Kết hợp mô-men xoắn của bộ truyền động khớp siêu nhỏ với tải trọng của rô-bốt cộng tác

Robot cộng tác cần thực hiện các chuyển động chính xác, lặp lại trong khi hoạt động trong không gian chật hẹp và giới hạn trọng lượng. Cho dù robot đang xử lý các bộ phận nhỏ, hỗ trợ các nhiệm vụ trong phòng thí nghiệm hay thực hiện lắp ráp tinh vi, bộ truyền động khớp của nó phải cung cấp đủ mô-men xoắn để di chuyển tải mà không ảnh hưởng đến độ chính xác định vị hoặc tốc độ phản hồi. Tuy nhiên, việc chọn một bộ truyền động chỉ dựa trên mô-men xoắn có thể dẫn đến các vấn đề về độ ổn định, tiêu thụ điện năng và tích hợp cơ học.

Đối với các kỹ sư đang phát triển các khớp robot nhỏ gọn, việc lựa chọn mô-men xoắn nên bắt đầu từ các điều kiện tải thực tế và biên dạng chuyển động dự định. Mối quan hệ giữa tải trọng, hình dạng khớp, khả năng tăng tốc và tỷ số giảm tốc xác định hệ thống truyền động cần cung cấp bao nhiêu mô-men xoắn. Bộ truyền động khớp siêu nhỏ Φ25mm được kết hợp phù hợp có thể giúp cân bằng các yêu cầu này trong rô-bốt cộng tác và cấu trúc rô-bốt mô phỏng sinh học nơi không gian lắp đặt bị hạn chế.

Tại sao việc khớp mô-men xoắn lại quan trọng trong rô-bốt cộng tác

Trong một robot cộng tác, mọi khớp đều góp phần vào chuyển động của toàn bộ cơ chế. Khớp vai hỗ trợ cánh tay mở rộng phải đối mặt với các yêu cầu khác nhau so với khớp cổ tay xoay một dụng cụ kẹp nhẹ. Ngay cả khi cả hai khớp đều sử dụng bộ truyền động nhỏ gọn, yêu cầu về mô-men xoắn của chúng có thể khác nhau đáng kể.

Ba điều kiện hoạt động đáng được quan tâm đặc biệt.

Đầu tiên, bộ truyền động phải hỗ trợ tải tĩnh. Khi cánh tay robot giữ một vật thể mà không di chuyển, trọng lực có thể tạo ra nhu cầu mô-men xoắn liên tục tại khớp. Nhu cầu này tăng lên khi tải trọng nặng hơn hoặc được đặt xa trục khớp hơn.

Thứ hai, bộ truyền động phải xử lý việc tăng tốc và giảm tốc. Hướng khởi động, dừng và đảo chiều yêu cầu mô-men xoắn bổ sung vượt quá mức cần thiết để duy trì vị trí đứng yên. Những thay đổi thường xuyên trong chuyển động có thể làm cho khả năng mô-men xoắn cực đại trở nên đặc biệt quan trọng.

Thứ ba, bộ truyền động phải duy trì chất lượng chuyển động ở mức chấp nhận được. Bộ truyền động có thể di chuyển tải nhưng gặp khó khăn trong việc điều khiển nó một cách chính xác có thể gây ra rung động, lỗi định vị hoặc xử lý không nhất quán. Do đó, các kỹ sư cần đánh giá mô-men xoắn cùng với phản hồi của bộ mã hóa, hiệu suất truyền thông và các đặc tính cơ học của khớp hoàn chỉnh.

Những yếu tố này giải thích tại sao việc chọn một bộ truyền động vi mô chỉ vì kích thước của nó phù hợp với robot là chưa đủ. Bộ truyền động phải đáp ứng được nhu cầu cơ học thực tế của ứng dụng.

