Почему циклоидные редукторы используются в робототехнике?

Циклоидальные коробки передач используются в робототехнике, поскольку они обеспечивают высокие передаточные числа (30:от 1 до 300:1) на одном компактном этапе с чрезвычайно низким отдачным люфтом, Высокая крутильная жесткость, и исключительная устойчивость к ударной нагрузке — именно то, что требуется роботизированным шарнирам для точности, повторяемое движение при переменных нагрузках. Их многозубчатый контакт распределяет силу по множеству поверхностей, Так они переживают резкие старты, Остановки, и развороты направления, часто встречающиеся в роботизированной работе.

Ключевые выводы

• Циклоидальные коробки передач достигают одноступенчатых передаточных данных от 30:от 1 до 300:1 с возвратным люфтом всего ≤1 arcmin, обеспечивая точное позиционирование роботизированных суставов.
• Многозубчатый роликовый контакт распределяет нагрузку по множеству поверхностей, Даёт циклоидным приводам устойчивость к ударной нагрузке до 5 раз номинального крутящего момента — идеально для роботизированных стартов/стоп и заклинивания.
• Эксцентриковый кулачок с катящимся контактом минимизирует износ и люф, при этом максимизируя жёсткость, превосходящие планетарные редукторы при ударных нагрузках.
• Циклоидальные приводы доминируют в промышленных роботах с высокой полезной нагрузкой; Гармонические приводы остаются предпочтительными для более лёгких роботов (Полезная нагрузка от 1 до 20 кг) где отношение точности к весу имеет наибольшее значение.

Что такое циклоидальная коробка передач?

Циклоидальная редукторная коробка передач — это компактный редуктор скорости, который использует эксцентриковый кулачок для выращения одного или двух циклоидальных дисков против неподвижных кольцевых штифтов, преобразование ввода на высокой скорости в высокий крутящий момент, низкоскоростной выходной сигнал через контакт с катком. Это один из трёх основных типов шестерёнок, используемых в промышленных роботах, вместе с волной деформации (Гармоник) Приводы и планетарные редукторы.

Циклоидная коробка передач относится к семейству компонентов передачи мощности, обслуживающих промышленную автоматизацию, Обработка материалов, и технологическое оборудование. За пределами робототехники, Циклоидальные редукторы широко используются во многих промышленных приложениях где компактно, Требуется высокое снижение крутящего момента.

Как работает циклоидная коробка передач?

Циклоидальная коробка передач работает, преобразуя вращающееся движение входного вала в более медленный, Орбитальное движение одного или нескольких циклоидальных дисков с большим крутящим моментом, которые затем приводят выходной вал в движение через набор выходных контактов.

Рабочий принцип следует следующим этапам:

1. Вращение входного вала: Входной вал вращает эксцентрический подшипник, установленный в центре.
2. Эксцентриковое движение кулачка: Эксцентриковый подшипник заставляет циклоидальный диск вращаться по орбите, а не просто вращаться, создавая смещённое круговое движение.
3. Циклоидальное зацепление дисков: Когда диск вращается вокруг, Его лопастый профиль зацепляется за стационарные кольцевые штифты, закреплённые на корпусе коробки передач.
4. Шаг за шагом: Каждый полный оборот диска продвигает точку сражения на одну лепесточку, заставляя диск слегка вращаться в противоположную сторону.
5. Извлечение выходного контакта: Выходные контакты, расположены через отверстия в диске, захватите это медленное вращение и передайте его на выходной вал.
6. Генерация коэффициентов: Коэффициент редукции равен количеству лепестков на диске, создавая снижение скорости.

Согласно IMSystems, если на циклоидальном диске 11 неподвижных штифтов и 10 лепестков, Скорость выхода уменьшается в 10 раз, и выходной крутящий момент увеличивается в десять раз. Эта одноступенчатая конструкция достигает соотношения от 30:1 до 300:1.

Одно из аспектов дизайна: Орбитальное движение циклоидального диска создаёт колебания. Инженеры компенсируют это двумя дисковыми установками, где два диска расположены на 180 градусов друг от друга, чтобы компенсировать дисбаланс друг друга, хотя это увеличивает размер и вес.

Почему циклоидальные редукторы используются в роботизированных суставах?

Роботизированные шарниры требуют высокой плотности крутящего момента, Минимальная реакция, Высокая жёсткость, и устойчивость к ударным нагрузкам в компактном корпусе — циклоидные коробки передач обеспечивают все эти четыре устройства благодаря уникальной многозубьей конструкции с катящимися контактами.

