Borstelloze motor voor robotica: koppeldichtheid, tandwielen en aangepaste integratie

Een R&D-ingenieur vertelde ons ooit dat een borstelloze motor die prachtig presteerde op een drone-testbank binnen enkele minuten tot stilstand kwam op een robotarm. De oorzaak was niet een gebrek aan macht. Het was een discrepantie tussen de continue koppelspecificatie die door de dronebouwer werd gebruikt en het lage snelheids- en hooghoudkoppelprofiel dat door een robotverbinding wordt vereist. Een borstelloze motor voor robotica moet tegen de zwaartekracht in in positie blijven, soepel bewegen met 20 RPM en frequente start-stopcycli overleven zonder thermische schade. Dat is een heel ander specificatielandschap.

Inkoopingenieurs maken vaak dezelfde fout: ze kiezen een motor op basis van het hoogste onbelaste toerental in een catalogus en ontdekken vervolgens dat het continue koppel bij de werkelijke gewrichtssnelheid tekortschiet. Het resultaat is een herontwerp dat maanden kost.

Wat definieert een borstelloze motor voor robotica?

Een borstelloze motor voor robotica is een driefasige synchrone machine die is ontworpen voor een hoge koppeldichtheid, een laag tandwielkoppel en positiefeedback met gesloten lus in plaats van voor een piektoerental bij nullast.

Het verschil wordt duidelijk als je een voortstuwingsdronemotor vergelijkt met een gezamenlijke actuator. Er is gekozen voor een dronemotor vanwege de stuwkracht en het gewicht bij een hoog toerental. Er wordt een robotgewrichtmotor geselecteerd voor continu koppel bij lage snelheid, vaak met een harmonische versnellingsbak die de uitgangssnelheid verlaagt tot 20-60 RPM terwijl het koppel wordt vermenigvuldigd. De kritische parameters zijn de koppeldichtheid (Nm per kilogram motormassa), het tandwielkoppel (magnetische pal die ongelijkmatige rotatie veroorzaakt) en de flexibiliteit van de wikkeling.

Wikkelingen en encoders worden ook op toepassingsniveau bepaald. Een motor die werkt voor een 24 VDC-polsas heeft mogelijk een 310 VDC-wikkeling nodig voor een zware taille-as, en het encodertype moet overeenkomen met de controlleringang. Dit zijn geen cataloguskeuzes; het zijn technische keuzes.

Waarom continu koppel bij lage snelheid hoger is dan het nullasttoerental

Een continu koppel bij een laag toerental bepaalt of een robot een lading kan vasthouden; de maximale snelheid op het gegevensblad niet.

De zwaartekracht werkt altijd op de motor, zelfs als de arm stilstaat. Een polsas die een gereedschap van 2 kg draagt, heeft ongeveer 0,5 tot 1,5 Nm continu koppel nodig bij 50-100 tpm om dat gereedschap stabiel te houden. Een elleboogas heeft 3-8 Nm nodig. Een schouderas die een volledige lading kan verwerken, heeft mogelijk 15-40 Nm nodig. De onbelaste snelheid van 6000 tpm is hier niet relevant, omdat de verbinding nooit in de buurt van die snelheid werkt.

Motorplatforms afstemmen op robotachtige gewrichtsarchitectuur

De gezamenlijke architectuur moet het motorframe en de versnellingsbak bepalen, en niet andersom.

Schoudergewrichten met hoge belasting profiteren van harmonische tandwielmotoren, die geen speling en een hoge energiedichtheid bieden. Jiangsu Retek Motion Co., Ltd. (Retek Motion) biedt een harmonische reductiemotor van 200 Nm die past op zware schouder- en taille-assen. Middelmatige ladingen op collaboratieve armen en mobiele manipulatoren werken goed met reductiemotoren van 60 Nm. Voor compacte, op de schouder gemonteerde medische robotica zorgt een borstelloze motor van 42 mm met vertragingskast voor vermogensdichtheid in een klein bereik.

