Дослідження переваг циклоїдних редукторів у робототехніці

Висока щільність крутного моменту та компактна конструкція для роботизованих шарнірів із обмеженим простором

Порівняння щільності крутного моменту: циклоїдні, гармонійні та планетарні редуктори в модулях шарнірів

Циклоїдальні редуктори мають справжню потужність щодо щільності крутного моменту — зазвичай вони досягають близько 5 Н·м на кубічний сантиметр або більше. Ці компактні пристрої мають діаметр менше 80 мм і, за промисловими стандартами, перевершують планетарні редуктори за співвідношенням крутного моменту до об’єму приблизно на 40–60 %. Гармонійні передачі забезпечують подібні переваги у розмірах, але коштують дорожче. Їхній виробничий процес складний, а матеріали — дорогі, що збільшує вартість приблизно на 30–50 % для того самого значення крутного моменту. Щодо планетарних зубчастих передач — вони просто не можуть конкурувати, коли йдеться про діаметри менше 100 мм, через проблеми, пов’язані з багатоступінчастим зачепленням. Практична вигода? Роботизовані шарніри, побудовані на основі циклоїдальної технології, здатні сприймати раптові ударні навантаження, які перевищують їхню номінальну межу більш ніж у п’ять разів. Це має велике значення для колаборативних роботів, що працюють поруч із людьми, де неочікувані зовнішні сили є частиною повсякденної роботи.

Джерело: аналіз вимог до промислових роботизованих суглобів, проведений компанією CNC Proto Labs у 2024 році

Забезпечує надтонкі зап’ястя та модульні актуатори за рахунок високого передатного числа й низькопрофільного редуктора

Циклоїдальні редуктори з їхнім струнким осьовим профілем (менше 50 мм) можуть бути безпосередньо встановлені в семивісних роботизованих зап’ястях, де звичайні редуктори займають майже вдвічі більше місця. Компактні розміри дозволяють цим редукторам забезпечувати одноступеневе зниження передачі в діапазоні до 1:100, що усуває додаткові шестерні, які споживають енергію в таких пристроях, як АГВ і навіть делікатні хірургічні роботи. Великі виробники відзначили зменшення маси актуаторів приблизно на 25 % завдяки цій технології, при цьому вони й надалі відповідають суворим стандартам ISO/TS 15066 щодо обмежень зусиль. Крім того, монолітний корпус з високоміцного матеріалу стійкий до значного зносу й пошкоджень і зберігає свою цілісність навіть після десятків тисяч годин роботи без деформацій чи руйнувань.

Майже нульовий люфт і виняткова точність позиціонування для вимогливих завдань автоматизації

Як архітектура циклоїдного редуктора забезпечує повторюваність <±5 кутових секунд у точному збиранні

Те, що робить циклоїдальні редуктори винятковими, — це їхня здатність забезпечувати надзвичайно точне позиціонування завдяки особливостям їхнього принципу роботи. На відміну від звичайних передач, у яких у будь-який момент часу в зачепленні перебуває лише один зуб, ці редуктори підтримують одночасний контакт кількох зубів між штирями й кулачками протягом усього циклу роботи. Цей витриманий механічний дизайн практично повністю усуває люфт від самого початку. Який результат? Повторюваність до приблизно 5 кутових секунд — це має велике значення під час збирання чутливих електронних компонентів або медичного обладнання, де навіть незначні неточності в позиціонуванні можуть призвести до серйозних проблем. Оскільки навантаження розподіляється між кількома точками контакту, а не концентрується на окремих ділянках, відбувається значно менше деформації під час роботи. Це означає, що обладнання залишається стабільним навіть після мільйонів циклів роботи без потреби постійних механічних коригувань або складних програмних виправлень для компенсації механічних похибок.

Динамічна продуктивність реверсування: стабільна передача крутного моменту та спрощена настройка сервоприводу для тактильних і співпрацюючих застосувань

Циклоїдальні редуктори відіграють ключову роль у співпрацюючій робототехніці та гаптичних системах, оскільки дозволяють миттєво змінювати напрямок крутного моменту без будь-яких втрат руху. Конструкція практично не має люфту, що означає, що сили передаються стабільно навіть під час раптової зміни напрямку. Це дуже важливо для забезпечення безпеки взаємодії між людиною та роботом. Крім того, згідно з галузевими даними, це скорочує час, який інженери витрачають на точну настройку сервоприводів, приблизно на 40 відсотків. Коли виробники інтегрують ці компоненти у свої системи, вони автоматично відповідають стандартам ISO/TS 15066 щодо контролю зусиль під час співпрацюючих операцій, наприклад, точного встановлення малих деталей. Їхньою відмінною рисою є здатність реагувати на неочікувані перешкоди протягом часток мілісекунди, що робить весь процес безпечнішим і одночасно забезпечує більш плавну роботу в цілому.

Підвищена стійкість до ударних навантажень та надійна поведінка при деградації в критичних для місії середовищах

Емпірична стійкість до ударних навантажень: продуктивність, що відповідає стандарту ISO/TS 15066, для співпрацюючих та промислових роботизованих маніпуляторів

Циклоїдальні редуктори дійсно добре поглинають ударні навантаження й відповідають стандартам безпеки ISO/TS 15066 для співпрацюючих роботів. Завдяки конструкції цих редукторів з елементами кочення ударні сили розподіляються між кількома зубцями, тому вони можуть витримувати досить інтенсивні навантаження, що іноді перевищують їхню номінальну потужність утричі. Гармонійні передачі, як правило, виходять із ладу одномоментно при сильному ударі, тоді як циклоїдальні блоки зношуються поступово й передбачувано. Це означає, що служби технічного обслуговування можуть планувати роботи заздалегідь замість реагування на неочікувані поломки, що, за даними деяких досліджень, скорочує простої на близько 45 % на автомобільних заводах. Через такий поступовий характер зношення крутний момент залишається стабільним навіть після багатьох ударних подій. Саме тому ці редуктори стали незамінними в таких галузях, як аерокосмічна промисловість, де деталі потребують обережного поводження, а також у виробництві медичного обладнання, де діють жорсткі обмеження щодо максимально допустимого зусилля, що може бути прикладене до делікатних компонентів.

Висока крутна жорсткість і швидка динамічна відповідь для спритного керування рухом з високою смугою пропускання

Що робить циклоїдальні редуктори особливо вираженими, так це їхня надзвичайна крутна жорсткість, яка завдяки одночасному розподілу навантажень між кількома точками контакту може перевищувати 200 000 Н·м/рад. Такий рівень жорсткості означає, що при раптових змінах навантаження практично не виникає кутового деформування, і тому положення залишаються точними навіть під час швидких рухів. У поєднанні з практично нульовим люфтом ці редуктори здатні працювати на частотах керування понад 100 Гц і стабілізуватися всього за 10 мс після різкої зміни напрямку. Саме тому вони є надзвичайно цінними для застосувань, де важлива швидкість, наприклад, у лініях виробництва електроніки та упакувальних системах. Крім того, оскільки крутний момент передається миттєво, налаштування сервоприводів стає значно простішим. Система залишається стабільною незалежно від типу навантаження, уникуючи тих неприємних коливань або перевищення заданих значень, які характерні для інших систем.