Harmonic Drive vs riduttore epicicloidale: scegliere il giusto riduttore per giunto robotico

Quando l'articolazione del polso di un robot collaborativo si sposta di 0,08 mm sotto un carico di 1,5 kg, il componente difettoso raramente è il servomotore. E' il riduttore. Nelle applicazioni con giunti robotici, la decisione tra trasmissione armonica e riduttore epicicloidale determina l'accuratezza del posizionamento, la densità di coppia, la conformità e il costo più di qualsiasi altro sottoinsieme. La vera domanda non è quale tecnologia sia migliore in astratto, ma quale si adatta al profilo di movimento dell'articolazione.

Questa guida mette a confronto entrambe le tecnologie utilizzando parametri misurabili: gioco, rigidità torsionale, densità di coppia, capacità di velocità e durata utile. Si conclude con un pratico quadro di selezione che un progettista può applicare prima di effettuare un ordine.

Trasmissione armonica vs riduttore epicicloidale: inizia con il gioco e la densità di coppia

Per i giunti robotici, una trasmissione armonica offre un gioco inferiore e una maggiore densità di coppia, mentre un riduttore epicicloidale fornisce una maggiore rigidità e un migliore costo per newton-metro.

Il gioco è il movimento angolare libero dell'uscita quando viene trattenuto l'ingresso. In un giunto robotico, si presenta come una zona morta nella risposta di controllo e come errore di posizione quando la direzione viene invertita. Un'unità armonica deforma una flexspline con un generatore di onde, creando due zone di meshing quasi senza spazi vuoti. Un tipico azionamento armonico raggiunge un gioco di 1 arcomin o migliore e molti modelli raggiungono 0,5 arcmin. Un riduttore epicicloidale standard ha un gioco interno tra l'ingranaggio centrale e gli ingranaggi planetari, quindi il gioco rientra comunemente tra 3 e 15 arcmin; le unità planetarie di precisione raggiungono da 1 a 3 arcmin ad un prezzo più elevato.

La densità di coppia, ovvero la coppia nominale per unità di diametro esterno, è il secondo numero decisivo. La scanalatura flessibile di un azionamento armonico avvolge una scanalatura circolare di grande diametro, quindi la stessa dimensione del pacchetto fornisce circa due o tre volte la coppia di un riduttore epicicloidale comparabile. Per un giunto robotico, ciò significa un polso più piccolo e leggero con la stessa capacità di carico utile. Un riduttore epicicloidale necessita di più spazio radiale per i suoi ingranaggi planetari, rendendolo più pesante a parità di coppia di uscita.

Quando il requisito è la tenuta di precisione, il guida all'immersione profonda del riduttore armonico copre le implicazioni di controllo del gioco vicino allo zero in modo più dettagliato.

Riduttore flessibile serie BSHF con albero cavo Questo riduttore armonico offre un gioco quasi nullo e un'elevata rigidità, rendendolo ideale per applicazioni di bloccaggio di precisione. Il suo design compatto ad albero cavo si adatta ai giunti dei robot con vincoli di spazio e la bassa rigidità torsionale influisce sulla messa a punto del controller. Visualizza il prodotto →

Rigidità e risonanza: perché un'unità armonica modifica l'intero circuito di controllo

Una trasmissione armonica ha una rigidità torsionale inferiore rispetto a un riduttore epicicloidale, ma non ha quasi alcun gioco e questo scambio cambia il modo in cui reagisce il controller.

La rigidezza torsionale è la resistenza alla deflessione angolare sotto carico. Un riduttore epicicloidale, con diversi ingranaggi planetari in contatto volvente, è rigido; una piccola unità può mostrare da 5 a 10 Nm per arcmin. Un drive armonico è più morbido, perché il flexspline è progettato per piegarsi. La minore rigidità, combinata con l'assenza di gioco, rende il loop di posizione più prevedibile ma riduce la frequenza di risonanza torsionale.

Se il robot esegue il posizionamento punto a punto a bassa velocità con un carico utile ridotto, vince la guida armonica. Se il giunto deve respingere forze esterne o gestire un’elevata accelerazione, il riduttore epicicloidale più rigido è più facile da stabilizzare, perché il circuito di controllo può funzionare con una larghezza di banda maggiore senza modalità strutturali interessanti.

Quando un riduttore epicicloidale è la scelta giusta: costo, ciclo di lavoro e carichi d'urto

Un riduttore epicicloidale è la scelta corretta per i giunti robotici che necessitano di velocità di ingresso superiori a 4.000 giri al minuto, devono resistere a carichi d'urto o devono rispettare un budget limitato.

I riduttori epicicloidali sono comuni nella robotica perché sono efficienti, con un rendimento compreso tra il 90 e il 97% per stadio, robusti e convenienti. Funzionano a velocità di ingresso comprese tra 5.000 e 10.000 giri al minuto, mentre un azionamento armonico è normalmente limitato a 3.000-4.000 giri al minuto perché il flexspline si affatica più velocemente alle alte velocità. Gli ingranaggi planetari condividono il carico su più punti di contatto, quindi le forze di impatto sono distribuite. La sottile scanalatura flessibile di un'unità armonica può deformarsi in modo permanente in caso di coppia di picco eccessiva o di collisione. Il costo è un terzo fattore: un riduttore epicicloidale della stessa dimensione del telaio costa in genere dal 30 al 50% in meno di un azionamento armonico. Per un robot con sei o sette giunti, questa differenza è significativa.

