Thiết bị truyền động khớp siêu nhỏ Φ20mm × 20 mm: Kích thước nhỏ mang lại mô-men xoắn 450 mNm như thế nào

Khi robot trở nên nhỏ hơn và tích hợp nhiều hơn, không gian dành cho mỗi bộ phận chuyển động tiếp tục bị thu hẹp. Điều này tạo ra một vấn đề kỹ thuật thực tế: làm thế nào một robot có thể tạo ra đủ mô-men xoắn khớp khi bộ truyền động phải vừa với một vỏ bọc cơ học rất hạn chế?

Đối với các khớp robot nhỏ gọn, việc giảm kích thước của động cơ chỉ là một phần của giải pháp. Bộ truyền động cũng cần có cấu trúc điện từ hiệu quả, cơ chế giảm tốc phù hợp, phản hồi vị trí và đủ khả năng về nhiệt và cơ cho chu kỳ làm việc dự kiến.

Thiết bị truyền động khớp siêu nhỏ Φ20mm  giải quyết thách thức này bằng hệ số dạng Φ20mm × 20mm nhỏ gọn và cấu trúc động cơ từ thông hướng trục. X20 hàng đầu có thể cung cấp mô-men xoắn liên tục lên tới 450 mNm và mô-men xoắn ban đầu lên tới 800 mNm trong khi vẫn duy trì trọng lượng khoảng 37,2–41,6 g.

Tại sao 20 mm là kích thước quan trọng đối với mô-đun chung

Đường bao Φ20mm × 20 mm để lại rất ít chỗ cho các bộ phận thường được yêu cầu trong một bộ truyền động khớp hoàn chỉnh.

Một mô-đun khớp thực tế có thể cần chứa một động cơ, cơ cấu giảm tốc, bộ mã hóa, PCB hoặc cấu trúc cuộn dây, vòng bi, vỏ, kết nối điện và các bộ phận cơ khí khác. Việc tăng kích thước của bất kỳ thành phần nào cũng có thể ảnh hưởng đến kiến ​​trúc chung hoàn chỉnh.

Điều này trở nên đặc biệt quan trọng trong robot đa trục. Nếu một số bộ truyền động được lắp đặt gần nhau, không gian chiếm giữ của mỗi khớp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước của ngón tay, cánh tay hoặc các cấu trúc khớp nối khác.

Do đó, X20 được thiết kế như một mô-đun khớp tích hợp thay vì chỉ đơn giản là một động cơ độc lập nhỏ. Kiến trúc nhỏ gọn của nó kết hợp hệ thống truyền động và cơ chế giảm tốc trong phạm vi Φ20mm × 20mm.

Mục tiêu là cung cấp mô-men xoắn đầu ra hữu ích mà không cần vỏ khớp lớn hơn nhiều.

Kiến trúc động cơ thông hướng trục hỗ trợ mật độ mô-men xoắn như thế nào

Một trong những công nghệ chủ chốt đằng sau X20 là cấu trúc động cơ từ thông hướng trục.

Trong thiết kế động cơ thông thường, từ thông và các thành phần hoạt động được sắp xếp theo hình dạng xuyên tâm. Động cơ từ thông hướng trục sử dụng cấu hình điện từ khác, có thể cung cấp hệ số dạng nhỏ gọn hơn cho một số ứng dụng nhất định.

Đối với một bộ truyền động khớp thu nhỏ, ưu điểm không chỉ đơn giản là hình dạng vật lý của động cơ. Cấu trúc động cơ cần phải hoạt động cùng với hộp số và vỏ cơ khí để tận dụng hiệu quả thể tích sẵn có.

X20 được thiết kế để mang lại mật độ mô-men xoắn cao hơn 30% so với các thiết kế thông thường trong khi vẫn duy trì kích thước siêu nhỏ gọn.

Mật độ mô-men xoắn đặc biệt có liên quan khi bộ truyền động có giới hạn kích thước nghiêm ngặt. Thay vì chỉ hỏi động cơ có thể tạo ra bao nhiêu mô-men xoắn, các kỹ sư cần xem xét có thể tạo ra bao nhiêu mô-men xoắn trong một thể tích hoặc trọng lượng cụ thể.

Đối với các robot nhỏ gọn, đây có thể là một thông số thiết kế hữu ích hơn so với chỉ riêng công suất tuyệt đối của động cơ.