Harmonische reductiemotor van 200 Nm voor zware robotgewrichten Deze motor levert een koppel van 200 Nm zonder speling, waardoor hij geschikt is voor zware schouder- en taille-assen in robots die nauwkeurige en herhaalbare positionering vereisen. Bekijk Product →

60 Nm reductiemotor voor collaboratieve robots en manipulatoren Met een nominaal koppel van 60 Nm past deze reductiemotor op samenwerkingsarmen met middelhoog laadvermogen en mobiele manipulatoren, waardoor betrouwbare prestaties worden geleverd voor verschillende robottaken. Bekijk Product →

42 mm Outrunner borstelloze motor met tandwielkast voor medische robotica Deze compacte borstelloze motor van 42 mm met tandwielkast biedt een hoog koppel en nauwkeurige bediening, ideaal voor op de schouder gemonteerde medische robotica-toepassingen. Bekijk Product →

Harmonische versnellingsbakken bieden geen speling, wat nodig is voor herhaalbare positionering. Planetaire versnellingsbakken zijn goedkoper en tolereren schokbelastingen beter, dus ze zijn geschikt voor mobiele robotwielen die stoepranden en hellingen raken. Het motorframe volgt de keuze van de versnellingsbak, en niet andersom.

Gebruik deze checklist bij het beoordelen van een kandidaat-motor voor een robotgewricht:

• Controleer het continue koppel bij bedrijfssnelheid, niet het piekkoppel bij nultoerental.
• Meet het tandwielkoppel met de toegepaste versnellingsbakverhouding.
• Controleer of de IP-classificatie overeenkomt met de omstandigheden bij washdown of blootstelling aan stof.
• Controleer of de feedback van de encoder compatibel is met de robotcontroller.
• Evalueer het thermische pad door het versnellingsbakhuis.

Vergelijking van koppeldichtheid tussen BLDC-framematen

Een groter frame produceert niet altijd proportioneel meer bruikbaar koppel, omdat de vulfactor van de wikkeling en de warmtedissipatie veranderen met de diameter en de axiale lengte.

De borstelloze DC-lijn van Retek Motion heeft een bereik van 28 mm tot 130 mm. Representatieve continue koppelwaarden in de 24 VDC-serie zijn ongeveer 0,4 Nm voor een motor van 42 mm, 0,8 Nm voor 57 mm, 1,6 Nm voor 76 mm, 2,2 Nm voor 80 mm, 3,5 Nm voor 100 mm en 6,5 Nm voor 130 mm. De voortgang ligt dichter bij een kubieke relatie met de rotordiameter. Daarom is de keuze van de framegrootte in de eerste plaats een thermisch ontwerpprobleem.

Waar u op moet letten bij een leverancier van robotica-motoren

Technische flexibiliteit en verticale productie-integratie zijn belangrijker dan de breedte van de catalogus, omdat de meeste robotverbindingen een motorproject op maat vereisen.

Retek Motion ontwerpt en bouwt sinds 2018 in eigen huis borstelloze gelijkstroommotoren. Het bedrijf produceert ook CNC-gefreesde versnellingsbakhuizen, gegoten componenten en kabelbomen onder één dak. Dankzij deze combinatie kan een robotfabrikant wikkel-, encoder- en connectorconfiguraties herhalen zonder meerdere leveranciers te coördineren.

Voor specifieke gebruiksscenario's biedt Retek's borstelloze motoren met lage cogging verminder de positierimpel aan de uitgang, terwijl borstelloze gelijkstroommotoren met hoog koppel zorgen voor de marge die nodig is wanneer payloads dynamisch zijn.

Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen een borstelloze motor voor robotica en een gewone BLDC-motor?

Een borstelloze robotmotor is gespecificeerd voor continu koppel bij lage snelheid, lage cogging en feedbackcompatibiliteit, terwijl een gewone BLDC-motor meestal geschikt is voor pieksnelheid en hoog uitgangsvermogen.

Hoe bereken ik het benodigde continue koppel voor een robotgewricht?

Vermenigvuldig de massa van het laadvermogen met de lengte van de momentarm, tel de gereflecteerde traagheid en versnellingsbakverliezen erbij op en pas vervolgens een veiligheidsfactor van minimaal 3x toe.

Is een harmonische versnellingsbak beter dan een planetaire versnellingsbak voor een borstelloze motorrobot?

Harmonische versnellingsbakken bieden geen speling en hoge reductie voor nauwkeurige armgewrichten; planetaire versnellingsbakken kunnen schokbelastingen beter aan voor mobiele aandrijfwielen.

Kan ik een op maat gemaakte borstelloze motor krijgen met een geïntegreerde controller voor robotica?

Ja. Geïntegreerde controller en op maat gemaakte wikkelopties zijn standaard, en een verticaal geïntegreerde leverancier kan ook de versnellingsbakbehuizing en de kabelboom produceren.