристик двигателя показывают, как крутящий момент уменьшается с увеличением скорости. Точка непрерывной работы должна находиться в пределах безопасной зоны работы двигателя. Для прерывистых требований к высокому крутящему моменту проверить, что требования к пиковому крутящему моменту не превышают максимальных оценок двигателя и что рабочий цикл позволяет достаточное время охлаждения.

Требования к мощности и электрические соображения

Расчет требований к мощности для обеспечения вашего источника питания и электрической инфраструктуры может поддерживать приводы. Механическая мощность - это P = τ × ω для вращательных систем или P = F × v для линейных систем. Преобразуйте угловую скорость в радианы в секунду, если используете крутящий момент в ньютон-метрах, чтобы получить мощность в ваттах.

Требования к электрической мощности превышают механическую мощность из-за неэффективности двигателя и привода. Эффективность двигателя обычно колеблется от 70% до 95% в зависимости от типа двигателя и точки работы. Электроника привода добавляет еще 5-15% потерь. Рассчитайте электрическую мощность как P электрическая = P механическая / (η motor × η drive) .

Для многосоставных рук роботов суммируйте требования к мощности всех приводов, но учитывайте рабочий цикл и профиль движения. Не все соединения работают при максимальной мощности одновременно. Реалистичная оценка может использовать 60-80% от суммы индивидуальных максимальных мощностей для калибровки основного источника питания.

Для выбора компонентов важны напряжения и ток. Более высокие напряжения позволяют использовать меньшие проволочные датчики и уменьшают резистивные потери, но требуют более дорогих изоляционных и защитных мер. Общие промышленные напряжения включают 24В, 48В и 300-400В постоянного тока для сервоприводов. Убедитесь, что ваши двигатели и напряжения привода совместимы и что ваш источник питания может обеспечить пиковый ток во время ускорения.

Регенеративное торможение происходит, когда двигатель действует как генератор во время замедления, возвращая энергию в источник питания. Если ваш привод не обрабатывает регенеративную энергию, вам понадобятся тормозные резисторы для рассеивания этой энергии в виде тепла. Рассчитайте регенеративную энергию от E = (1/2) × I × ω2 и размерные тормозные резисторы соответственно.

Требования к точности и разрешению

Требуемая точность позиционирования влияет на выбор привода. Определить допустимую погрешность положения на концевом эффекторе, затем работать назад, чтобы определить требуемое разрешение сустава. Отношение зависит от геометрии руки и конфигурации, но, как правило, ошибки в суставах ближе к основанию оказывают большее влияние на конечное эффекторное положение.

Для серводвигателей разрешение зависит от кодера. Общие разрешения кодера варьируются от 1000 до 1 000 000 подсчетов за оборот. После снижения передачи эффективное разрешение на выходе составляет Резолюция выход = Encoder counts × gear ratio. Кодер с 10 000 подсчетов с коробкой передач 100:1 обеспечивает 1 000 000 позиций за оборот вывода, или 0,00036 градусов за счет.

Шаговые двигатели обеспечивают неотъемлемое управление положением без обратной связи. Стандартные шаговые механизмы предлагают 200 шагов за оборот (1,8 градуса за шаг), в то время как шаговые механизмы с высоким разрешением обеспечивают 400 шагов за оборот. Микрошаговые драйверы могут интерполировать между полными шагами, достигая 256 или более микрошагов за полный шаг, хотя крутящий момент и точность снижаются в положениях микрошагов.

Повторяемость отличается от абсолютной точности. Повторяемость измеряет, насколько последовательно привод возвращается в то же положение, в то время как точность измеряет, насколько близко это положение к командному положению. Руки роботов обычно достигают лучшей повторяемости, чем точности. Для многих применений повторяемость важнее абсолютной точности, так как калибровка может исправить систематические ошибки.

Маржи безопасности и факторы дизайна

Никогда не выбирайте привод, который работает при своих максимальных рейтингах в нормальных условиях. Наценки безопасности учитывают неопределенности расчета, допуски производства, износ с течением времени и неожиданные условия эксплуатации. Маржа 20-30% является стандартной для хорошо понятных приложений с точными данными о нагрузке. Увеличьте это до 50% или более для прототипов, неопределенных нагрузок или критических приложений, где отказ неприемлем.

