Prečo jedna séria planétových prevodoviek nedokáže obslúžiť všetkých šesť kĺbov robota
Šesť osí štandardného priemyselného robota sa nelíši len v požiadavkách na krútiaci moment – zásadne sa líšia v tom, ktorá fyzikálna vlastnosť prevodovky je najdôležitejšia. J1 a J2 sú dominantne zamerané na požiadavky na zotrvačnosť a torznú tuhosť, ktoré štandardné presné planétové prevodovky nedokážu adekvátne splniť vo svojej triede krútiaceho momentu. J3 je problém rovnováhy medzi krútiacim momentom a účinnosťou. J4 a J5 sú primárne problémom balenia, kde axiálna hĺbka určuje, či zápästie robota zostane v rámci cieľového objemu. J6 je problém minimalizácie rýchlosti a hmotnosti.
Použitie rovnakej série prevodoviek na všetkých šesť kĺbov – bežná skratka v počiatočných fázach návrhu robotov – vedie k tomu, že niektoré kĺby sú nadhodnotené (ťažké, drahé, s vysokou zotrvačnosťou) a iné sú podhodnotené (nedostatočná tuhosť alebo axiálna únosnosť). Správny prístup je považovať každý kĺb za nezávislý problém výberu, riešený postupne od J1 smerom von.
| Kĺb | Primárny dizajnový hnací motor | Typický rozsah krútiaceho momentu | Typický pomer | Požiadavka na IP adresu | Odporúčaná séria EP |
|---|---|---|---|---|---|
| J1 — Pás | Torzná tuhosť Zotrvačnosť vždy > 5:1 |
800 – 3 000+ N·m | 20:1 – 40:1 | Preferované IP65 | EP-ZDS-142/190 |
| J2 — Veľké rameno | Krútiaci moment + tuhosť Maximálny gravitačný krútiaci moment |
600 – 2 000+ N·m | 16:1 – 25:1 | Preferované IP65 | EP-ZDS-115/142 |
| J3 – Ručná zbraň | Krútiaci moment + účinnosť | 250 – 800 N·m | 10:1 – 20:1 | IP54 | EP-ZDS-115 alebo EP-ZDE-160 |
| J4 — Rolovanie zápästia | Axiálna hĺbka (kompaktná) | 20–80 N·m | 8:1 – 16:1 | IP54 | EP-ZDWE-80 alebo EP-ZDE-80 |
| J5 — Zápästný ohyb | Axiálna hĺbka (kompaktná) | 15 – 60 N·m | 8:1 – 16:1 | IP54 | EP-ZDWE-60/80 |
| J6 — Rotácia nástroja | Minimalizácia hmotnosti | 5–20 N·m | 3:1 – 8:1 | IP54 | EP-ZDE-60 |
J1 a J2 – Prečo je torzná tuhosť dôležitejšia ako vôľa
Kĺby J1 (rotácia pása) a J2 (veľké rameno) sú najnáročnejšie kĺby v každom 6-osovom robote. V kĺbe J1 sa celé telo robota plus maximálne užitočné zaťaženie otáča okolo základne. V kĺbe J2 pôsobí kombinovaná hmotnosť predlaktia, zápästia a užitočného zaťaženia na rameno s maximálnym momentom, keď je rameno úplne natiahnuté horizontálne. Oba kĺby majú jednu určujúcu charakteristiku: ich zotrvačnosť záťaže štrukturálne prevyšuje zotrvačnosť rotora servomotora o 10 – 35-násobok, a to aj pri prevodových pomeroch 20:1.
Pre robota s užitočným zaťažením 100 kg je efektívna zotrvačnosť záťaže v bode J1 približne 540 kg·m² – celé telo robota a užitočné zaťaženie sa otáčajú okolo základne. Veľký servomotor pre túto triedu má zotrvačnosť rotora J_motor ≈ 0,15 kg·m². Pri prevodovom pomere 20:1: J_odraz = 540/20² = 1,35 kg·m², čo dáva pomer zotrvačnosti 1,35/0,15 = 9:1 — výrazne nad „bezpečným“ cieľom 3:1. Pri J2 s pomerom 20:1 sa pomer zlepšuje približne na 2:1, čím sa 20:1 stáva preferovaným pomerom pre J2.
