Wie wählt man einen Roboter-Gelenkmotor für eine bessere Leistung des Endeffektors aus?

Einleitung

Bei der Konstruktion eines Roboterarms ist die Auswahl des richtigen Robotergelenkmotors nicht einfach eine Frage der Wahl des höchsten Drehmoments, der kleinsten Baugröße oder der fortschrittlichsten Getriebetechnologie. Der letztendliche Zweck jedes Robotergelenks besteht darin, die Bewegung und Leistung des Endeffektors zu unterstützen.

Ein Roboterarm kann einen Greifer, ein Vakuumwerkzeug, eine Kamera, einen Schweißbrenner, ein Inspektionsgerät, einen Dosierkopf, einen Schraubendreher oder ein anderes Spezialwerkzeug verwenden. Jeder Endeffektor stellt unterschiedliche Anforderungen an Tragfähigkeit, Bewegungsgeschwindigkeit, Beschleunigung, Positionierstabilität und dynamisches Ansprechverhalten.

Aus diesem Grund sollte die Auswahl eines Robotergelenkmotors mit der am Ende des Roboterarms erforderlichen Leistung beginnen.

Masse, Schwerpunkt, Abmessungen, Bewegungszyklus, Beschleunigungsanforderungen und Arbeitsaufgabe des Endeffektors beeinflussen allesamt die von den Robotergelenken geforderte Leistung. Diese Anforderungen können anschließend in Motordrehmoment, Ausgangsdrehzahl, Untersetzungsverhältnis, Gelenkmasse und Getriebeeigenschaften umgesetzt werden.

In vielen Robotersystemen können sowohl ein Harmonic-Gelenkmotor als auch ein Planeten-Gelenkmotor eine effektive Lösung bieten. Die beste Wahl hängt davon ab, wie der vollständige Roboterarm arbeiten muss, und nicht von der Spezifikation einer einzelnen Komponente.

Dieser Artikel erläutert, wie Anforderungen an den Endeffektor die Auswahl von Robotergelenkmotoren beeinflussen und wie Ingenieure Harmonic-Gelenkmotoren und Planeten-Gelenkmotoren anhand der tatsächlichen Leistung des Roboterarms bewerten können.

Warum die Auswahl eines Robotergelenkmotors beim Endeffektor beginnen sollte？

Am Endeffektor verrichtet ein Roboterarm seine eigentliche Arbeit.

Ein Robotergelenkmotor schafft nicht allein dadurch Wert, dass er Drehmoment erzeugt. Sein Zweck besteht darin, die Glieder des Roboterarms zu bewegen, damit der Endeffektor ein Werkstück oder die umgebende Umgebung erreichen, positionieren, beschleunigen, abbremsen und mit ihr interagieren kann.

Das bedeutet, dass die endgültige Leistung des Roboters am Endeffektor bewertet werden sollte.

Ein Roboter kann über ausreichend Gelenkdrehmoment verfügen und dennoch eine schlechte Endeffektorleistung aufweisen. Der Arm kann nach schnellen Bewegungen vibrieren, zu langsam beschleunigen, übermäßig viel Zeit zur Stabilisierung benötigen oder unter externer Last Positionsänderungen erfahren.

Daher sollte der erste Schritt bei der Auswahl eines Robotergelenkmotors darin bestehen, festzulegen, was der Endeffektor erreichen muss.

Die erforderliche Nutzlast, Werkzeugmasse, der Schwerpunkt, der Arbeitsbereich, die maximale Geschwindigkeit, Beschleunigung, Positionierstabilität und der Betriebszyklus sollten alle berücksichtigt werden.

Sobald diese Anforderungen definiert sind, können Ingenieure die vom vollständigen Roboterarm geforderte Leistung bewerten und anschließend für jede Achse den passenden Robotergelenkmotor auswählen.

Wie die Masse des Endeffektors die Anforderungen an den Robotergelenkmotor beeinflusst？

Die Endeffektorbaugruppe umfasst häufig mehr als nur das Werkzeug selbst.

Eine vollständige Roboterendbaugruppe kann einen Greifer, Werkzeugwechsler, Kraftsensor, Kamera, Kabel, Steckverbinder, Vakuumkomponenten, Prozessausrüstung und das Werkstück umfassen.

