Электродвигатели обычно работают эффективнее на сравнительно высоких оборотах, тогда как суставу манипулятора или колесу мобильной платформы требуются меньшая скорость и больший крутящий момент. Согласовать эти параметры в робототехнике помогает редуктор. Он уменьшает частоту вращения выходного вала, увеличивает доступный момент с учётом передаточного отношения и потерь в механизме.
Что такое редуктор в робототехнике
Редуктор — механическая передача, которая преобразует частоту вращения и крутящий момент между входным и выходным валами. В приводах роботов чаще всего используют понижающие конструкции. Выходной вал вращается медленнее входного, но развивает больший момент. Передаточное отношение зависит от числа зубьев и кинематической схемы механизма.
Зачем роботу редуктор
Редуктор позволяет использовать компактный высокооборотный мотор там, где исполнительному механизму требуются сравнительно низкая скорость и большой момент. Понижающую передачу ставят в суставах манипуляторов, колёсных приводах, поворотных столах и других подвижных узлах.
Редуктор в робототехнике выполняет несколько задач:
- Согласует момент. После редукции выходной вал может развивать момент, во много раз превышающий момент двигателя. Фактический прирост зависит от передаточного отношения и КПД.
- Снижает частоту вращений. Двигатель работает в подходящем для него режиме, звено манипулятора движется с заданной скоростью.
- Повышает точность управления. Редуктор позволяет задавать положение выходного звена. Фактическая точность зависит также от энкодера, люфта и жёсткости механизма.
- Удерживает нагрузку. Редуктор уменьшает момент, который двигатель должен создавать для удержания звена. Но обычный редуктор сам по себе не гарантирует фиксацию оси после отключения питания. Для этого применяют механический тормоз либо передачу с подтверждённым производителем самоторможением.
Виды редукторов, применяемых в робототехнике
Для компактных сервоприводов востребованы планетарные и волновые механизмы. Если требуется расположить входной и выходной валы под углом, применяют червячные редукторы. Такую передачу выбирают из-за возможности самоторможения, но это свойство должно быть подтверждено производителем. Параметры конкретного изделия проверяют по каталогу.
| Параметр | Планетарный | Волновой | Червячный |
| Передаточное отношение | Обычно 3:1–10:1 на ступень | Обычно 30:1–160:1 в одной ступени; другие значения встречаются у специальных и многоступенчатых исполнений | Широкий диапазон |
| КПД | Высокий у одной ступени, снижается с числом ступеней | Зависит от типоразмера, передаточного отношения, нагрузки и других параметров; у отдельных изделий достигает примерно 90% | Зависит от геометрии; у самотормозящихся вариантов сравнительно низкий |
| Люфт | От малого до умеренного | Малый или нулевой в зубчатом зацеплении | Зависит от исполнения и регулировки |
| Применение | Мобильные платформы, компактные приводы, оси манипуляторов | Точные суставы и поворотные оси | Подъёмные и поворотные механизмы |
Планетарные
Редукторы с соосным расположением валов и высокой нагрузочной способностью. В простой схеме такие устройства состоят из солнечной шестерни, сателлитов и кольцевого колеса.
Нагрузка распределяется между несколькими сателлитами. За счёт этого механизм передаёт значительный момент при компактных размерах. Для получения большого общего передаточного отношения последовательно соединяют несколько ступеней. Их число влияет на массу, длину, люфт и КПД.
Волновые
Волновой редуктор обеспечивает большое передаточное отношение в одной ступени, компактную осевую длину и очень малый люфт. Такие механизмы применяют в точных суставах промышленных и коллаборативных роботов.
В состав классической волновой передачи входят
- генератор волн;
- гибкое зубчатое колесо;
- жёсткое колесо.
Генератор деформирует гибкое колесо, заставляя его зубья последовательно входить в зацепление с жёстким венцом. Небольшая разница в числе зубьев обеспечивает высокое передаточное отношение.
Производители некоторых готовых волновых редукторов заявляют нулевой люфт в зубчатом зацеплении. Но весь механизм сохраняет конечную крутильную жёсткость, под нагрузкой возникают упругая деформация и гистерезис. Поэтому выражение «нулевой люфт» нельзя приравнивать к нулевой погрешности позиционирования.
Ограничения волновых редукторов: чувствительность к перегрузке, относительно высокая стоимость производства, зависимость ресурса от правильного подбора размера и рабочего цикла.
Червячные
В червячной передаче вращение передаётся с червяка (винтового вала) на червячное колесо. Входной и выходной валы обычно расположены под прямым углом, что удобно для некоторых компоновок роботов.
Контакт сопровождается значительным трением скольжения. Из-за этого КПД может быть ниже, а тепловыделение — выше, чем у планетарной передачи. На результат влияют угол подъёма витка, число заходов червяка, материалы пары, смазка, скорость и нагрузка.
Некоторые червячные передачи обладают статическим самоторможением и не допускают вращения от выходного вала. Это свойство указывают в документации производителя. Для безопасного удержания вертикальной оси может потребоваться отдельный тормоз.
Как выбрать редуктор для робота
Для подбора используйте инструкцию:
- Определите статический момент. Для груза массой m на горизонтальном плече длиной L используйте формулу M = m × g × L. Отдельно учтите массу самого звена, инструмента и других деталей.
- Рассчитайте динамическую нагрузку. К статическому моменту добавьте момент, необходимый для разгона вращающихся масс. Он зависит от момента инерции и углового ускорения.