Применять факторы безопасности как к крутящему моменту, так и к скорости. Приводное устройство, рассчитанное на непрерывный крутящий момент 10 Нм, не следует использовать в приложении, требующем непрерывно 9 Нм. Вместо этого следует нацеливать максимальную непрерывную нагрузку 7-8 Нм, оставляя запас для пиковых требований и ухудшения в течение срока службы привода.

Рассмотрим рабочий цикл — процент времени, в течение которого привод работает на различных уровнях нагрузки. Приводы имеют разные рейтинги для непрерывной, прерывистой и пиковой работы. Непрерывные рейтинги применяются к нагрузкам, поддерживаемым бесконечно без перегрева. Прерывистые рейтинги позволяют более высокие нагрузки в течение ограниченных периодов времени с периодами охлаждения между. Пиковые рейтинги определяют абсолютный максимальный крутящий момент для очень коротких периодов, как правило, несколько секунд.

Управление теплом имеет решающее значение для надежной работы. Моторы вырабатывают тепло от резистивных потерь в обмотках и трения в подшипниках. Это тепло должно рассеиваться, чтобы предотвратить повреждение изоляции и ухудшение производительности. Проверьте постоянную тепловую время двигателя и убедитесь, что ваш рабочий цикл позволяет адекватное охлаждение. Для непрерывных приложений с высокой нагрузкой рассмотрите принудительное охлаждение воздуха или системы жидкостного охлаждения.

Экологические и операционные факторы

Рабочая среда существенно влияет на выбор привода и долговечность. экстремальных температур влияют на двигательные характеристики, вязкость смазки и надежность электронных компонентов. Стандартные промышленные двигатели обычно работают от 0 ° C до 40 ° C температуры окружающей среды. Для экстремальных условий, указать двигатели с более широкими температурными диапазонами и соответствующими классами изоляции.

Влажность и влажность требуют герметичных или водонепроницаемых приводов. Оценки IP (защита от проникновения) указывают на уровень защиты от твердых частиц и жидкостей. IP54 обеспечивает защиту от пыли и брызг воды, подходящих для большинства промышленных сред в помещении. IP65 предлагает полную защиту от пыли и защиту от струй воды, подходящих для стиральных сред. IP67 и IP68 обеспечивают защиту от погружения для подводных или экстремальных влажных применений.

Загрязнение пылью, химическими веществами или абразивными частицами может повредить исполнительные механизмы. В пищевой промышленности, фармацевтике или чистых помещениях для применения необходимо указывать исполнительные механизмы с соответствующими материалами и уплотнением. Конструкция из нержавеющей стали противостоит коррозии от чистящих химикатов. Смазочные материалы пищевого качества предотвращают загрязнение, если происходит утечка.

Вибрационные и ударные нагрузки от прикладного или окружающего оборудования могут вызвать преждевременный отказ подшипников и повлиять на точность позиционирования. Укажите приводы с надежными системами подшипников, рассчитанными на ожидаемые уровни вибрации. В высоковибрационных средах рассмотрите возможность дополнительной изоляции установки или демпфирования вибрации.

Электромагнитные помехи (ЭМИ) могут нарушать управление двигателем и кодировать сигналы. В электрически шумных средах используйте экранированные кабели, надлежащее заземление и двигатели со встроенной фильтрацией ЭМИ. И наоборот, убедитесь, что ваши исполнительные механизмы не генерируют чрезмерный ЭМИ, который может мешать соседнему чувствительному оборудованию.

Пример: Расчет требований к приводу для двухрычажной роботизированной руки

Рассмотрим двухзвенную роботизированную руку со следующими характеристиками:

• Ссылка 1 (верхняя рука): длина L1 = 0,5 м, масса m1 = 2 кг
• Ссылка 2 (предплечье): длина L2 = 0,4 м, масса m2 = 1,5 кг
• Полезная нагрузка: масса m payload = 3 кг
• Желаемая максимальная угловая скорость: 90 градусов/сек (1,57 рад/с)
• Желаемое угловое ускорение: 180 градусов/сек2 (3,14 рад/с2)
• Ориентация работы: горизонтальная плоскость (наихудший случай для гравитации)

Плечевой сустав (совместный 1) расчеты

Сначала вычислите гравитационный крутящий момент, когда рука полностью вытянута горизонтально. Центр массы линии 1 находится на L1/2 = 0,25 м от плеча. Центр масс линии 2 находится на L1 + L2/2 = 0,5 + 0,2 = 0,7 м от плеча. Полезная нагрузка находится на L1 + L2 = 0,9 м от плеча.