Làm thế nào mô-men xoắn liên tục 450 mNm phù hợp với một gói nhỏ gọn

X20 cung cấp mô-men xoắn liên tục lên tới 450 mNm.

Đối với mô-đun khớp loại Φ20mm, đầu ra này cần được xem xét cùng với tỷ lệ giảm, điện áp hoạt động, chu kỳ nhiệm vụ và tải trọng cơ học.

Mô-men xoắn liên tục đặc biệt quan trọng khi khớp cần duy trì tải trọng hoặc thực hiện các chuyển động lặp đi lặp lại thay vì chỉ tạo ra một lực bùng nổ trong thời gian ngắn.

Ví dụ, khớp robot có thể cần phải liên tục định vị một cơ chế, giữ một vật thể hoặc di chuyển chống lại lực cản. Trong những trường hợp như vậy, đặc tính mô men xoắn liên tục cung cấp một tham chiếu hữu ích hơn giá trị đỉnh trong thời gian ngắn.

X20 cũng cung cấp mô-men xoắn ban đầu lên tới 800 mNm. Công suất ban đầu cao hơn này có thể phù hợp với các điều kiện chuyển động đòi hỏi mô-men xoắn bổ sung khi bắt đầu vận hành, tùy thuộc vào ứng dụng và chiến lược điều khiển.

Các kỹ sư vẫn nên đánh giá đặc tính tải thực tế thay vì coi các giá trị mô-men xoắn cực đại là điều kiện vận hành phổ biến.

Vai trò của cơ chế thu nhỏ

Bản thân động cơ chỉ là một phần của hệ thống tạo mô-men xoắn.

X20 sử dụng cơ chế giảm thiểu thu nhỏ để chuyển đổi đầu ra của động cơ thành chuyển động khớp cần thiết. Các tỷ số truyền có sẵn là 15:1, 30:1 và 50:1.

Các tỷ lệ khác nhau tạo ra sự kết hợp khác nhau giữa tốc độ đầu ra và mô-men xoắn. Tỷ lệ thấp hơn có thể phù hợp khi cần tốc độ đầu ra cao hơn, trong khi tỷ lệ cao hơn có thể mang lại lợi thế cơ học lớn hơn và chuyển động đầu ra được kiểm soát nhiều hơn.

Điều này làm cho việc lựa chọn tỷ số truyền trở thành một phần quan trọng trong quá trình tích hợp bộ truyền động.

Bàn tay robot, cánh tay robot nhỏ gọn hoặc cơ cấu khớp nối khác có thể có các yêu cầu khác nhau ở mỗi khớp. Các nhà thiết kế nên xem xét liệu một khớp cụ thể có cần chuyển động nhanh hơn, mô-men xoắn đầu ra cao hơn hay sự cân bằng giữa hai yếu tố này hay không.

Ba tùy chọn tỷ số truyền có sẵn giúp các nhà thiết kế hệ thống linh hoạt hơn khi định cấu hình Bộ truyền động khớp siêu nhỏ Φ20mm cho các yêu cầu cơ học khác nhau.

Tùy chọn 12V, 24V và 48V cho các hệ thống khác nhau

X20 hỗ trợ cấu hình 12V, 24V và 48V.

Việc lựa chọn điện áp phải dựa trên kiến ​​trúc điện của robot hoàn chỉnh thay vì chỉ dựa trên bộ truyền động.

Đối với hệ thống nhiều khớp nối, người thiết kế cần xem xét nguồn điện sẵn có, bộ điều khiển động cơ, hệ thống dây điện, khả năng tương thích của bộ điều khiển và số lượng bộ truyền động hoạt động đồng thời.

Một hệ thống đã được thiết kế dựa trên kiến ​​trúc nguồn 24V có thể được hưởng lợi từ việc sử dụng cấu hình bộ truyền động tương thích thay vì đưa ra một mức điện áp riêng. Trong các ứng dụng khác, 12V hoặc 48V có thể phù hợp hơn tùy thuộc vào thiết kế hệ thống.

Việc kiểm tra sớm khả năng tương thích điện áp có thể ngăn chặn những thay đổi không cần thiết đối với kiến ​​trúc nguồn và điều khiển trong các giai đoạn phát triển robot sau này.

Vấn đề trọng lượng khi sử dụng nhiều khớp

X20 nặng khoảng 37,2–41,6 g.

Thoạt nhìn, sự khác biệt vài gam có vẻ nhỏ. Tuy nhiên, hiệu ứng này trở nên rõ ràng hơn khi robot có nhiều khớp dẫn động.

