Модуль соединения роботов — это основной исполнительный блок промышленных роботов, отвечающий за ключевые функции, такие как передача энергии, регулировка ориентации и точное управление. От его состава напрямую зависит грузоподъемность робота, точность движений, скорость реакции и надежность. Соединительные модули промышленного класса обычно проектируются интегрированным образом (в отличие от разъемных конструкций гражданского или исследовательского уровня), а их основные компоненты можно разделить на четыре модуля: механическая конструкция, система привода, система обратной связи, система смазки и защиты. Каждый модуль работает вместе, чтобы обеспечить полный замкнутый-цикл «точного управления преобразованием движения входной мощности». Ниже приводится подробная разборка:
1. Модуль механической конструкции (основная нагрузка-подшипник и передача движения)
Механическая конструкция является физической основой шарнирного модуля, который должен одновременно отвечать трем требованиям: «высокая жесткость, легкий вес и высокая-точная передача». Основные компоненты включают в себя:
1. Редуктор гармоник/редуктор RV (основной компонент передачи)
Функция: Преобразование высокоскоростного-низкого крутящего момента двигателя в низкоскоростной высокий крутящий момент, обеспечивая при этом точность и жесткость передачи. Это «ядро усиления мощности» объединенного модуля.
Типы и сценарии применения:
Гармонический редуктор: состоит из генератора волн, гибких и жестких колес, с диапазоном передаточных чисел 50-320 и обратным зазором менее или равным 1 угловой минуте. Он легкий, компактный по конструкции и подходит для таких суставов, как предплечье и запястье малых и средних грузовых роботов (с нагрузкой 10-50 кг);
Редуктор RV: состоит из циклоидальной вертушки, водила планетарной передачи и корпуса игольчатой передачи, с диапазоном передаточных чисел 30-120 и обратным зазором менее или равным 0,5 угловых минут. Он обладает высокой жесткостью и превосходной ударопрочностью и подходит для ключевых соединений, таких как основание, стрела и плечи тяжелых роботов (с нагрузкой более 50 кг).
2. Выходной вал двигателя и муфта.
Выходной вал двигателя: изготовлен из высокопрочной-легированной стали, поверхность обработана цементацией и закалкой для обеспечения износостойкости и прочности на кручение, жестко соединен с входным концом редуктора;
Муфта: используется для компенсации ошибки соосности между валом двигателя и входным валом редуктора. Она подразделяется на жесткие муфты (например, шпоночные соединения, компенсационные втулки) и эластичные муфты (например, резиновые прокладки, гофрированные трубки). Жесткие муфты обычно используются в промышленных роботах, чтобы избежать задержки передачи.
3. Корпус и установочный фланец.
Корпус: Изготовлен из алюминиевого сплава, алюминиевый сплав подходит для легких требований, а чугун подходит для сценариев с высокой жесткостью; Внутренняя конструкция корпуса включает в себя камеру для установки редуктора, посадочное место для установки двигателя, паз для установки датчика, внешние резервированные ребра теплоотвода и уплотнительные канавки;
Установочный фланец: с использованием стандартных интерфейсов для соединения соединительных модулей и сегментов манипуляторов робота поверхность фланца подвергается прецизионной механической обработке (плоскостность менее или равна 0,01 мм) для обеспечения точности установки.
4. Выходной вал и компоненты подшипников.
Выходной вал: подключен к выходному концу редуктора, используется для передачи крутящего момента на секцию руки робота, поверхность должна быть точно обработана, а конец имеет шпоночный паз, резьбовое отверстие или интерфейс расширительной втулки;
Компоненты подшипника: Обычно используются поперечные роликоподшипники или гармонические подшипники. Поперечные роликоподшипники обладают высокой -несущей способностью (радиальная + осевая составная нагрузка) и высокой жесткостью. Гармонические подшипники подходят для согласования с редукторами гармоник, а уровень точности подшипников должен достигать P4 или выше, чтобы обеспечить точность вращения сустава.
2, модуль приводной системы (выходная мощность и ядро управления)
Система привода обеспечивает питание шарнирного модуля, обеспечивая точную регулировку скорости и крутящего момента. Основные компоненты включают в себя:
1. Серводвигатель (источник питания)
Тип: во всех совместных модулях промышленных роботов используются синхронные серводвигатели с постоянными магнитами, которые обладают характеристиками высокой удельной мощности, высокой скорости реакции, низкой инерции и т. д. По способу установки они делятся на внутренний тип (двигатель и редуктор интегрированы в корпус) и внешний тип (двигатель соединен с корпусом через фланец);
Ключевые параметры: номинальная мощность (100–15 кВт), номинальная скорость (3000–6000 об/мин), инерция ротора (0,01–0,5 кг · м²), постоянный крутящий момент (0,1–5 Н · м/А), который должен быть согласован с передаточным числом коробки передач (выходной крутящий момент двигателя x передаточное число =выходной крутящий момент соединения).
2. Сервопривод (блок управления)
Функция: получение инструкций управления (положение, скорость, сигналы крутящего момента) от верхнего компьютера (контроллера робота), вывод сигналов ШИМ посредством ПИД-регулирования для запуска серводвигателя и выполнение функций защиты, таких как перегрузка по току, перенапряжение, перегрузка и перегрев;
Основная технология: поддерживает режим положения (управление углом поворота сустава), режим скорости (управление скоростью соединения) и режим крутящего момента (управление выходным крутящим моментом). В некоторые драйверы высокого-класса встроены электронные коробки передач, подавление вибрации и алгоритмы адаптивного управления для повышения плавности и точности движения.