τ gravity link1 = m1 × g × (L1/2) = 2 × 9,81 × 0,25 = 4,91 Нм

τ gravity link2 = m2 × g × (L1 + L2/2) = 1,5 × 9,81 × 0,7 = 10,30 Нм

τ gravity payload = m payload × g × (L1 + L2) = 3 × 9,81 × 0,9 = 26,49 Нм

τ gravity total = 4.91 + 10.30 + 26.49 = 41.70 Нм

Далее вычислите момент инерции плечевого сустава. Обработать звено 1 как однородный стержень, вращающийся примерно на одном конце: I1 = (1/3) × m1 × L12 = (1/3) × 2 × 0,52 = 0,167 кг⋅m2

Ссылка 2 и полезная нагрузка могут быть приближены к точечным массам на их расстояниях от плеча: I2 = m2 × (L1 + L2/2)2 = 1,5 × 0,72 = 0,735 кг⋅m2

I payload = m payload × (L1 + L2)2 = 3 × 0,92 = 2,43 кг⋅m2

I total = 0,167 + 0,735 + 2,43 = 3,33 кг⋅м2

Вычислите инерционный момент: τ inertia = I total × α = 3,33 × 3,14 = 10,46 Нм

Предположим, что трение подшипника и уплотнения способствует приблизительно 2 Нм. Общий требуемый крутящий момент: τ total = τ gravity + τ inertia + τ friction = 41,70 + 10,46 + 2,00 = 54,16 Нм

Применение 30% запаса прочности: τ обязательно = 54,16 × 1.3 = 70,4 Нм

Если используется коробка передач с соотношением 50:1 и эффективностью 90%, требуемый крутящий момент двигателя: τ motor = 70,4 / (50 × 0,9) = 1,56 Нм

Двигатель должен выдавать этот крутящий момент на требуемой скорости. После уменьшения передачи скорость двигателя составляет: ω motor = 1,57 × 50 = 78,5 рад/с = 750 RPM

Выберите серводвигатель с номинальным непрерывным крутящим моментом не менее 1,6 Нм при 750 оборотах в минуту, с коробкой передач, обеспечивающей снижение 50:1 и низкую обратную реакцию для точности позиционирования.

Совместный локтевой сустав (Joint 2)

Стык локтя должен поддерживать только линию 2 и полезную нагрузку. Вычислить гравитационный крутящий момент с помощью линии 2, протянутой горизонтально:

τ gravity link2 = m2 × g × (L2/2) = 1,5 × 9,81 × 0,2 = 2,94 Нм

τ gravity payload = m payload × g × L2 = 3 × 9,81 × 0,4 = 11,77 Нм

τ gravity total = 2,94 + 11,77 = 14,71 Нм

Вычислить момент инерции: I link2 = (1/3) × m2 × L22 = (1/3) × 1,5 × 0,42 = 0,08 кг⋅m2

I payload = m payload × L22 = 3 × 0,42 = 0,48 кг⋅m2

I total = 0,08 + 0,48 = 0,56 кг⋅м2

Инерционный крутящий момент: τ inertia = 0,56 × 3,14 = 1,76 Нм

Предполагая 1 Нм трение, общий крутящий момент: τ total = 14,71 + 1,76 + 1,00 = 17,47 Нм

С 30% запасом прочности: τ обязательно = 17,47 × 1.3 = 22,7 Нм

Использование коробки передач 30:1 при 90% эффективности: τ motor = 22,7 / (30 × 0,9) = 0,84 Нм

Скорость двигателя: ω motor = 1,57 × 30 = 47,1 рад/с = 450 оборотов в минуту

Выберите серводвигатель с номинальным непрерывным крутящим моментом не менее 0,85 Нм при 450 оборотах в минуту с коробкой передач 30:1.

Сравнение технологий актуатора

Различные технологии привода предлагают различные преимущества для применения в роботизированных рукавах. Понимание этих различий помогает вам выбрать наиболее подходящую технологию для ваших конкретных требований.

Серводвигатели обеспечивают превосходное соотношение крутящего момента к весу, точное управление положением и высокую динамическую производительность. Они используют управление замкнутым контуром с энкодерами или растворителями для обратной связи положения. Серводвигатели без щеток DC доминируют в современной робототехнике из-за их эффективности, надежности и низкого технического обслуживания. Они превосходят в приложениях, требующих высокой точности, переменной скорости и сложных профилей движения. Основными недостатками являются более высокая стоимость и необходимость в сложной приводной электронике.