Alle diese Komponenten tragen zur Last bei, die der Roboterarm trägt.

Die Auswahl eines Robotergelenkmotors sollte jedoch nicht allein auf der Masse basieren.

Die Lage des Schwerpunkts ist ebenso wichtig.

Ein kompaktes und schweres Werkzeug kann ein geringeres Gelenkmoment erzeugen als ein leichteres Werkzeug, das sich in erheblichem Abstand vom Roboterflansch erstreckt.

Für einen vereinfachten statischen Zustand kann das Lastmoment wie folgt dargestellt werden:

T = m ×g×L

wobei T das erforderliche Drehmoment, m die Masse, g die Erdbeschleunigung und L der wirksame Abstand zwischen der Gelenkachse und dem Schwerpunkt ist.

Wenn der Roboterarm seine Position ändert, kann sich auch der wirksame Hebelarm ändern.

Das bedeutet, dass die Anforderungen an Robotergelenkmotoren über den vollständigen Bewegungsbereich und nicht nur für eine einzelne statische Position berechnet werden sollten.

Warum die Werkzeugträgheit bei der Auswahl eines Robotergelenkmotors wichtig ist？

Die Masse des Endeffektors ist nur ein Teil der dynamischen Last.

Das Trägheitsmoment des Werkzeugs kann einen wesentlichen Einfluss auf die Leistung des Robotergelenkmotors haben.

Ein Werkzeug mit großem Versatz zur Drehachse kann ein erhebliches Beschleunigungsdrehmoment erfordern, selbst wenn seine Gesamtmasse relativ gering ist.

Das Trägheitsmoment kann vereinfacht dargestellt werden als:

J = m×r²

wobei J das Trägheitsmoment, m die Masse und r den Abstand zwischen der Masse und der Drehachse darstellt.

Die quadratische Beziehung zum Abstand bedeutet, dass eine Vergrößerung des Abstands zwischen Werkzeugmasse und Drehachse die Trägheit erheblich erhöhen kann.

Während der Beschleunigung und Verzögerung muss der Robotergelenkmotor zusätzliches Drehmoment erzeugen.

Dieses dynamische Drehmoment kann wie folgt dargestellt werden:

T = J× α

wobei α die Winkelbeschleunigung ist.

Bei Roboterarmen mit langen Greifern, Inspektionswerkzeugen, Kameras, Prozessköpfen oder verlängerten Werkzeugwechslern sollte die Trägheit daher zusammen mit der Tragfähigkeit bewertet werden.

Ein Robotergelenkmotor, der anhand des statischen Drehmoments ausreichend erscheint, bietet bei schnellen Bewegungen möglicherweise nicht die erforderliche dynamische Leistung.

Wie die Masse des Robotergelenkmotors die Dynamik des Roboterarms beeinflusst？

Die Masse eines Robotergelenkmotors wird Teil des Roboterarms selbst.

Dies ist besonders wichtig für Gelenke, die weiter von der Roboterbasis entfernt liegen.

Ein schweres Gelenk nahe dem Ende des Arms wird für die anderen Robotergelenke zu einer nachgelagerten Last. Diese zusätzliche Masse muss während jedes Bewegungszyklus beschleunigt und abgebremst werden.

Daher kann die Auswahl eines unnötig großen Gelenkmotors für eine Achse die Drehmomentanforderungen anderer Achsen erhöhen.

Dieser Effekt kann sich kumulieren.

Ein größerer Gelenkmotor kann die nachgelagerte Masse erhöhen. Eine höhere nachgelagerte Masse kann einen größeren vorgeschalteten Motor erfordern. Der größere vorgeschaltete Motor fügt der Roboterstruktur wiederum mehr Masse hinzu.

Deshalb sollte die Auswahl von Robotergelenkmotoren die Massenverteilung des vollständigen Roboterarms berücksichtigen.

Bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen kann die Verringerung unnötiger distal gelegener Masse dazu beitragen, die Beschleunigung des Endeffektors zu verbessern und die mechanische Belastung des gesamten Roboters zu reduzieren.

Warum die Drehmomentdichte für die Leistung des Endeffektors wichtig ist？

Die Drehmomentdichte ist ein wichtiger Parameter bei der Auswahl eines Robotergelenkmotors, da Robotersysteme Ausgangsleistung mit Größe und Masse ausbalancieren müssen.