Tính toán mô men xoắn yêu cầu của tải trọng chung

Điểm khởi đầu thực tế là ước tính mô-men xoắn được tạo ra bởi tải trọng và các bộ phận khác được hỗ trợ bởi khớp. Đối với tải trọng tác dụng ở khoảng cách tính từ trục quay, mô men quay hấp dẫn có thể xấp xỉ bằng:

Mô-men xoắn = Khối lượng × Gia tốc trọng trường × Khoảng cách vuông góc

Ví dụ, hãy xem xét một khớp đỡ tải 0,5 kg có trọng tâm cách trục khớp 0,1 m. Khi cánh tay nằm ngang, mômen quay trọng trường gần đúng do tải trọng đó gây ra là:

0,5 × 9,81 × 0,1 = 0,4905 N·m

Điều này tương đương với khoảng 491 mN·m. Việc tính toán chỉ tính đến tải trọng quy định chứ không tính đến trọng lượng của các liên kết rô-bốt, bộ kẹp, dây cáp hoặc các bộ phận khác. Những đóng góp đó cũng phải được xem xét ở chỗ chúng tạo ra mô-men xoắn xung quanh khớp.

Hoạt động động đưa ra các yêu cầu bổ sung. Một mô hình quay đơn giản hóa là:

Mô-men xoắn cần thiết = Mô-men quán tính + Mô-men xoắn hấp dẫn + Mô-men xoắn ma sát

Thành phần quán tính phụ thuộc vào quán tính quay của bộ phận chuyển động và gia tốc góc của nó. Thành phần trọng lực thay đổi theo hướng khớp, trong khi tổn thất ma sát và truyền động ảnh hưởng đến mô-men xoắn có sẵn ở đầu ra.

Trong thực tế, các kỹ sư nên đánh giá các vị trí vận hành và biên dạng chuyển động đòi hỏi khắt khe nhất thay vì dựa vào một phép tính tĩnh duy nhất. Sau đó, yêu cầu mô-men xoắn thu được có thể được so sánh với các thông số mô-men xoắn ban đầu và liên tục của bộ truyền động.

Hiểu mô-men xoắn liên tục và mô-men xoắn ban đầu

Mô-men xoắn liên tục và mô-men xoắn ban đầu mô tả các khía cạnh khác nhau của hoạt động của bộ truyền động. Việc coi chúng là có thể hoán đổi cho nhau có thể dẫn đến sự lựa chọn không phù hợp.

Mô-men xoắn liên tục cho biết mô-men xoắn mà bộ truyền động có thể duy trì trong các điều kiện vận hành được chỉ định. Nó đặc biệt có liên quan khi khớp phải giữ hoặc di chuyển tải trọng trong thời gian dài. Sản lượng liên tục cho phép phụ thuộc vào các yếu tố như điều kiện nhiệt, tốc độ vận hành, chu kỳ làm việc và phương pháp đánh giá của nhà sản xuất.

Mô-men xoắn ban đầu mô tả khả năng mô-men xoắn trong thời gian ngắn liên quan đến việc khởi động hoặc vượt qua tải đòi hỏi khắt khe, theo thông số kỹ thuật hiện hành của sản phẩm. Nó có thể giúp đánh giá nhu cầu vận hành ngắn hạn nhưng không nên coi nó như một mức mô-men xoắn có sẵn liên tục.

Bộ truyền động khớp siêu nhỏ Φ25mm của VAXOR cung cấp mô-men xoắn liên tục được chỉ định lên tới 1150 mN·m và mô-men xoắn ban đầu lên tới 1800 mN·m. Những số liệu này cung cấp cho các kỹ sư những điểm tham khảo hữu ích khi đánh giá các ứng dụng khớp nối nhỏ gọn. Bản thân chúng không thiết lập sự phù hợp cho mọi tải trọng hoặc chu kỳ nhiệm vụ; các điều kiện vận hành và đường cong hiệu suất chi tiết cũng phải được xem xét.

Quy trình lựa chọn hợp lý sẽ đảm bảo duy trì nhu cầu mô-men xoắn trong giới hạn vận hành liên tục hiện hành và xác minh rằng nhu cầu trong thời gian ngắn vẫn nằm trong điều kiện vận hành ban đầu hoặc cao điểm cho phép.

Chọn tỷ số truyền cho chuyển động cần thiết

Tỷ số truyền ảnh hưởng đến mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và mômen đầu ra. Tỷ số giảm cao hơn thường làm tăng mô-men xoắn có sẵn ở đầu ra trong khi giảm tốc độ đầu ra, tùy thuộc vào hiệu suất truyền động và đặc tính của động cơ và bộ giảm tốc.