Степперные двигатели обеспечивают хорошую точность позиционирования без датчиков обратной связи, что делает их экономически эффективными для приложений с умеренной точностью. Они движутся дискретными шагами, обеспечивая неотъемлемое управление положением. Шаговые механизмы обеспечивают высокий крутящий момент на низких скоростях, но крутящий момент значительно падает на более высоких скоростях. Они идеально подходят для приложений с предсказуемыми нагрузками и требованиями к умеренной скорости. Риск потери шага в условиях перегрузки является ключевым ограничением, хотя системы с замкнутым контуром решают эту проблему.

Гидравлические приводы обеспечивают чрезвычайно высокую силу и плотность мощности, что делает их идеальными для тяжелых промышленных роботов и строительного оборудования. Они хорошо справляются с ударными нагрузками и обеспечивают плавное управление движением. Однако гидравлические системы требуют насосов, резервуаров и сложной сантехники, увеличивая сложность системы и требования к техническому обслуживанию. Утечки жидкости могут быть проблематичными, а точное управление положением более сложно, чем с электрическими приводами.

Пневматические приводы просты, недороги и обеспечивают очень высокую скорость. Они обычно используются в приложениях выбора и размещения и других задачах, требующих быстрых, повторяющихся движений между фиксированными положениями. Сжимаемость воздуха затрудняет точное управление положением, ограничивая пневматику приложениями, где приемлемо позиционирование на жесткие остановки. Они также шумны и требуют инфраструктуры сжатого воздуха.

Линейные приводы, включая шаровые винты, свинцовые винты и ременные приводы, преобразуют вращательное движение двигателя в линейное движение. Шаровые винты обеспечивают высокую эффективность (90-95%), отличную точность и высокую грузоподъемность. Ведущие винты дешевле, но имеют более низкую эффективность (20-80% в зависимости от конструкции) и более высокое трение. Поясные приводы обеспечивают большую длину хода при более низкой стоимости, но с пониженной жесткостью и точностью. Линейные двигатели обеспечивают прямое линейное движение без механического преобразования, предлагая самую высокую скорость и ускорение, но по премиум-стоимости.

Интеграция систем управления

Выбор привода не может быть отделен от соображений системы управления. Привод и контроллер должны работать вместе без проблем для достижения желаемой производительности. Современные роботы обычно используют цифровые контроллеры движения, которые реализуют управление PID (Proportional-Integral-Derivative) или более продвинутые алгоритмы.

Промышленные роботы часто используют EtherCAT, PROFINET или CANopen для детерминированной связи между контроллером и приводами в реальном времени. Эти протоколы позволяют синхронизировать многоосевое движение с точностью времени микросекундного уровня. Для более простых приложений могут быть достаточными команды аналоговой скорости или крутящего момента, сигналы шага/направления для шаговых устройств или управление PWM.

Устройства обратной связи обеспечивают контроллеру информацию о положении, скорости, а иногда и о силе. Повышательные кодеры являются общими и экономически эффективными, обеспечивая относительное положение посредством подсчета импульсов. Абсолютные кодеры сохраняют информацию о положении при отключении питания, устраняя необходимость в процедурах самонаведения. Резолеры обеспечивают чрезвычайную надежность в суровых условиях. Для приложений управления силой, датчиков крутящего момента или датчиков тока обеспечивают совместимое движение и ограничение силы.

Особенности безопасности становятся все более важными, особенно для совместных роботов, которые работают вместе с людьми. Приводы должны поддерживать функции с рейтингом безопасности, такие как Safe Torque Off (STO), который немедленно отключает питание двигателя. Некоторые приложения требуют мониторинга положения с рейтингом безопасности или ограничения скорости. Убедитесь, что выбранные приводы и приводы поддерживают необходимый уровень целостности безопасности (SIL) для вашего приложения.

Расчеты затрат и общая стоимость владения

Хотя первоначальная цена покупки важна, оцените общую стоимость владения в течение ожидаемого срока службы робота. Более качественные приводы с премиальными ценами часто обеспечивают лучшую долгосрочную ценность за счет повышения надежности, более низкого обслуживания и лучшей производительности.