3. Силовые кабели и интерфейсы
Силовой кабель: он передает трехфазное питание (U/V/W) и сигналы торможения серводвигателя с помощью гибких кабелей (с сопротивлением изгибу не менее 10 миллионов раз), а материал внешней оболочки — ПВХ или полиуретан, маслостойкий, износостойкий и противо-помеховый.
Интерфейс: Приняв промышленный стандартный интерфейс, интерфейс питания и интерфейс сигнала разработаны отдельно, чтобы избежать электромагнитных помех.
3, модуль системы обратной связи датчика (точный контроль и мониторинг состояния)
Система обратной связи датчиков собирает в реальном-времени данные о положении шарнира, скорости, крутящем моменте и т. д., обеспечивая основу для замкнутого-управления и является ключом к обеспечению точности движений робота. Основные компоненты включают в себя:
1. Датчик положения (основной компонент обратной связи)
Тип: В основном используются энкодеры абсолютных значений, которые делятся на фотоэлектрические, магнитоэлектрические и емкостные. В промышленных роботах в основном используются фотоэлектрические энкодеры абсолютных значений (разрешение больше или равно 17 бит, в некоторых высококачественных-продуктах - до 25 бит);
Способ установки: устанавливается непосредственно на хвостовой части серводвигателя (для определения скорости двигателя) или соединен через выходной вал редуктора (для непосредственного определения фактического положения шарнира и устранения ошибок передачи);
Функция: вывод в реальном времени информации об абсолютном положении (значении угла) соединений. Верхний компьютер вычисляет ошибку положения на основе этих данных и регулирует рабочее состояние серводвигателя, чтобы обеспечить точность позиционирования сустава (повторяемая точность позиционирования меньше или равна ± 0,02 мм).
2. Датчик скорости
Обычно объединенная с датчиками положения (например, с функцией измерения скорости энкодеров), скорость соединения рассчитывается путем определения частоты импульсного сигнала энкодера. В некоторые-модули соединений высокого класса дополнительно устанавливаются датчики Холла или генераторы скорости для повышения точности определения скорости во время работы на низкой-скорости.
3. Датчик крутящего момента (дополнительный компонент)
Функция: определение выходного крутящего момента соединений для мониторинга нагрузки, обнаружения столкновений и операций контроля силы (например, сборки и полировки);
Типы: тензорезисторы, магнитоэластичные и оптические. Тензодатчики крутящего момента имеют низкую стоимость и высокую точность (± 0,5% полной шкалы) и являются основным выбором для промышленных роботов. Они устанавливаются между выходным валом и секцией рычага или внутри редуктора.
4. Датчики температуры и датчики вибрации.
Датчик температуры: установлен на обмотке двигателя и корпусе редуктора для определения температуры компонентов. Когда температура превышает пороговое значение (обычно 80-100 градусов), сервопривод срабатывает защита от перегрева;
Датчик вибрации: использование датчика ускорения для определения амплитуды и частоты вибрации во время работы соединения, используется для предупреждения о неисправностях (например, износе редуктора, повреждении подшипника), настраивается только в высокопроизводительных-модулях соединения промышленных роботов.
4. Модуль системы смазки и защиты (гарантия надежности)
Система смазки и защиты используется для продления срока службы соединительных модулей и адаптации к суровым условиям на промышленных объектах. Основные компоненты включают в себя:
1. Компоненты смазки
Смазка: для редуктора используется специальная смазка с высоким индексом вязкости, противо-износными и-характеристиками, а для подшипников двигателя — смазочное масло или консистентная смазка;
Структура смазки: редуктор имеет отверстия для впрыска масла и отверстия для слива масла внутри, а некоторые высококачественные-продукты оснащены автоматическими системами смазки (впрыск масла по времени и по количеству). Окно для наблюдения за смазкой расположено снаружи корпуса для облегчения обслуживания.
2. Уплотнительные компоненты
Статическое уплотнение: использование уплотнительного кольца и плоской прокладки для соединения корпуса и фланца, двигателя и корпуса, чтобы предотвратить утечку смазочного масла и попадание пыли;
Динамическое уплотнение: использование каркасных сальников и V-образных уплотнительных колец, используемых для вращающихся частей выходного вала и корпуса. Каркасные сальники подходят для средних и низких-скоростей.
3. Защитное покрытие и структура рассеивания тепла.
Защитное покрытие: Поверхность корпуса обработана анодированием (алюминиевый сплав) и окраской (чугун), что имеет анти-коррозионные и износостойкие-характеристики. В некоторых продуктах используется трехслойное покрытие (защита от солевых брызг, защита от влаги, защита от плесени), подходящее для использования на открытом воздухе или в суровых условиях мастерской;
Конструкция отвода тепла. Корпус двигателя имеет ребра для отвода тепла, а некоторые-мощные соединительные модули оснащены вентиляторами отвода тепла или каналами с водяным-охлаждением, что обеспечивает стабильную температуру двигателя и привода в течение длительной-работы.