По данным Cone Drive, Циклоидальные приводы обеспечивают высокий крутящий момент с минимальным люфтом и используются в роботизированных руках, Приводы, и системы управления движением, где требуется компактность и высокопроизводительное снижение передач. Контакт между зубцами циклоидальной шестерни снижает риск износа, обеспечивая тяжёлые нагрузки без сбоев.

Таблица ниже отражает конструктивные особенности циклоидальных редукторов с конкретными преимуществами, которые они обеспечивают в роботизированных шарнирах:

Многозубчатая сетка — это главное преимущество. Когда роботизированная рука меняет направление под большой нагрузкой, Циклоидальная коробка передач распределяет нагрузку по многим катящимся поверхностям одновременно. Как отметил один эксперт по робототехнике, это обеспечивает "Высокий крутящий момент, плавное движение, и почти никакой реакции" даже при резких разворотах направления. Планетарная коробка передач при таких же условиях концентрировала бы напряжение на одном зубе шестерёнки, риск повреждения.

Каковы недостатки или ограничения циклоидальных коробок передач?

Циклоидальные редукторные коробки передач имеют недостатки — вибрации от орбитального движения, Стоимость выше, чем планетарные единицы, и ограниченная управляемость при высоких передачах — но это приемлемые компромиссы в роботизированных шарнирах с высокой полезной нагрузкой, где важнее точность и долговечность.

Основные ограничения и их инженерный контекст:

• Вибрация: Орбитальное движение циклоидального диска создаёт внутреннюю вибрацию. Конструкция с двумя дисками уменьшает, но не устраняет эту проблему; Робототехнические конструкторы должны учитывать её в высокоскоростных осях.
• Стоимость: По данным Cone Drive, Циклоидальные шестерни обычно дороже в производстве, чем планетарные альтернативы. Однако, Они обеспечивают долгосрочную экономию за счёт долговечности, Снижение технического обслуживания, и более высокая эффективность в требовательных приложениях.
• Ограничения обратной управляемости: При высоких коэффициентах восстановления, Трение и эксцентрический механизм затрудняют задний драйв. Это преимущество для безопасности при удержании нагрузки, но ограничивает применения для рекуперации энергии.
• Сложность: Точная обработка, необходимая для циклоидальных дисков и эксцентрических компонентов, делает их более сложными в производстве, чем простые планетарные редукторные комплекты.

Для инженеров, сравнивающих стоимость между типами редукторов, Понимание общей стоимости владения важнее первоначальной стоимости покупки в роботизированных приложениях.

Можно ли задним приводом циклоидальную коробку передач?

Некоторые циклоидальные коробки передач могут приводиться назад с меньшими передаточными числами, Но трение и эксцентрический механизм затрудняют обратный драйв при высоких передачах — полезное свойство для удержания нагрузки, но ограничение для восстановления энергии или постоянного движения.

Согласно IMSystems, при более низких передаточных числах, Некоторые циклоидные приводы могут управляться обратно, Обеспечивая рекуапацию и соответствие требованиям к энергопотреблению в роботизированных системах. Это означает, что коробка передач может приводиться с выходной стороны при определённых условиях. Однако, по мере увеличения коэффициента восстановления, внутреннее трение и механическое преимущество эксцентрического механизма вместе сопротивляются обратному движению.

Для конструкторов робототехники, Эта условная обратная управляемость — палка о двух концах:

• Преимущество: Высокоперечисленные циклоидные коробки передач надёжно держат нагрузку при отключении мощности, действующий как тормоз без дополнительного оборудования.
• Ограничения: Коробка передач не может использоваться для рекуперации энергии в рекуперативных системах, и не обеспечит обратноуправляемое соответствие, необходимое для некоторых совместных или принудительных приложений.

Циклоидальные и гармонические приводы в робототехнике

Гармонические приводы доминируют в лёгких роботизированных руках (Полезная нагрузка от 1 до 20 кг) где отношение точности к весу критически; Циклоидные коробки передач отлично подходят для роботов с высокой полезной нагрузкой, где устойчивость к ударам, жёсткость, и надёжность при тяжёлых нагрузках — первостепенно.

По данным Frontiers in Robotics and AI, Основные типы шестерёнок, используемых в промышленных роботах, — это волновые приводы (Обычно называемые гармоническими приводами), Циклоидальные приводы, и планетарные редукторы. Выбор между ними зависит от класса полезной нагрузки и условий работы робота.

В промышленной робототехнике появилась явная закономерность: Циклоидальные шестерни широко используются в роботах с высокой полезной нагрузкой, в то время как волны напряжения или гармонические приводы доминируют во многих суставах роботов с меньшей полезной нагрузкой (1–20 кг). Лёгкий вес гармонического привода и почти нулевой люфт делают его привлекательным для малых моделей, почти, Точное оружие. Циклоидальные коробки передач становятся предпочтительным выбором, когда роботу приходится справляться с более тяжёлыми нагрузками, Выжить в шоковых событиях, и сохранять точность на протяжении более длительного срока службы.

