Мотор редуктор робот

Вот смотришь на эту связку — мотор редуктор робот — и кажется, всё просто: взял сервопривод, прикрутил к нему планетарный редуктор, вот тебе и готовая ось для манипулятора. Так многие и думают, особенно когда только начинают проектировать. А потом сталкиваются с тем, что робот или не выходит на заявленную точность позиционирования, или перегревается на длительных циклах, или вообще люфт в сочленении появляется через пару месяцев работы. И начинаются поиски ?виноватого?: мотор слабый? редуктор не тот? А проблема часто — именно в их совместной работе, в том, как эта пара спроектирована, подобрана и интегрирована в систему. Это не просто два компонента в одном корпусе, это единый узел, от которого зависит вся кинематика.

От теории к практике: где кроется зазор

На бумаге всё сходится: момент, скорость, передаточное отношение. Берёшь каталог, выбираешь мотор редуктор с подходящими цифрами. Но в реальности есть нюансы, которые в спецификациях мелким шрифтом. Например, тот же момент инерции ротора, приведённый к выходному валу. Для робота, который должен быстро разгоняться и останавливаться, это критично. Слишком инерционный узел будет ?просаживать? динамику, контроллер не справится, появятся колебания. Я сам однажды попался на этом, пытаясь сэкономить и взять более тяжёлый редуктор для шестой оси. Робот вроде и поднимал нужный вес, но позиционирование было медленным и с ?перелётом?. Пришлось пересматривать весь расчёт по моментам инерции звеньев.

Ещё один момент — тепловой режим. Робот на производстве может работать циклами по 8-12 часов без остановки. Мотор внутри редукторного блока греется, тепло передаётся на редуктор, масло (или смазка) меняет свои свойства. От этого может ?поплыть? жёсткость, появиться дополнительный люфт. Особенно это чувствительно для высокоточных операций, таких как сборка или лазерная сварка. Мы как-то тестировали одного ?китайца? (не буду называть бренд) на длительном цикле — через три часа работы повторяемость упала почти на 0.1 мм. Вскрыли — оказалось, терморасчёт был сделан для пиковых, а не для продолжительных нагрузок.

И конечно, обратная связь. Часто ставят энкодер на мотор, а не на выходной вал. Это вроде как дешевле. Но тогда весь люфт и упругая деформация в редукторе остаются ?за кадром? для системы управления. Для грубых операций — перенос, упаковка — может и сойдёт. Но если нужна точность, особенно при переменных нагрузках, лучше иметь дополнительный датчик на выходе. Пусть это удорожает узел, но зато даёт реальную картину того, где находится инструмент, а не где ?думает? мотор, что он находится.

Случай из цеха: интеграция с внешними системами

Расскажу про один проект, не связанный напрямую с роботами, но очень показательный в плане подхода к приводам. Мы сотрудничали с компанией ООО Аньхой Хунда Технология Электрических Печей (https://www.nghxdl.ru). Они, как известно, специалисты с 30-летним стажем в производстве индукционных печей. Им понадобилась автоматизация загрузки заготовок в печь. Не робот в классическом понимании, а скорее манипулятор с линейными и поворотными осями.

Задача была нетривиальная: среда вокруг печи — высокая температура, металлическая пыль, вибрации. Стандартные мотор редукторы для чистых цехов тут быстро бы вышли из строя. Нужно было искать решение с повышенным классом защиты (IP65 как минимум), специальной термостойкой смазкой в редукторе и устойчивостью к боковым нагрузкам. Потому что механизм загрузки не идеально жёсткий, и при захвате массивной заготовки возникают изгибающие моменты на вал.

Мы перебрали несколько вариантов, консультировались с инженерами Хунда. Они дали важные замечания по циклам работы: их процесс не равномерный, есть пиковые моменты, когда нужно резко затормозить полную тележку с заготовкой. Это означало, что нам нужен редуктор с высоким пиковым моментом и хорошей радиальной нагрузочной способностью подшипников. В итоге остановились на цилиндрическом редукторе с полым валом и специальным мотором с повышенным перегрузочным моментом. Интеграция системы управления этого манипулятора с контроллером печи от Хунда — это отдельная история, но ключевым был правильный выбор силового узла.