Первоначальные затраты включают в себя привод, коробку передач, контроллер / привод, устройства обратной связи, кабельное и монтажное оборудование. Не упускайте из виду затраты на интеграцию - время проектирования для калибровки, выбора, программирования и ввода в эксплуатацию может превышать затраты на оборудование для сложных систем.

Операционные затраты включают в себя потребление энергии, которое зависит от эффективности и рабочего цикла. Роботизированная рука, работающая непрерывно в производственной среде, может потреблять значительную энергию в течение своего срока службы. Более эффективные исполнительные механизмы снижают эксплуатационные расходы и выработку тепла, потенциально устраняя необходимость в дополнительном охлаждении.

Расходы на техническое обслуживание резко различаются по типу привода. Безщеточные двигатели требуют минимального обслуживания - в первую очередь замены подшипников через много тысяч часов. Пробитые двигатели нуждаются в периодической замене щетки. Гидравлические системы требуют изменения жидкости, замены фильтров и обслуживания уплотнения. Пневматические системы нуждаются в обслуживании воздушного фильтра и иногдай замене уплотнения. Фактор как в плановом обслуживании, так и в стоимости незапланированного простоя от сбоев.

Надежность и среднее время между отказами (MTBF) влияют на время безотказной работы производства. Приводы промышленного класса, предназначенные для непрерывной работы, оправдывают их более высокую стоимость в производственных средах, где время простоя дорого. Для исследований или приложений с низким рабочим циклом могут быть подходящими менее дорогие компоненты.

Тестирование и валидация

После выбора приводов на основе расчетов, проверьте свой выбор с помощью тестирования перед началом производства. Постройте прототип или испытательный прибор, который повторяет критические аспекты конструкции вашего робота. Примените систему с датчиками крутящего момента, мониторами тока и датчиками температуры для измерения фактической производительности.

Проверить, что приводы могут обрабатывать рассчитанные нагрузки с достаточным запасом. Испытание на крайних значениях рабочей оболочки - максимальный охват, максимальная полезная нагрузка, максимальная скорость и максимальное ускорение. Проведите испытания с расширенным рабочим циклом для обеспечения адекватных тепловых характеристик. Проведите мониторинг температуры двигателя и привода, чтобы подтвердить, что они остаются в безопасных пределах.

Измерить точность позиционирования и повторяемость с помощью инструментов точного измерения. Для высокоточных применений использовать лазерные интерферометры или координировать измерительные машины для проверки позиционирования конечных эффекторов. Определить любые систематические ошибки, которые могут быть исправлены путем калибровки или любых случайных ошибок, которые указывают на недостаточную жесткость или разрешение.

Испытание в реалистичных условиях окружающей среды. Если робот будет работать в жаркой заводской среде, испытание при повышенных температурах. Если присутствует вибрация, повторите эти условия. Выявите любые проблемы на ранней стадии, когда изменения дизайна все еще возможны и недороги.

Проведите тестирование режима отказа, чтобы понять поведение системы в условиях неисправности. Что произойдет, если кодер выйдет из строя? Если двигатель перегреется? Если мощность потеряна во время движения? Убедитесь, что система выходит из строя безопасно и что защитные функции работают так, как задумано.

Расширенные возможности для специализированных приложений

Некоторые приложения предъявляют дополнительные требования, выходящие за рамки основных требований к силе, крутящему моменту и скорости. Совместные роботы (коботы), которые работают безопасно вместе с людьми, требуют по своей сути безопасных приводов с ограничением силы, совместимым движением и гладкими поверхностями без точек щипца. Упругие приводы серии, которые включают пружины между двигателем и выходом, обеспечивают неотъемлемое соответствие и точный контроль силы.

Высокоскоростные приложения, такие как роботы-выборщики, отдают приоритет ускорению и времени цикла над полезной нагрузкой. В этих конструкциях используются легкие материалы, оптимизированная кинематика и высокоэффективные приводы с отличным динамическим откликом. Приводы должны обрабатывать высокие пиковые крутящие моменты во время ускорения при сохранении точного контроля положения.

Точные приложения, такие как хирургические роботы или производство полупроводников, требуют исключительной точности и повторяемости. Эти системы используют кодеры высокого разрешения, передачи с низкой обратной реакцией и жесткие механические конструкции. Термическая стабильность становится критической — изменения температуры вызывают изменения размеров, которые влияют на точность. Некоторые прецизионные системы используют контролируемые температурой среды или алгоритмы компенсации температуры.