Riduttore planetario elicoidale serie AHL per servomotori Questo riduttore epicicloidale elicoidale garantisce un funzionamento regolare e silenzioso e un'elevata capacità di coppia. I suoi cuscinetti integrati e il grasso esente da manutenzione riducono i tempi di fermo, rendendolo una scelta economicamente vantaggiosa per gli assi spalla e gomito nei robot industriali. Visualizza il prodotto →

Come abbinare il riduttore a un giunto robotico: un quadro pratico di selezione

Selezionare il riduttore iniziando dai requisiti di precisione di posizionamento, quindi controllando la coppia e la velocità continue e infine confrontando costi e durata.

Lavorare sulle reali esigenze del giunto per evitare l'errore più comune, ovvero ordinare un riduttore sovradimensionato in termini di coppia ma sottodimensionato in termini di precisione.

1. Definire la ripetibilità richiesta sull'effettore finale, ad esempio più/meno 0,05 mm.
2. Convertirlo nella risoluzione angolare dell'articolazione utilizzando la lunghezza del segmento del braccio.
3. Calcolare la coppia continua dal carico RMS del motore e la coppia di picco dal profilo di accelerazione.
4. Specificare la velocità di ingresso massima, poiché la velocità nominale dell'azionamento armonico è inferiore a quella di un planetario.
5. Controllare la rigidità torsionale rispetto alla larghezza di banda del controller.
6. Confronta il costo totale di proprietà, compresi i pezzi di ricambio e la durata prevista.

L'esperienza di BEITTO con i percorsi armonici e planetari

BEITTO produce ingranaggi planetari, flessibili e riduttori multi-uscita, quindi è possibile specificare un giunto robotico da famiglie di prodotti in stock invece di bloccarsi in un'unica tecnologia.

Zhejiang Beitto Transmission Technology Co., Ltd. (BEITTO) costruisce riduttori epicicloidali ad alta precisione in 18 serie, riduttori flessibili nelle serie BSHF, BCSF e BCSG e una serie TD per la trasmissione a uscita multipla a un ingresso. L'azienda gestisce uno stabilimento di 12.000 metri quadrati con più di 90 dipendenti e oltre 20 anni di esperienza nel settore dei riduttori. Il reparto di produzione di BEITTO segue i metodi di produzione di precisione giapponesi e un rigoroso controllo di qualità, che è importante quando un giunto deve mantenere la coppia nominale per una lunga durata.

Per quanto riguarda la flessibilità dei giunti robot e la capacità di carico, la serie TDCR fornisce una configurazione multi-uscita compatta. Il La serie TDCR è progettata per migliorare la flessibilità dei giunti del robot e capacità di carico mantenendo un gioco basso.

Riduttore conico a spirale ad albero cavo serie TD-CR Con un'uscita ad albero cavo e un gioco ridotto, questo riduttore ad ingranaggi conici migliora la flessibilità dei giunti del robot e la capacità di carico. Il suo design esente da manutenzione e il montaggio flessibile semplificano l'integrazione, offrendo un complemento agli azionamenti armonici per i sistemi multiasse. Visualizza il prodotto →

Domande frequenti: Harmonic Drive e riduttore epicicloidale per giunti robotici

Quale riduttore ha un gioco inferiore per un giunto robotico?

Un azionamento armonico ha un gioco inferiore, tipicamente 1 arcmin o migliore. Un riduttore epicicloidale di precisione raggiunge da 1 a 3 arcmin, ma un'unità planetaria standard di solito rientra tra 3 e 15 arcmin.

Un riduttore epicicloidale può sostituire una trasmissione armonica nel polso di un robot?

Può, ma il giunto avrà un gioco maggiore e una densità di coppia inferiore per la stessa dimensione del telaio. Il riduttore epicicloidale funzionerà anche più velocemente e gestirà meglio i carichi d'urto, il che può essere un vantaggio in un polso con assi di presa.

Qual è il rischio maggiore nella scelta di un riduttore per un giunto robot?

Il rischio più grande è scegliere in base solo alla coppia nominale. Molti ingegneri dimenticano di verificare la rigidità torsionale, la velocità di ingresso e l'effettiva ripetibilità del giunto. Un riduttore troppo morbido può causare oscillazioni, mentre uno troppo lento per la velocità massima del motore ne ridurrà la durata.

Come posso calcolare le dimensioni del riduttore per un giunto robot?

Iniziare con la coppia continua al giunto, moltiplicarla per un fattore di picco compreso tra 2 e 3 per l'accelerazione, quindi confermare la velocità di ingresso richiesta. Se il giunto necessita di una tenuta di precisione, verificare anche il gioco e la rigidità rispetto al circuito di controllo della posizione.