Inžinierske riešenie: Torzná tuhosť zvyšuje rezonančnú frekvenciu
Keď pomer zotrvačnosti prekročí 3:1, štandardný prístup – zvýšenie zosilnenia serva Kv – vybudí mechanickú rezonančnú frekvenciu pohonu. Pre J1 a J2 musí byť táto rezonančná frekvencia posunutá nad šírku pásma riadenia serva (zvyčajne 50 – 100 Hz pre ovládače kĺbov robota), aby sa zabránilo kmitaniu. Rezonančná frekvencia systému záťaž-prevodovka je:
Tento výpočet vysvetľuje, prečo výrobcovia robotov historicky používali pre spoje J1 a J2 prevodovky s deformačnou vlnou (nulová vôľa, extrémne vysoká tuhosť) a prečo je pre tieto spoje relevantnou sériou EP s vysokou tuhosťou EP-ZDS – s torznou tuhosťou až 130 N·m/oblúková minúta a axiálnou kapacitou 28 000 N – a nie štandardná séria EP-ZDE. Špecifikácia vôle (<8 oblúkových minút pre EP-ZDS) je druhoradá voči hodnote Ct na tejto osi.
- Krútiaci moment: vypočítajte zotrvačnosť celého tela + užitočného zaťaženia × maximálne uhlové zrýchlenie, SF = 2,0–2,5
- Tuhosť: Ct ≥ 44 N·m/oblúková minúta (EP-ZDS-142 alebo -190)
- Axiálne: zvyčajne nízke pri J1 (pás je horizontálny) – EP-ZDE-160 môže postačovať, ak nie je k dispozícii vertikálny posun
- IP65 pre prostredie zváračských a karosárskych dielní
- Prevodový pomer: 20:1 – 25:1 na zníženie pomeru zotrvačnosti pod 10:1
- Krútiaci moment: gravitačný krútiaci moment pri plnom horizontálnom predĺžení + akceleračný krútiaci moment, SF = 2,0
- Na dosiahnutie pomeru zotrvačnosti ≈ 2:1 použite pomer 20:1 (pozri výpočet vyššie)
- Tuhosť: Ct ≥ 20 N·m/arcmin — EP-ZDS-115 pri 20:1 poskytuje Ct = 22 N·m/arcmin
- Axiálne: významné – hmotnosť ramena vytvára axiálne zaťaženie na výstupnom hriadeli J2; overte si limit
- IP65 pre náročné prostredie; IP54 akceptovateľné pre čisté priestory alebo všeobecnú automatizáciu
J3 — Malé rameno: Bod rovnováhy medzi krútiacim momentom a účinnosťou
J3 poháňa predlaktie, zápästie a užitočné zaťaženie – typicky 50 – 80 kg v robote s užitočným zaťažením 100 kg. Pri maximálnom vysunutí to vytvára gravitačný krútiaci moment 350 – 500 N·m. V kombinácii s akceleračným krútiacim momentom a servisným faktorom 1,75 pre mierne rázy je požadovaný výstupný krútiaci moment typicky 600 – 900 N·m. To umiestňuje J3 na hranicu medzi EP-ZDE-160 (menovitý krútiaci moment 800 N·m) a EP-ZDS-115 (menovitý krútiaci moment 260 N·m pri pomere 20:1 alebo 780 N·m pri dvojstupňovom prevodovom pomere prostredníctvom EP-ZDS-142).
Pri J3 je pomer zotrvačnosti pri 16:1 približne 1,7:1 – ideálne územie pre stabilné ladenie serv bez potreby výnimočnej torznej tuhosti. Vďaka tomu je J3 prvým spojom, kde sa účinnosť (a teda aj riadenie tepla) stáva relevantným rozlišovacím faktorom. Jednostupňová účinnosť 96% pri EP-ZDE-160 produkuje v telese ramena výrazne menej tepla ako dvojstupňová jednotka s účinnosťou 94% počas cyklov nepretržitého uchopenia a umiestnenia.