Наружные и мобильные роботы сталкиваются с уникальными проблемами, включая ограничения мощности батареи, широкие диапазоны температур, пыль, влажность и вибрацию. Выбор привода должен уделять приоритетное внимание энергоэффективности для максимального срока службы батареи. Запечатанные приводы с соответствующими рейтингами IP защищают от загрязнения окружающей среды. Надежная механическая конструкция выдерживает удар и вибрацию от мобильной работы.

Подводные роботы требуют полностью водонепроницаемых приводов, как правило, с заполненными маслом корпусами для выравнивания давления. Необходимы коррозионностойкие материалы, такие как нержавеющая сталь или титан. Магнитная связь может передавать крутящий момент через герметичные барьеры, устраняя уплотнения вала, которые могут протекать.

Программные инструменты и ресурсы для выбора актуатора

Несколько программных инструментов могут упростить процесс выбора привода и повысить точность вычислений. Программное обеспечение для моделирования роботов, такое как CoppeliaSim, Gazebo или Webots, позволяет моделировать руку робота, определять профили движения и моделировать динамическое поведение. Эти инструменты вычисляют совместные крутящие моменты на протяжении всего цикла движения, определяя пиковые нагрузки, которые могут быть пропущены статичными вычислениями.

MATLAB и его Robotics System Toolbox предоставляют мощные возможности для кинематического и динамического анализа. Можно определить геометрию робота с помощью параметров Denavit-Hartenberg, вычислить переднюю и обратную кинематику и рассчитать совместные крутящие моменты с помощью рекурсивной динамики Ньютона-Эйлера. Библиотеки Python, такие как Robotics Toolbox для Python, предлагают аналогичные возможности в среде с открытым исходным кодом.

Многие производители приводов предоставляют программное обеспечение выбора, которое помогает сопоставить их продукты с требованиями приложения. Вы вводите нагрузку, скорость, рабочий цикл и параметры окружающей среды, и программное обеспечение рекомендует подходящие приводы из своей линейки продуктов. Эти инструменты часто включают термический анализ, чтобы проверить, что привод не перегреется в ваших условиях эксплуатации.

Программное обеспечение САПР с возможностями моделирования движения, например SolidWorks Motion или Autodesk Inventor Dynamic Simulation, позволяет моделировать полную механическую систему и моделировать движение. Эти инструменты вычисляют силы и крутящие моменты на основе фактической геометрии САПР и свойств массы, обеспечивая более точные результаты, чем упрощенные ручные вычисления.

Программное обеспечение для анализа конечных элементов (FEA) помогает оценить жесткость конструкции и отклонение под нагрузкой. Недостаточная жесткость может вызвать ошибки позиционирования и вибрацию, даже если исполнительные механизмы имеют адекватную крутящую способность. FEA определяет слабые места в механической конструкции, которые должны быть усилены.

Общие ошибки, которых следует избегать

Несколько распространенных ошибок могут привести к проблемам выбора привода. Недооценка нагрузок — пожалуй, самая частая ошибка. Несоблюдение всех элементов массы, пренебрежение трением или забывание об инерционных силах при ускорении приводит к негабаритным приводам, которые перегреваются, плохо работают или выходят из строя преждевременно. Всегда включают соответствующие запасные части.

Игнорирование рабочего цикла и тепловых пределов приводит к перегреву исполнительных механизмов во время непрерывной работы. Просто потому, что исполнительный механизм может производить требуемый крутящий момент коротко, не означает, что он может поддерживать этот крутящий момент непрерывно. Просмотрите тепловые кривые и убедитесь, что ваша рабочая точка попадает в непрерывные рейтинги, а не только пиковые рейтинги.

Эффекты переключения передач с видом - еще одна распространенная ошибка. Переключатель передач влияет не только на умножение крутящего момента, но и на отраженную инерцию, обратную реакцию и эффективность. Чрезмерно высокое передаточное отношение может обеспечить больший крутящий момент, чем необходимо, при излишнем ограничении скорости. Слишком низкое соотношение может не обеспечить адекватный крутящий момент или может привести к плохой динамической реакции из-за высокой отраженной инерции.