Đối với robot cộng tác, điều này tạo ra sự đánh đổi thực tế. Khớp được thiết kế để định vị có kiểm soát dưới tải trọng tương đối nặng có thể được hưởng lợi từ tỷ lệ giảm tốc khác với khớp được thiết kế để chuyển động nhanh với bộ phận tác động cuối nhẹ.

Bộ truyền động VAXOR Φ25mm có sẵn với tỷ số truyền là 30 và 50. Các tùy chọn này cung cấp điểm khởi đầu để đánh giá các kết hợp khác nhau giữa các yêu cầu về tốc độ đầu ra và mô-men xoắn.

Khi so sánh hai tỷ lệ này, các kỹ sư nên xem xét cấu hình chuyển động hoàn chỉnh. Các câu hỏi quan trọng bao gồm:

• Tốc độ đầu ra cần thiết trong quá trình hoạt động bình thường là bao nhiêu?

• Cần bao nhiêu mô-men xoắn trong quá trình tăng tốc và giảm tốc?

• Khớp có cần thay đổi hướng thường xuyên không?

• Lực quán tính cơ học của hộp số tăng thêm bao nhiêu?

• Bộ truyền động có thể duy trì độ chính xác định vị cần thiết dưới tải dự kiến ​​không?

Tỷ lệ cao hơn không tự động được coi là lựa chọn tốt hơn. Lựa chọn cuối cùng phụ thuộc vào sự cân bằng giữa mô-men xoắn, tốc độ, khả năng phản hồi và yêu cầu điều khiển. Các kỹ sư nên xác nhận hiệu suất đầu ra khả dụng cho từng cấu hình trước khi hoàn thiện thiết kế.

Đánh giá các yêu cầu phản hồi và giao tiếp

Công suất mô-men xoắn xác định liệu khớp có thể tạo ra đủ lực cơ học hay không, nhưng phản hồi và giao tiếp xác định mức độ hiệu quả của robot có thể điều phối chuyển động đó.

Bộ mã hóa tuyệt đối cung cấp thông tin vị trí được tham chiếu đến vị trí tuyệt đối trong phạm vi đo được chỉ định. Tùy thuộc vào thiết kế bộ mã hóa và kiến ​​trúc hệ thống, điều này có thể đơn giản hóa việc khởi tạo vị trí và hỗ trợ phản hồi vị trí khớp nhất quán. Các kỹ sư vẫn phải xác minh độ phân giải, độ chính xác, yêu cầu giao diện và hành vi khởi động cho ứng dụng dự định.

Bộ truyền động khớp vi mô VAXOR sử dụng bộ mã hóa từ tính tuyệt đối và hỗ trợ giao tiếp CAN FD. Những tính năng này phù hợp với các hệ thống robot cần phản hồi vị trí và tích hợp với mạng bộ điều khiển tương thích.

CAN FD hỗ trợ tốc độ dữ liệu linh hoạt và tải trọng lớn hơn CAN cổ điển, khiến nó trở nên hữu ích trong các kiến ​​trúc điều khiển trao đổi nhiều thông tin trạng thái và chuyển động khác nhau. Tuy nhiên, bộ truyền động và bộ điều khiển phải được cấu hình để có các cài đặt liên lạc, cấu trúc thông báo, thời gian và yêu cầu mạng tương thích.

Trong quá trình tích hợp, các kỹ sư nên kiểm tra phản hồi vị trí, phản hồi lệnh, xử lý lỗi và hoạt động khi tải thay đổi. Những kiểm tra này giúp xác định xem hệ thống chung hoàn chỉnh có đáp ứng các yêu cầu điều khiển của ứng dụng hay không, thay vì giả định rằng một bộ mã hóa hoặc giao diện truyền thông cụ thể tự đảm bảo hiệu suất.

Tính đến các ràng buộc về kích thước và trọng lượng

Lựa chọn thiết bị truyền động nhỏ gọn cũng là một vấn đề về đóng gói cơ khí. Mỗi gam bổ sung trong một liên kết rô-bốt chuyển động có thể làm tăng mô-men xoắn cần thiết từ các khớp nối ngược dòng. Ví dụ, một cụm cổ tay nặng hơn có thể nâng tải trọng mà khuỷu tay và vai mang lên ngay cả khi bản thân tải trọng không thay đổi.