Ein kompakter Gelenkmotor mit ausreichendem Drehmoment kann dazu beitragen, die Abmessungen des Roboterarms zu reduzieren. Ein leichtes Gelenk kann die nachgelagerte Masse verringern. Eine geringere nachgelagerte Masse kann das von anderen Gelenken erforderliche Drehmoment reduzieren.

Diese Vorteile können die dynamische Leistung des Endeffektors verbessern.

Das Ziel besteht jedoch nicht einfach darin, den kleinstmöglichen Robotergelenkmotor zu wählen.

Ein zu klein ausgelegter Motor kann ein unzureichendes Dauerdrehmoment, begrenzte thermische Kapazität oder eine geringe Überlastfähigkeit aufweisen.

Ziel ist die Auswahl eines Robotergelenkmotors, der ein angemessenes Gleichgewicht zwischen Ausgangsdrehmoment, Gelenkmasse, Einbaumaßen und dynamischen Anforderungen bietet.

Dies ist besonders wichtig bei der Konstruktion von Roboterarmen für Hochgeschwindigkeitshandhabung, Inspektion, Maschinenbeschickung und automatisierte Montage.

Harmonic-Gelenkmotor und Endeffektorleistung

Ein Harmonic-Gelenkmotor wird typischerweise durch die Kombination eines Motors mit einem Harmonic-Getriebesystem und weiteren Bewegungskomponenten in einer kompakten Gelenkstruktur ausgeführt.

Diese Art von Lösung kann vorteilhaft sein, wenn ein Roboterarm ein hohes Untersetzungsverhältnis innerhalb eines kompakten Einbauraums benötigt.

Für Robotersysteme kann ein Harmonic-Gelenkmotor eine kompakte mechanische Architektur unterstützen und gleichzeitig ein im Verhältnis zu seiner Größe hohes Ausgangsdrehmoment liefern.

Dies kann wertvoll sein, wenn der Einbauraum begrenzt ist oder wenn kleinere Gelenkabmessungen die Gesamtkonstruktion des Roboterarms verbessern.

Harmonic-Getriebetechnologie kann auch für Anwendungen geeignet sein, bei denen eine kontrollierte Drehpositionierung wichtig ist.

Beispielsweise können Roboterarme für Präzisionsmontage, Inspektion, kompakte Automatisierungsanlagen und kontrollierte Materialhandhabung von einem Harmonic-Gelenkmotor profitieren, wenn die erforderliche Kombination aus Drehmoment, Abmessungen und Positionierleistung den Eigenschaften des Systems entspricht.

Ein Harmonic-Gelenkmotor sollte jedoch weiterhin anhand der vollständigen Roboteranwendung bewertet werden.

Die erforderliche Ausgangsdrehzahl, Einschaltdauer, externe Last, Beschleunigung, mechanische Steifigkeit und Endeffektorträgheit sollten vor der endgültigen Auswahl berücksichtigt werden.

Planeten-Gelenkmotor und Endeffektorleistung

Ein Planeten-Gelenkmotor verwendet ein Planetenuntersetzungssystem, um innerhalb des Robotergelenks Drehzahl und Drehmoment umzuwandeln.

Planetengetriebesysteme werden in industriellen Bewegungsanwendungen weit verbreitet eingesetzt und können einen flexiblen Ansatz für Untersetzungsverhältnis und Leistungskonfiguration bieten.

Für Roboterarme kann ein Planeten-Gelenkmotor geeignet sein, wenn die erforderliche Ausgangsdrehzahl, das Drehmoment, der Wirkungsgrad und die Systemkonfiguration mit den Eigenschaften der Anwendung übereinstimmen.

Unterschiedliche Untersetzungsverhältnisse können unterschiedliche Beziehungen zwischen Motordrehzahl und Ausgangsdrehzahl ermöglichen.

Dies kann nützlich sein, wenn der Roboterarm ein bestimmtes Gleichgewicht zwischen schneller Bewegung und Ausgangsdrehmoment erfordert.

Ein Planeten-Gelenkmotor sollte nicht einfach als leistungsschwächere Alternative zu einem Harmonic-Gelenkmotor betrachtet werden.