Пренебрежение механическими конструктивными проблемами может подорвать даже правильно подобранные исполнительные механизмы. Недостаточная жесткость конструкции вызывает отклонение и вибрацию. Плохой выбор подшипников приводит к чрезмерному трению и преждевременному износу. Неадекватная жесткость монтажа позволяет исполнительным механизмам смещаться под нагрузкой. Механическая конструкция должна дополнять выбор исполнительных механизмов.

Неспособность рассмотреть всю систему, включая электропитание, кабели и управляющую электронику, может создать узкие места. Негабаритный источник питания может не доставлять пиковый ток во время ускорения. Неадекватный размер кабеля вызывает падение напряжения и потерю мощности. Несовместимые интерфейсы управления препятствуют надлежащей интеграции.

Выбор приводов, основанный исключительно на стоимости без учета производительности, надежности или общей стоимости владения, часто доказывает, что он мудрый и глупый. Более дешевый привод, который часто выходит из строя или плохо работает, в долгосрочной перспективе стоит дороже, чем качественный компонент, который надежно работает в течение многих лет.

Документация и спецификация

Тщательная документация процесса выбора привода обеспечивает ценную справочную информацию для будущего технического обслуживания, устранения неполадок и итераций проектирования. Создайте документ спецификации, который включает в себя механическую конструкцию руки робота, кинематические параметры, ожидаемые нагрузки и профили движения, а также условия окружающей среды.

Документировать все расчеты с четкими объяснениями предположений и применяемых факторов безопасности. Включать наихудшие сценарии и обоснование выбранных рабочих точек. Эта документация помогает другим понять ваши дизайнерские решения и облегчает обзоры дизайна.

Сохранить список материалов, в котором перечислены все приводы, коробки передач, контроллеры, устройства обратной связи и связанное с ними оборудование с номерами деталей и информацией о поставщиках. Включить таблицы данных и технические спецификации для всех компонентов. Эта информация имеет важное значение для закупок, обслуживания и будущих обновлений.

Создавайте схемы проводки, показывающие электрические соединения между приводами, приводами, контроллерами и источниками питания. Документируйте протоколы связи, схемы адресации и параметры конфигурации. Эта информация бесценна при вводе в эксплуатацию и устранении неполадок.

Запись результатов испытаний, включая измеренные крутящие моменты, токи, температуры и точность позиционирования. Сравните фактическую производительность с расчетными прогнозами. Документируйте любые расхождения и предпринятые корректирующие действия. Эти данные подтверждают ваш дизайн и предоставляют базовую информацию для обнаружения деградации с течением времени.

Будущие тенденции в роботах-актуаторах

Технология привода продолжает развиваться, предлагая улучшенную производительность и новые возможности. Интегрированные приводы, объединяющие двигатель, коробку передач, контроллер и устройство обратной связи в едином компактном корпусе, упрощают конструкцию системы и снижают сложность проводки. Эти интеллектуальные приводы часто включают встроенные функции безопасности и интерфейсы связи.

Приводы с прямым приводом устраняют коробки передач с помощью двигателей с высоким крутящим моментом, уменьшая обратную реакцию, трение и техническое обслуживание при одновременном улучшении динамического отклика. Достижения в материалах с постоянными магнитами и конструкции двигателя делают решения с прямым приводом все более практичными для рук роботов. Бесрамные двигатели, которые интегрируются непосредственно в структуру робота, экономят пространство и вес.

Искусственные мышцы с использованием пневматических искусственных мышц (ПИМ), сплавы памяти формы или электроактивные полимеры обеспечивают соответствие и высокие соотношения мощности к весу. Хотя эти технологии все еще в основном в исследованиях, эти технологии могут позволить новые конструкции роботов с более естественным, совместимым движением.

Повышение энергоэффективности за счет улучшения конструкции двигателей, усовершенствованных алгоритмов управления и рекуперации регенеративной энергии снижает эксплуатационные расходы и позволяет увеличить срок службы батареи для мобильных роботов.Некоторые системы используют суперконденсаторы для хранения регенеративной энергии для повторного использования во время ускорения.

Искусственный интеллект и машинное обучение применяются для управления приводом, что позволяет осуществлять адаптивный контроль, оптимизирующий производительность на основе изученных моделей динамики системы. Алгоритмы прогнозного обслуживания анализируют данные производительности привода для прогнозирования сбоев до их возникновения, уменьшая незапланированные простои.