Люфт, жёсткость и миф о ?вечном? редукторе

Вернёмся к роботу. Часто спрашивают: какой редуктор лучше для первых трёх осей? Гармонический? Планетарный? Циклоидальный? Универсального ответа нет. Всё упирается в компромисс между ценой, моментом, люфтом, массой и габаритами. Гармоники, например, дают почти нулевой люфт и хорошее передаточное отношение в компактном корпусе — идеально для точных осей на конце манипулятора. Но они ?нежные?, чувствительны к перегрузкам и ударам. Поставишь такой на тяжёлую вторую ось — и есть риск быстрого износа гибкого подшипника.

Планетарные — более выносливые, выдерживают высокие моменты, но у них, как правило, чуть больший начальный люфт. И их жёсткость на кручение — это отдельная тема для расчётов. Я видел случаи, когда из-за недостаточной крутильной жёсткости редуктора на второй оси весь мотор редуктор робот начинал ?петь? на определённых скоростях, возникали резонансные колебания. Приходилось настраивать фильтры в контроллере, жертвуя быстродействием.

А ещё есть миф о ?необслуживаемом? или ?вечном? редукторе. Любой редуктор в роботе требует внимания. Пусть не каждую неделю, но плановый осмотр, проверка на наличие посторонних шумов, контроль температуры — это обязательно. Особенно в условиях, подобных тем, что у Хунда — нагрев, пыль. Мы в том проекте сразу заложили в техзадание для операторов печи простейшую диагностику: раз в смену проверять нагрев корпуса привода на ощупь и на слух. Простая мера, но она может предотвратить серьёзный простой.

Программная сторона: когда железо упирается в софт

Самый лучший и грамотно подобранный мотор редуктор может не раскрыть свой потенциал из-за кривой настройки сервопривода. Здесь уже стык механики и электроники. Настройка контуров тока, скорости и положения — это искусство. Слишком ?жёсткие? настройки приведут к перегреву и механическим ударам, слишком ?мягкие? — к недобору точности и колебаниям.

Опытный наладчик всегда смотрит на осциллограммы токов и заданного/фактического положения. По ним видно, как ведёт себя вся система ?мотор-редуктор-нагрузка?. Например, если на графике скорости видна рябь на определённой частоте — это может указывать на проблему с жёсткостью или на механический резонанс. Иногда проблему можно скорректировать программно, изменив фильтры или алгоритм подавления вибраций. Но бывает, что упираешься в физические ограничения узла, и тогда нужно возвращаться к ?железу?.

В том же проекте для ООО Аньхой Хунда Технология Электрических Печей нам пришлось долго возиться с настройкой привода поворотной оси. Из-за переменного момента инерции (тележка то пустая, то полная) стандартные параметры не подходили. В итоге реализовали простейшую адаптацию: два набора параметров в контроллере, которые переключались по сигналу от датчика веса. Костыль? Возможно. Но работало надёжно, а сроки были жёсткие. Иногда практическое решение важнее идеально красивого с точки теории.

Итоги без глянца

Так к чему всё это? К тому, что мотор редуктор робот — это сердце кинематики, и подходить к его выбору нужно не по каталогу, а с полным пониманием будущих условий работы. Нужно задавать себе неудобные вопросы: а что будет с люфтом через 10 тысяч часов? Как поведёт себя узел при максимальной нагрузке в самом невыгодном положении манипулятора? Как он будет отводить тепло?

Опыт, в том числе и от сотрудничества с такими производителями конечного оборудования, как Хунда, показывает, что диалог между механиком, проектировщиком привода и специалистом по автоматизации должен быть постоянным. Часто оптимальное решение рождается именно на стыке этих компетенций, а не в слепом следовании техническому заданию.

И последнее: не стоит гнаться за абсолютными рекордами по параметрам. Надёжность, ремонтопригодность и предсказуемость поведения в реальных, а не лабораторных условиях — вот что в итоге определяет успех применения этого узла в промышленном роботе. Иногда лучше взять менее ?крутой? по паспорту, но более изученный и проверенный в похожих условиях привод. Рисковать всей линией из-за желания сэкономить пару тысяч на оси — себе дороже.