- Определите передаточное отношение. Для этого сопоставьте рабочую скорость двигателя с требуемой скоростью выходного звена.
- Проверьте режимы нагрузки. Сравните расчётные значения с номинальным, повторяющимся пиковым и максимально допустимым кратковременным моментом конкретного редуктора.
- Оцените ресурс и нагрев. Производители могут задавать допустимый среднеквадратичный момент, продолжительность включения, предельную входную скорость и температурный режим.
- Проверьте люфт, точность и жёсткость. Для прецизионной оси одного значения люфта недостаточно: нужны данные о кинематической погрешности, запаздывании выходного вала при смене направления вращения и крутильной жёсткости.
- Учтите внешние нагрузки. Радиальные, осевые и опрокидывающие моменты должны укладываться в возможности выходных подшипников.
Совместимость редуктора с приводом и контроллером
Редуктор подбирают с учётом характеристик двигателя, системы управления и механической нагрузки. Проверяют следующие параметры:
| Что проверить | С чем согласовать | Почему это важно |
| Номинальный и пиковый момент | Двигатель, редуктор, рабочий цикл | Перегрузка сокращает ресурс и может повредить передачу |
| Входную скорость | Максимальные обороты двигателя | Превышение допустимой скорости вызывает нагрев и ускоренный износ |
| Передаточное отношение | Требуемые момент и скорость выходного звена | Ошибка в подборе = недостаточный момент или неподходящая скорость |
| Входной вал и фланец | Посадочные размеры двигателя | Если размеры несовместимы, потребуется переходный фланец или муфта |
| Момент инерции | Двигатель, редуктор и нагрузка | Момент инерции влияет на динамику оси и настройку регулятора |
| Радиальные и осевые нагрузки | Подшипники редуктора | Из-за превышения допустимых значений снижается ресурс выходного узла |
| Люфт и крутильную жёсткость | Требуемая точность позиционирования | Эти параметры влияют на фактическое положение звена под нагрузкой |
| Передаточное отношение в настройках | Контроллер и энкодер | Неверный коэффициент приводит к ошибкам скорости и перемещения |
| Интерфейс обратной связи | Тип энкодера и поддерживаемый контроллером протокол | Несовместимый датчик нельзя подключить к контроллеру напрямую |
| Напряжение и ток | Двигатель, контроллер и источник питания | Из-за несогласованных электрических параметров оборудование может отказать |
Когда редуктор не нужен
Понижающая передача нужна не каждой робототехнической системе. В отдельных случаях прямой привод обеспечивает лучшие динамические и точностные характеристики.
От редуктора можно отказаться при следующих условиях:
- Двигатель прямого привода развивает требуемый момент. Моментный мотор можно установить непосредственно на ось без промежуточной передачи.
- Требуется исключить люфт и периодическую кинематическую погрешность редуктора. При этом нужно учитывать погрешности подшипников, датчика и конструкции.
- Система воспринимает внешнее усилие и легко вращается в обратную сторону. Высокое передаточное отношение увеличивает приведённое сопротивление и может ухудшить обратимость привода.
- Критична высокая полоса пропускания контура. Упругость, трение и гистерезис передачи усложняют управление быстродействующей осью.
Прямой привод тоже имеет ограничения. Для получения большого момента могут потребоваться увеличенный диаметр, более высокий ток, эффективное охлаждение и мощный контроллер.
Практический пример применения
Плечевой сустав манипулятора должен удерживать груз массой 10 кг на расстоянии 0,5 м от оси. Такая нагрузка создаёт момент около 49 Н·м. Если выбранный мотор не может длительно создавать такой момент, применяют редуктор или переходят на прямой привод.
При передаточном отношении 120:1 он уменьшает скорость вращения и многократно увеличивает крутящий момент. Точные параметры рассчитывают с учётом КПД, массы звена, ускорения и пиковых нагрузок. После этого выбранную модель проверяют по допустимому моменту, скорости и ресурсу.
Ответы на часто задаваемые вопросы
Можно ли в роботе обойтись без редуктора?
Да, если двигатель прямого привода обеспечивает требуемые момент и скорость.
Какой редуктор точнее: планетарный или волновой?
Высокоточный волновой редуктор обычно имеет меньший люфт и большее передаточное отношение в одной ступени. Но точность нельзя определить только по типу передачи. Необходимо сравнивать множество параметров и их изменения под нагрузкой.
Что означает передаточное отношение редуктора?
Для примера возьмём отношение 50:1. Оно означает, что в типовой понижающей схеме входной вал совершает 50 оборотов за 1 оборот выходного. Скорость уменьшается примерно в 50 раз, теоретический момент возрастает пропорционально этому отношению.
Почему червячный редуктор греется сильнее?
В червячной паре значительная часть относительного движения зубьев приходится на скольжение. Трение преобразует часть механической энергии в тепло. Интенсивность нагрева зависит от геометрии передачи, нагрузки, скорости, материалов и смазки. Тепловой режим проверяют по характеристикам конкретной модели.
Как понять, что редуктор изношен?
На износ могут указывать увеличение люфта и вибрации, изменение шума, перегрев, утечка смазки. Решение о ремонте или замене принимают по результатам диагностики и допускам производителя.
В каталоге «ИнноДрайв» представлены планетарные, волновые, червячные и другие малогабаритные редукторы. Чтобы подобрать подходящие устройства, проконсультируйтесь с нашими специалистами. Для оформления заказа нажмите «Запросить» в карточке товара.