Ví dụ: một bàn tay robot có thể sử dụng một số mô-đun khớp trên nhiều ngón tay. Cơ cấu nhiều trục cũng có thể đặt một số bộ truyền động dọc theo cùng một cấu trúc cơ khí.

Tổng khối lượng của bộ truyền động khi đó sẽ trở thành một phần của tải trọng chuyển động.

Trọng lượng khớp thấp hơn có thể giúp giảm tải cho các cơ cấu ngược dòng và có thể cho phép các nhà thiết kế xây dựng các cấu trúc hỗ trợ nhỏ gọn hơn. Đây là một lý do tại sao việc cân nhắc giữa mô-men xoắn trên trọng lượng và mật độ mô-men xoắn lại quan trọng khi lựa chọn bộ truyền động cho hệ thống robot nhẹ.

Bộ mã hóa từ tính tuyệt đối cho phản hồi vị trí chung

X20 tích hợp bộ mã hóa từ tính tuyệt đối.

Bộ mã hóa cung cấp phản hồi vị trí cho hệ thống điều khiển, cho phép bộ điều khiển giám sát vị trí góc của khớp. Trong một cơ chế robot nhỏ gọn, thông tin vị trí đáng tin cậy là điều cần thiết vì một số khớp có thể cần phối hợp chuyển động của chúng.

Bộ mã hóa tuyệt đối có thể cung cấp thông tin vị trí trực tiếp thay vì chỉ dựa vào việc theo dõi chuyển động gia tăng từ một điểm tham chiếu đã biết.

Đối với các ứng dụng như tay robot, bộ điều khiển nhỏ gọn và các hệ thống đa trục khác, loại phản hồi này có thể hỗ trợ hoạt động khớp được kiểm soát tốt hơn.

Bộ mã hóa cũng cần phải nằm gọn trong cùng một vỏ cơ khí nhỏ gọn. Do đó, việc tích hợp cảm biến vào một bộ truyền động nhỏ đòi hỏi phải xem xét cả thiết kế điện và cơ khí ngay từ đầu.

Giao tiếp SPI trong một hệ thống khớp nhỏ gọn

Bộ truyền động sử dụng giao tiếp SPI để điều khiển kỹ thuật số và trao đổi dữ liệu.

Đối với robot đa khớp, giao diện truyền thông cần phải tương thích với bộ điều khiển và kiến ​​trúc điện tử tổng thể. Các nhà thiết kế nên xem xét cách kết nối các bộ truyền động riêng lẻ, cách trao đổi dữ liệu và cách hệ thống điều khiển sẽ phối hợp nhiều khớp.

SPI có thể được tích hợp vào các hệ thống điều khiển nhúng nhỏ gọn, giúp nó phù hợp với các ứng dụng mà bộ truyền động cần giao tiếp trực tiếp với bộ điều khiển cục bộ hoặc kiến ​​trúc điện tử khác.

Trước khi chọn bộ truyền động, các kỹ sư nên xác nhận khả năng tương thích giao tiếp cùng với các yêu cầu về điện áp, kích thước cơ học và bộ mã hóa.

Yếu tố hình thức 20 mm có thể kích hoạt những gì

Mô-đun khớp nối nhỏ gọn có thể hữu ích trong các ứng dụng mà sự kết hợp giữa động cơ và hộp giảm tốc thông thường chiếm quá nhiều không gian.

Các ứng dụng tiềm năng bao gồm bàn tay robot khéo léo, cánh tay robot nhỏ gọn, cơ cấu khớp nối nhẹ, thiết bị y tế, dụng cụ chính xác, thiết bị thông minh và các máy móc tích hợp cao khác.

Kích thước Φ20mm × 20mm có thể đặc biệt phù hợp khi nhiều mối nối phải được đặt gần nhau. Thay vì thiết kế một lớp vỏ lớn bên ngoài xung quanh một động cơ và hộp số riêng biệt, các kỹ sư có thể làm việc với kiến ​​trúc khớp tích hợp hơn.

Điều này có thể đơn giản hóa việc đóng gói cơ học và giúp phân bổ không gian cho nhiều trục chuyển động dễ dàng hơn.

Do đó, Bộ truyền động khớp siêu nhỏ Φ20mm không chỉ được xác định bởi đường kính 20 mm của nó. Giá trị của nó đến từ việc kết hợp các kích thước nhỏ gọn với công suất mô-men xoắn, khả năng giảm tốc, phản hồi, giao tiếp và thiết kế cơ khí tích hợp.