Thiết bị truyền động khớp siêu nhỏ Φ25mm, model X25S-UZ/BZ30/50-MH-3, có trọng lượng quy định là 93–103 g và hoạt động ở điện áp 12–18 V. Định dạng nhỏ gọn của nó phù hợp với rô-bốt cộng tác, khớp mô phỏng sinh học và các hệ thống chuyển động khác nơi không gian lắp đặt và khối lượng chuyển động bị hạn chế.

Phạm vi trọng lượng được liệt kê phải được kiểm tra dựa trên cấu hình chính xác đang được đánh giá. Các kỹ sư cũng phải tính đến các cấu trúc lắp đặt, hệ thống dây điện, đầu nối, thiết bị làm mát nếu có và bất kỳ thành phần cơ khí bổ sung nào cần thiết để lắp đặt.

Đối với robot và thiết bị di động chạy bằng pin, khả năng tương thích điện áp và nhu cầu năng lượng đáng được quan tâm đặc biệt. Nguồn cung cấp sẵn có phải nằm trong phạm vi hoạt động được chỉ định trong điều kiện tải thực tế. Thiết kế điện cũng nên xem xét nhu cầu hiện tại trong quá trình tăng tốc, khởi động và các sự kiện tải cao khác.

Việc giảm khối lượng của bộ truyền động có thể mang lại lợi ích cho tổng thể robot, nhưng trọng lượng không bao giờ được đánh giá độc lập với công suất mô-men xoắn, hiệu suất nhiệt và nhu cầu kết cấu của khớp.

Ghép bộ truyền động với các kịch bản vận hành thực tế

Các ứng dụng robot khác nhau tạo ra các kết hợp khác nhau về yêu cầu tải, tốc độ và độ chính xác.

Trong robot lắp ráp hợp tác, khớp có thể liên tục định vị các bộ phận nhỏ dọc theo một đường dẫn xác định. Các kỹ sư cần tính đến khối lượng của dụng cụ, bộ phận được xử lý, khoảng cách từ trục khớp và tần suất chuyển động lặp lại.

Trong dụng cụ kẹp robot nhỏ gọn, bộ truyền động có thể cần cung cấp chuyển động có kiểm soát trong phạm vi lắp đặt hạn chế. Quá trình lựa chọn nên xem xét mô-men xoắn đầu ra cần thiết, hành trình hoặc chuyển động quay có sẵn, các đặc tính đáp ứng và thiết kế cơ học của cơ cấu kẹp.

Robot phỏng sinh học đưa ra một loạt nhu cầu khác. Các khớp của họ có thể cần phối hợp nhiều chuyển động trong khi vẫn giữ cho cơ chế nhẹ. Tùy thuộc vào thiết kế, các kỹ sư có thể cần cân bằng mô-men xoắn đầu ra với tốc độ, chuyển động lặp lại và hoạt động của liên kết tổng thể.

Đối với các thiết bị y tế và dụng cụ chính xác, việc đánh giá có thể tập trung nhiều hơn vào khả năng kiểm soát, độ lặp lại, tiếng ồn và các ràng buộc tích hợp. Sự phù hợp phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của thiết bị, bao gồm mọi tiêu chuẩn hiện hành về an toàn, độ sạch, độ tin cậy hoặc quy định. Chỉ riêng thông số kỹ thuật của bộ truyền động nhỏ gọn không chứng minh được rằng một hệ thống hoàn chỉnh phù hợp cho một ứng dụng y tế cụ thể.

Trong các tình huống này, cách tiếp cận đáng tin cậy nhất là trước tiên xác định các yêu cầu vận hành có thể đo lường được, sau đó so sánh cấu hình bộ truyền động với chúng.

Xem xét thiết kế ổ đĩa tích hợp

Một bộ truyền động khớp vi mô kết hợp một số thành phần mà sự tương tác của chúng ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng. Thiết kế điện từ của động cơ ảnh hưởng đến việc tạo ra mô-men xoắn và hiệu quả. Cơ chế giảm làm thay đổi mối quan hệ giữa công suất động cơ và chuyển động của khớp. Phản hồi của bộ mã hóa và điều khiển điện tử hỗ trợ định vị và vận hành phối hợp.

VAXOR 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. Được thành lập vào năm 2024 và có trụ sở chính tại Tô Châu, Trung Quốc, công ty tập hợp chuyên môn về thiết kế động cơ, sản xuất chính xác, kỹ thuật kết cấu và điều khiển robot.