Краткое изложение ключевых расчетов и критериев отбора

Выбор приводов для конструкции руки робота требует систематического анализа множества факторов.Процесс начинается с понимания кинематической конфигурации робота, требований к рабочему пространству и спецификаций производительности.Детальные вычисления определяют требования к силе и крутящему моменту для каждого сустава, учитывают гравитационные нагрузки, инерционные силы при ускорении, трение и любые внешние силы.

Для линейных приводов вычислите общую силу как сумму гравитационных, инерционных, фрикционных и внешних силовых компонентов. Для вращательных соединений вычислите крутящий момент от гравитационных эффектов, вращательной инерции и трения. Учитывайте эффекты уменьшения зубчатой передачи как на умножение крутящего момента, так и на отраженную инерцию. Применяйте соответствующие запаси прочности, как правило, 20-50% в зависимости от критичности приложения и неопределенности расчета.

Проверить, что выбранные приводы могут доставлять требуемый крутящий момент с необходимой скоростью, учитывая кривые производительности двигателя и непрерывные по сравнению с пиковыми оценками. Расчет требований к мощности и обеспечение электрической инфраструктуры может поддерживать систему. Оценка точности позиционирования и требований к разрешению для выбора соответствующих устройств обратной связи и систем передачи.

Рассмотрим факторы окружающей среды, включая температуру, влажность, загрязнение, вибрацию и электромагнитные помехи. Выберите исполнительные механизмы с соответствующими рейтингами защиты и материалами для рабочей среды. Оцените различные технологии привода - серводвигатели, шаговые двигатели, гидравлические, пневматические или линейные приводы - на основе требований к производительности, стоимости и ограничений применения.

Оценить общую стоимость владения, включая первоначальную цену покупки, потребление энергии, требования к техническому обслуживанию и надежность. Интегрировать исполнительные механизмы с соответствующими системами управления и функциями безопасности. Проверить выбор с помощью тестирования прототипа и измерения перед принятием на производство.

Основной контрольный список для выбора актуатора

• Определите кинематику рук робота, размеры ссылок и свойства массы
• Определить максимальную полезную нагрузку и наихудшие конфигурации рук
• Вычислить гравитационные крутящие моменты для всех суставов в наихудших положениях
• Определить требуемые угловые скорости и ускорения
• Вычислите моменты инерции для вращающихся масс
• Вычислить инерционные крутящие моменты при ускорении
• 2.1.4 Оценочные силы трения в подшипниках, уплотнениях и трансмиссиях
• Соберите все компоненты крутящего момента и нанесите безопасные пределы (20-50%)
• Выберите соответствующие передаточные числа, балансирующие крутящий момент и требования к скорости
• Учет эффективности коробки передач и обратной реакции
• Проверить, могут ли исполнительные механизмы доставлять требуемый крутящий момент на рабочей скорости
• Проверить непрерывный по сравнению с пиковыми крутящими моментами и рабочим циклом
• Расчет требований к мощности и проверка мощности электроснабжения
• Оценка точности позиционирования и выбор соответствующих устройств обратной связи
• Учитывать факторы окружающей среды и выбирать соответствующие рейтинги защиты.
• Оценка требований к интеграции и коммуникации системы управления
• Оценка общей стоимости владения, включая техническое обслуживание и надежность
• Создайте прототип и проверьте производительность с помощью тестирования
• Документировать все расчеты, спецификации и результаты испытаний

Следуя этому комплексному подходу к выбору приводов, вы можете проектировать роботизированные руки, которые работают надежно, эффективно и безопасно. Правильные расчеты гарантируют, что приводы имеют адекватную емкость с соответствующими запасами, в то время как рассмотрение всей системы - механического проектирования, управляющей электроники, источника питания и факторов окружающей среды - приводит к успешным реализациям. Независимо от того, разрабатываете ли вы промышленного робота для производства, совместного робота для взаимодействия с человеком или специализированного робота для исследований, систематический выбор привода на основе принципов звукоинженерии обеспечивает основу для успеха.

Для дополнительных технических ресурсов по робототехнике и технологии привода рассмотрите возможность изучения Robotics Online от Ассоциации по продвижению автоматизации, которая предоставляет отраслевые идеи, технические статьи и образовательные ресурсы. IEEE Robotics and Automation Society предлагает доступ к исследовательским работам и техническим стандартам, которые могут углубить ваше понимание передовых тем в области проектирования и управления роботами.