Phương pháp tiếp cận của VAXOR đối với các hệ thống chuyển động nhỏ gọn

VAXOR được thành lập vào năm 2024 và có trụ sở tại Tô Châu, Trung Quốc. Công ty phát triển các bộ truyền động khớp vi mô và động cơ không lõi siêu vi cho robot, thiết bị y tế, dụng cụ chính xác và thiết bị thông minh.

Lộ trình công nghệ của nó tập trung vào kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao và sản xuất có thể mở rộng. Công ty kết hợp động cơ từ thông hướng trục, cuộn dây PCB/FPCB, thiết kế điện từ được tối ưu hóa và cơ chế giảm thiểu thu nhỏ để phát triển các giải pháp truyền động vi mô với mật độ công suất cao và phản hồi nhanh.

Nhóm kỹ thuật đa ngành của VAXOR bao gồm thiết kế động cơ, sản xuất chính xác, thiết kế kết cấu, điều khiển robot và sản xuất thông minh. Quá trình phát triển của nó kéo dài từ việc xác nhận nguyên mẫu và sản xuất thử nghiệm cho đến giao hàng theo lô.

Phương pháp kỹ thuật này rất quan trọng đối với những khách hàng cần vượt ra ngoài các nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm và tích hợp các bộ truyền động thu nhỏ vào các sản phẩm robot có thể lặp lại.

Các kỹ sư nên đánh giá một bộ truyền động mô-men xoắn cao nhỏ như thế nào

Không nên chọn thiết bị truyền động nhỏ chỉ dựa trên đường kính. Các kỹ sư nên đánh giá các yêu cầu vận hành hoàn chỉnh của mối nối.

Các yếu tố quan trọng bao gồm:

• Không gian lắp đặt sẵn có

• Yêu cầu mô-men xoắn liên tục và ban đầu

• Tỷ số truyền mong muốn

• Yêu cầu về tốc độ chung

• Điện áp hoạt động

• Loại mã hóa

• Giao diện truyền thông

• trọng lượng thiết bị truyền động

• Chu kỳ nhiệm vụ

• Điều kiện nhiệt

• Yêu cầu lắp đặt cơ khí

Ví dụ: việc chọn tỷ lệ giảm 50:1 có thể cung cấp đặc tính đầu ra khác với cấu hình 15:1. Tương tự, việc chọn cấu hình bộ truyền động 48V có thể yêu cầu kiến ​​trúc nguồn và trình điều khiển khác với hệ thống 12V.

Do đó, cấu hình tốt nhất phụ thuộc vào cách sử dụng bộ truyền động chứ không phụ thuộc vào một thông số kỹ thuật duy nhất.

Cân bằng kích thước, mô-men xoắn và tích hợp

Thách thức của robot thu nhỏ không chỉ đơn giản là làm cho mọi bộ phận trở nên nhỏ hơn. Một bộ truyền động khớp hữu ích cần duy trì đủ công suất đầu ra trong khi lắp vào một không gian cơ học hạn chế.

X20 tiếp cận vấn đề này thông qua kiến ​​trúc động cơ từ thông hướng trục, cơ chế giảm thiểu thu nhỏ, bộ mã hóa từ tính tuyệt đối tích hợp và bao bì cơ khí nhỏ gọn.

Với kích thước Φ20mm × 20 mm, mô-men xoắn liên tục lên tới 450 mNm, mô-men xoắn ban đầu lên tới 800 mNm, ba tùy chọn tỷ số truyền, ba cấu hình điện áp và trọng lượng 37,2–41,6 g, Bộ truyền động khớp siêu nhỏ Φ20mm cung cấp sự kết hợp giữa kích thước và đặc tính đầu ra nhằm vào các hệ thống chuyển động tích hợp cao.

Đối với các kỹ sư đang phát triển các khớp nối robot nhỏ gọn, câu hỏi quan trọng không chỉ đơn giản là liệu động cơ có thể vừa với kích thước 20 mm hay không. Vấn đề là liệu bộ truyền động hoàn chỉnh có thể cung cấp các chức năng mô-men xoắn, phản hồi, truyền động và điều khiển cần thiết trong cùng một không gian giới hạn đó hay không. Đó là lúc Bộ truyền động khớp siêu nhỏ Φ20mm tích hợp có thể trở thành một lựa chọn thiết thực cho các thiết kế robot nhỏ gọn.