| Konfigurácia | Maximálny krútiaci moment | Efektívnosť | Ct (N·m/uhlovú minútu) | Hmotnosť (2-stupňová) | Najlepšie pre J3 |
|---|---|---|---|---|---|
| EP-ZDE-160, 16:1 | 800 N·m | 94% | 38 | 22 kg | ✅ T ≤ 700 N·m |
| EP-ZDS-142, 16:1 | 910 N·m | 94% | 44 | 18,5 kg | ✅ J3 s vysokým krútiacim momentom |
| EP-ZDS-115, 20:1 | 260 N·m | 94% | 22 | 11,6 kg | ⚠ Iba ak T ≤ 250 N·m |
Rozhodovacie pravidlo J3: Ak kombinovaný požadovaný krútiaci moment (gravitácia + zrýchlenie × SF) presiahne 700 N·m, špecifikujte EP-ZDS-142 s pomerom 16:1. Ak klesne pod 700 N·m a nevyžaduje sa IP65, je EP-ZDE-160 s pomerom 16:1 nákladovo efektívnejšou voľbou s ekvivalentnou účinnosťou. EP-ZDS-142 poskytuje vyššiu torznú tuhosť (44 oproti 38 N·m/uhlovú minútu) a IP65 ako dodatočnú technickú rezervu pre aplikácie J3, kde je kryt ramena vystavený prostrediu.
J4 a J5 – Zápästné kĺby: Kde axiálna hĺbka definuje dizajn
Zápästné kĺby robota J4 (ohýbanie) a J5 (klb) majú relatívne nízke požiadavky na krútiaci moment – zvyčajne 20 – 80 N·m v závislosti od hmotnosti zápästia a užitočného zaťaženia nástroja. Konštrukčná výzva pri J4/J5 nie je krútiaci moment – je to fyzický priestor. Zápästie sa musí zmestiť do obálky ramena robota a každý milimeter axiálnej hĺbky prevodovky priamo prispieva k vonkajšiemu priemeru alebo dĺžke zápästia. V návrhoch kolaboratívnych robotov zameraných na priemer zápästia 100 mm je rozdiel medzi priamym EP-ZDE-80 a pravouhlým vstupným EP-ZDWE-80 pri J4 rozdielom medzi uskutočniteľným a neuskutočniteľným prierezom zápästia.
Séria EP-ZDWE s pravouhlým vstupom má pri rovnakej veľkosti rámu väčšiu vôľu ako radová séria EP-ZDE (<25–30 arcmin oproti <8 arcmin), ako je vysvetlené v sprievodcovi vôľami. Pre J4/J5 v servoriadených robotoch to nie je problém – slučka polohy serva úplne kompenzuje vôľu v režime polohy s uzavretou slučkou. Vôľa sa stáva relevantnou iba v krokových systémoch s otvorenou slučkou, ktoré sa nepoužívajú pre presné kĺby robotov.
- Cieľový vonkajší priemer zápästia ≤ 130 mm
- Motor nie je možné koaxiálne umiestniť s výstupom prevodovky
- Kolaboratívne robotické zápästie, kde vedenie káblov vyžaduje, aby motor vychádzal zboku
- Servoriadená os (spätná väzba polohy v uzavretej slučke)
- Obal zápästia umožňuje stohovanie koaxiálneho motora a prevodovky
- Požiadavky na presnosť polohovania vyžadujú vôľu <8 arcmin pre čiastočné držanie v otvorenej slučke
- Priemyselný robot (nie kobot), kde je veľkosť zápästia menej obmedzená
- Režim riadenia sily, kde je tuhosť prevodovky kritická
J6 — Rotácia nástroja: Hmotnosť je primárnym kritériom špecifikácie
J6 otáča koncový efektor alebo nástroj. Má najnižšiu požiadavku na krútiaci moment zo všetkých kĺbov (zvyčajne 5 – 20 N·m), najvyššiu trvalú rýchlosť (často 360 – 720 ot./min.) a najmenší rozpočet hmotnosti – pretože každý gram pridaný v J6 pridáva k záťažovému momentu v J5, J4, J3, J2 a J1 v reťazci zloženia. Správny prístup je špecifikovať najmenší rám EP-ZDE, ktorý spĺňa požiadavku na krútiaci moment, zvoliť jednostupňovú jednotku pre maximálnu účinnosť a absolútne minimalizovať hmotnosť.