Для более подробного сравнения этих двух типов приводов, Смотрите наше руководство по Циклоидная коробка передач против гармонического привода.

Циклоидальные и планетарные редукторы в робототехнике

Планетарные коробки передач предлагают более низкую стоимость, Более высокая эффективность, и более низкие вибрации, Но циклоидные коробки передач — стандартный выбор, когда планетарный блок выдерживает стационарные нагрузки, но выходит из строя из-за ударных нагрузок, Стартап-джемы, или частые развороты направления.

Как объясняет Фиргелли, циклоидальный привод — "Стандартный выбор, когда планетарная коробка передач выдерживает нагрузку в постоянном состоянии, но получает отколки зубов из-за запуска или заклинивания." Это различие критически важно для роботизированных приложений, где сустав часто начинается, Остановки, Реверсии, или сталкивается с сопротивлением.

Планетарные коробки передач — правильный выбор, когда нагрузка предсказуема, Скорость высокая, и экономичность затрат является приоритетом. Циклоидальные редукторы оправдывают свою высокую стоимость, когда шарнир должен поглощать ударные нагрузки, Поддерживайте крайне низкий откат, или работать годами без технического обслуживания, связанного с отдачей,.

Для подробного технического сравнения этих двух конструкций, см. наш Планетарная и циклоидная коробка передач Анализ.

Как выбрать циклоидальную редукторную коробку для роботизированного сустава

Выберите циклоидальную редукторную коробку передач, указав передаточное число, Реакция, Крутильная жесткость, Непрерывный и пиковый крутящий момент, скорость, и конфигурацию монтажа — в таком порядке приоритета для большинства роботизированных суставов.

Процесс отбора следует логической последовательности:

1. Определить коэффициент редукции необходимо было подстроить скорость двигателя под требуемую скорость соединения. Одноступенчатые циклоидные коробки передач покрывают 30:от 1 до 300:1.
2. Укажите устойчивость к люфту На основе требований к точности позиционирования. Для применения с высокой точностью в робототехнике, Целитесь на откат ниже 3 угловых минут (0.05 градусов), по данным Arctos Robotics.
3. Рассчитать требования к крутильной жесткости В зависимости от нагрузки и допустимого прогиба при пиковом крутящем моменте.
4. Определите непрерывный и пиковый крутящий момент для применения. Для справки, серия роботизированных циклоидных коробок передач GAM GCL предлагает номинальный крутящий момент от 167 до 4410 Нм во всех размерах.
5. Проверьте рейтинги скорости — циклоидальные коробки передач имеют максимальные входные скорости, которые нельзя превышать.
6. Подтвердите ограничения по размеру и весу для огибающей робот-соединения.
7. Выберите конфигурацию крепления — фланец, Вал, или варианты с полым стволом должны соответствовать конструкции соединения.
8. Эффективность и стоимость обзора компромиссы с рабочим циклом приложения.

Для подробного руководства по процессу отбора, см. Как выбрать циклоидальный редуктор.

Окончательный вердикт — когда выбирать циклоидальный вместо гармонического или планетарного

Выберите циклоидальные для роботов с высокой полезной нагрузкой, Топоры, подверженные ударам, или когда критически важен длительный срок службы при минимальном обслуживании; Выберите Harmonic для лёгких прецизионных рук; Выбирайте планетарную для стационарного состояния, Приложения, чувствительные к стоимости.

Три правила принятия решений обобщают инженерные рекомендации:

• Выбирайте циклоидальный, когда: Робот справляется с большой полезной нагрузкой, Сустав испытывает ударные нагрузки или частые изменения направления, или применение требует возвратного люфта ниже 3 угловых минут при длительном сроке службы.
• Выберите гармоник (Волна деформации) когда: Робот относится к классу полезной нагрузки от 1 до 20 кг, Вес имеет решающее значение, а применение требует почти нулевой отдачи в легком корпусе.
• Выберите планетарный, когда: Нагрузка стабильна, Шоковые события редки, Скорость высока, а начальная стоимость — основное ограничение.

Циклоидальная коробка передач занимает своё место в роботизированных суставах, потому что она решает самую сложную инженерную задачу в движении робота: сочетание высокой редукции, Высокая Точность, и высокая долговечность в компактном корпусе, способном выдержать реальные эксплуатационные условия.

Mingye разрабатывает и производит циклоидные редукторы с вертушками и другое оборудование для передачи мощности на собственном заводе с ЧПУ. Для инженерных рекомендаций, специфичных для проектирования вашего роботизированного сустава, свяжитесь с командой Минье.