Phương pháp phát triển ổ đĩa vi mô của nó tích hợp công nghệ 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. Mục đích là để giải quyết các yêu cầu kỹ thuật thực tế như kích thước nhỏ gọn, mật độ mô-men xoắn cao, phản ứng nhanh và sản xuất ổn định.

Đối với các kỹ sư đánh giá một bộ truyền động tích hợp, quan điểm cấp hệ thống này rất quan trọng. Thay vì đánh giá động cơ, bộ giảm tốc và bộ mã hóa một cách riêng biệt, toàn bộ cụm lắp ráp cần được xem xét dựa trên đặc tính tải của khớp nối, các hạn chế lắp đặt, kiến ​​trúc bộ điều khiển và yêu cầu sản xuất. Sau đó, việc xác thực và thử nghiệm nguyên mẫu trong các điều kiện vận hành đại diện có thể xác định các vấn đề trước khi thiết kế chuyển sang triển khai ở quy mô lớn hơn.

Danh sách kiểm tra thực tế trước khi lựa chọn cuối cùng

Trước khi tích hợp bộ truyền động vi mô vào robot cộng tác, hãy xem xét các điểm sau:

1. Tính toán tải trọng: Bao gồm tải trọng, các mắt xích, bộ kẹp và các bộ phận khác góp phần tạo ra mô-men xoắn của khớp.

2. Xác định cấu hình chuyển động: Xác định tốc độ, khả năng tăng tốc, giảm tốc, tần số chuyển động và điều kiện giữ cần thiết.

3. Tách biệt nhu cầu liên tục và thời gian ngắn: So sánh mô-men xoắn duy trì với xếp hạng liên tục và xác minh nhu cầu nhất thời so với giới hạn áp dụng.

4. Chọn tỷ lệ giảm: Đánh giá sự cân bằng giữa mô-men xoắn đầu ra, tốc độ và phản ứng động.

5. Xác nhận khả năng tương thích về điện và điều khiển: Kiểm tra điện áp hoạt động, yêu cầu bộ mã hóa, giao diện truyền thông và cấu hình bộ điều khiển.

6. Xác minh sự tích hợp cơ học: Xem lại kích thước, cách lắp đặt, tổng khối lượng chuyển động và định tuyến cáp.

7. Kiểm tra bộ phận lắp ráp hoàn chỉnh: Xác thực hiệu suất dưới tải trọng thực tế, chu kỳ làm việc, nhiệt độ và trình tự chuyển động.

Quá trình này biến việc lựa chọn bộ truyền động từ việc so sánh thông số kỹ thuật thành quyết định kỹ thuật dựa trên các điều kiện vận hành có thể đo lường được.

Phần kết luận

Việc kết hợp mô-men xoắn của bộ truyền động với tải của rô-bốt hợp tác đòi hỏi nhiều thứ hơn là tìm một thiết bị có định mức mô-men xoắn đủ cao. Các kỹ sư phải tính đến trọng lực, quán tính, gia tốc, tỷ số truyền, phản hồi, nguồn điện và ảnh hưởng của khối lượng bộ truyền động lên cơ cấu rộng hơn.

Bộ truyền động khớp siêu nhỏ Φ25mm  cung cấp tùy chọn truyền động nhỏ gọn với mô-men xoắn liên tục lên tới 1150 mN·m, mô-men xoắn ban đầu lên tới 1800 mN·m, tỷ số truyền 30 và 50, bộ mã hóa từ tính tuyệt đối và giao tiếp CAN FD. Các thông số kỹ thuật này cung cấp cơ sở để đánh giá vai trò của nó trong các khớp nối robot nhỏ gọn, dựa trên sự xác nhận về các điều kiện vận hành cần thiết và dữ liệu hiệu suất chi tiết.

Bằng cách xác định cấu hình tải trước tiên và xác nhận bộ truyền động tích hợp trong điều kiện thực tế, các kỹ sư có thể đưa ra quyết định sáng suốt hơn về công suất mô-men xoắn, hiệu suất chuyển động và tích hợp cơ học. Với việc tập trung vào công nghệ truyền động vi mô tích hợp, VAXOR hỗ trợ các nhóm kỹ thuật làm việc để phát triển các hệ thống robot nhỏ gọn và phản hồi nhanh.