| Rám EP-ZDE | Krútiaci moment pri 3:1 | Krútiaci moment pri 5:1 | Hmotnosť (1-stupňová) | Maximálna vstupná rýchlosť | Vhodnosť pre J6 |
|---|---|---|---|---|---|
| EP-ZDE-60 | 12 N·m | 16 N·m | 0,9 kg | 4 500 ot./min. | ✅ Najlepšie pre väčšinu J6 |
| EP-ZDE-80 | 40 N·m | 50 N·m | 2,1 kg | 4 500 ot./min. | ⚠ Iba nástroje s ťažkým užitočným zaťažením |
| EP-ZDE-40 | 4,5 N·m | 6 N·m | 0,4 kg | 4 500 ot./min. | Najľahší; pre meniče nástrojov <5 N·m |
Pravidlo J6: Pre štandardného robota J6 s nosnosťou 100 kg zvoľte EP-ZDE-60 v pomere 3:1 alebo 5:1. Pomer zotrvačnosti pri J6 je vynikajúci (≈1,1:1 pri pomere 3:1), účinnosť je 96% (jednostupňová) a hmotnosť prevodovky 0,9 kg zanedbateľne zaťažuje spoje pred ním. Pre aplikácie s ťažkými nástrojmi, kde hmotnosť nástroja presahuje 15 kg a krútiaci moment nástroja dosahuje vrcholy nad 30 N·m, zvoľte EP-ZDE-80.
Kompletná matica výberu os po osi — 6-osový robot s užitočným zaťažením 100 kg
Nasledujúca matica zhrňuje kompletné odporúčania špecifikácií pre 6-osový priemyselný robot s užitočným zaťažením 100 kg, dosahom 1,5 m. Všetky hodnoty krútiaceho momentu zahŕňajú servisný faktor 2,0 pre J1/J2, 1,75 pre J3 a 1,5 pre J4–J6. Pre roboty s ľahším užitočným zaťažením upravte veľkosť rámu úmerne úpravou požiadaviek na krútiaci moment.
| Kĺb | Požadovaná T (N·m) | Pomer | Pomer zotrvačnosti | Min. Ct (N·m/uhl. min.) | IP adresa | Odporúčaná jednotka | Menovitý krútiaci moment (N·m) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| J1 Pás | 800 – 2 000+ | 20:1–25:1 | ≈9:1 (štrukturálne) | ≥44 | IP65 | EP-ZDS-142, 20:1 | 910 |
| J2 Veľké rameno | 600 – 1 500+ | 20:1 | ≈2:1 ✅ | ≥20 | IP65 | EP-ZDS-115, 20:1 | 260 |
| J3 Malá zbraň | 400 – 900 | 16:1 | ≈1,7:1 ✅ | ≥30 | IP54 | EP-ZDS-142, 16:1 | 910 |
| J4 Zápästný valec | 20 – 80 | 8:1 – 16:1 | ≈1,6:1 ✅ | ≥4 | IP54 | EP-ZDWE-80, 8:1 | 45 |
| J5 Zápästný ohyb | 15 – 60 | 8:1 – 16:1 | ≈1,6:1 ✅ | ≥4 | IP54 | EP-ZDWE-60, 10:1 | 12 |
| Nástroj J6 | 5–20 | 3:1 – 5:1 | ≈1,1:1 ✅ | ≥1 | IP54 | EP-ZDE-60, 3:1 | 12 |
Užitočné zaťaženie 100 kg, dosah 1,5 m, referenčný návrh 6-osového priemyselného robota. Krútiace momenty zahŕňajú SF 2.0 (J1/J2), 1,75 (J3), 1,5 (J4–J6). Úmerne škálovateľné pre rôzne triedy užitočného zaťaženia. Konečnú špecifikáciu vám poskytne aplikačný inžinier spoločnosti Korea Ever-Power.
Výber kĺbu kolaboratívneho robota (Cobota) – ak sa špecifikácia líši
Kolaboratívne roboty (coboti) pracujú po boku ľudských pracovníkov bez ochranného oplotenia, čo kladie konštrukčné obmedzenia, ktoré sa výrazne líšia od konvenčných priemyselných robotov. Trieda užitočného zaťaženia je zvyčajne nižšia (3 – 25 kg oproti 50 – 200 kg u priemyselných robotov), rýchlosť ramena je zámerne obmedzená, ale priemer zápästia a celkový tvarový faktor sú náročnejšie – coboti musia byť vizuálne kompaktní a ergonomickí.
Kórejskí výrobcovia OEM kobotov v Suwone, Seongname a Ansane sa pre svoje produktové rady zvyčajne zameriavajú na priemery zápästia 60 – 100 mm. Pri týchto rozmeroch je pravouhlý vstup Séria EP-ZDWE Pri J4 a J5 nie je len preferované – často je to jediné schodné riešenie v rámci cieľového rozsahu zápästia. EP-ZDWE-60 v 1-stupňovom prevedení (L1 = 150 mm, celková výška L12 = 93 mm) umožňuje smerovanie motora vo vnútri tela ramena, pričom prierez zápästia zostáva v rámci 100 mm.
- Nižšie užitočné zaťaženie → menšie rámy: 10 kg kobot J1 používa EP-ZDS-115 namiesto EP-ZDS-190; J6 používa EP-ZDE-40 s hmotnosťou 0,4 kg
- Snímanie sily a krútiaceho momentu na J6: Ak je na riadenie sily potrebný spätný pohon, overte, či je účinnosť prevodovky dostatočná na spoľahlivý spätný výpočet krútiaceho momentu kĺbu z prúdu motora.
- Hluk: kolaboratívne roboty pracujú v blízkosti ľudských pracovníkov – hladiny hluku EP-ZDE/ZDS (55 – 70 dB(A)) sú v prijateľnom rozsahu; vyhýbajte sa trojstupňovým jednotkám, ktoré smerujú k hornej hranici
- IP54 je vo všeobecnosti postačujúce pre typické nasadenia kolaboračných robotov, pokiaľ sa kolaboračný robot nenachádza v zóne spracovania potravín alebo v zóne umývania – v takom prípade platí krytie IP65 (EP-ZDS)
Tri chyby v špecifikácii, ktorých sa výrobcovia OEM robotov bežne dopúšťajú
Aplikácia EP-ZDE na všetky kĺby znamená, že J1/J2 majú nedostatočnú tuhosť (príliš nízke Ct, riziko rezonancie) a J6 má nadváhu. Použitie EP-ZDS na všetky kĺby pridáva 12 – 30 kg zbytočnej hmotnosti k distálnym kĺbom, čím sa zvyšujú požiadavky na krútiaci moment proti prúdu a znižuje dynamický výkon. Správny kusovník (BOM) má aspoň tri rôzne série EP na všetkých šiestich kĺboch.
Inžinieri niekedy špecifikujú vôľu <3 oblúkové minúty v bodoch J1/J2 v domnení, že to zlepšuje presnosť. V týchto spojoch je dominantnou chybou polohy pri zaťažení torzná elastická deformácia (θ = T/Ct), nie vôľa. Pri 1 000 N·m na EP-ZDE-160 (Ct=38) je elastická deformácia 26 oblúkových minút – oveľa väčšia ako akákoľvek špecifikácia vôle. Zníženie vôle z 8 na 3 oblúkové minúty ušetrí 5 oblúkových minút, pričom ignoruje chybu závislú od zaťaženia 26 oblúkových minút. Špecifikácia EP-ZDS s Ct=130 znižuje rovnakú elastickú deformáciu na 7,7 oblúkových minút – čo je 3,4-násobné zlepšenie pri rovnakých alebo nižších nákladoch.
Kórejské roboty pre karosárne pracujú v prostredí s rozstrekom zo zvárania, chladiacou hmlou a pravidelným umývaním linky. Tesnenie IP54 odoláva striekajúcej vode, ale nie je odolné voči dlhodobému vystaveniu alebo tlakovému umývaniu. Prevodovky J1/J2 – najväčšie a najdrahšie v robote – sú zvyčajne umiestnené v spodnej časti, najbližšie k striekajúcej vode a umývacej vode na úrovni podlahy. Jednotka s krytím IP54 v tomto prostredí má efektívnu životnosť 3 000 – 5 000 hodín pred kontamináciou maziva. Stanovenie krytia IP65 (EP-ZDS) pre J1/J2 od začiatku stojí menej ako jedna neplánovaná výmena a zastavenie linky.
Uveďte triedu užitočného zaťaženia robota, dosah ramena, čas cyklu a prevádzkové prostredie. Tím aplikačných inžinierov spoločnosti Korea Ever-Power vám bezplatne vráti kompletnú špecifikáciu série EP pre jednotlivé kĺby s rozpätiami krútiaceho momentu, pomermi zotrvačnosti a analýzou torznej tuhosti – v kórejčine a angličtine – pre kvalifikované projekty OEM.
Zobraziť špecifikácie →
Zobraziť špecifikácie →
Zobraziť špecifikácie →
Redaktor: Cxm