Die beiden Technologien besitzen unterschiedliche mechanische Eigenschaften.

Die geeignete Wahl hängt von der Aufgabe des Endeffektors, dem erforderlichen Bewegungsprofil, dem verfügbaren Einbauraum, dem Ausgangsdrehmoment, den Geschwindigkeitsanforderungen und der vollständigen Roboterarmarchitektur ab.Harmonic-Gelenkmotor vs. Planeten-Gelenkmotor

Der Vergleich zwischen einem Harmonic-Gelenkmotor und einem Planeten-Gelenkmotor sollte mit der Roboteraufgabe beginnen und nicht mit einer allgemeinen Aussage darüber, welche Technologie besser ist.

Ein Harmonic-Gelenkmotor kann besser geeignet sein, wenn der Roboterarm eine kompakte Struktur, ein hohes Untersetzungsverhältnis, hohe Drehmomentdichte und präzise Drehbewegungen in begrenztem Einbauraum erfordert.

Ein Planeten-Gelenkmotor kann geeignet sein, wenn die Anwendung ein anderes Gleichgewicht zwischen Ausgangsdrehzahl, Getriebewirkungsgrad, Untersetzungsverhältnis und mechanischer Konfiguration erfordert.

Die endgültige Entscheidung sollte die vollständigen Betriebsbedingungen berücksichtigen.

Dazu gehören die Masse des Endeffektors, Nutzlast, Schwerpunkt, Werkzeugträgheit, erforderliche Geschwindigkeit, Beschleunigung, Einschaltdauer, Abmessungen des Roboterarms und Einbauanforderungen.

Der beste Robotergelenkmotor ist nicht unbedingt derjenige mit dem höchsten Drehmoment oder der komplexesten Getriebetechnologie.

Es ist der Gelenkmotor, der dem vollständigen Roboterarm ermöglicht, die erforderliche Endeffektorleistung effizient und zuverlässig zu erreichen.

Wie die Gelenksteifigkeit die Stabilität des Endeffektors beeinflusst？

Die Stabilität des Endeffektors wird von der vollständigen mechanischen Struktur des Roboterarms beeinflusst.

Die Gelenke, Getriebesysteme, Lager, Gehäuse, Montageschnittstellen und Roboterglieder können unter Last jeweils geringe mechanische Verformungen erfahren.

Diese Effekte können sich über den gesamten Roboterarm hinweg addieren.

Bei einem Roboter mit großer Reichweite kann eine kleine Winkelverschiebung nahe der Basis eine größere Positionsänderung am Endeffektor verursachen.

Das bedeutet, dass das Ausgangsdrehmoment allein nicht ausreicht, um einen Robotergelenkmotor zu bewerten.

Auch die mechanische Steifigkeit sollte berücksichtigt werden, wenn die Anwendung eine stabile Werkzeugpositionierung erfordert.

Dies ist besonders relevant für Roboteranwendungen mit Präzisionsmontage, Inspektion, Einfügen, Dosieren, Polieren und anderen Aufgaben, bei denen die Beziehung zwischen Endeffektor und Werkstück stabil bleiben muss.

Ziel ist es, den Gelenkmotor als Teil des vollständigen mechanischen Systems zu bewerten.

Dynamisches Ansprechverhalten und Einschwingzeit des Endeffektors

Ein Roboter kann in der Lage sein, eine Zielposition schnell zu erreichen, während der Endeffektor dennoch zusätzliche Zeit zur Stabilisierung benötigt.

Nach Beschleunigung und Verzögerung können Vibrationen im Roboterarm das Einschwingverhalten des Endeffektors beeinflussen.

Diese Einschwingzeit kann den tatsächlichen Produktionszyklus unmittelbar beeinflussen.

Beispielsweise erhöht eine höhere maximale Robotergeschwindigkeit nicht immer die Produktivität, wenn der Roboter warten muss, bis die Vibrationen abklingen, bevor der Endeffektor seinen nächsten Vorgang beginnen kann.

Die Auswahl des Robotergelenkmotors kann dieses Verhalten durch Faktoren wie Gelenkmasse, Ausgangsträgheit, mechanische Steifigkeit, Getriebeeigenschaften und die dynamische Wechselwirkung zwischen den Roboterachsen beeinflussen.

Für die Hochgeschwindigkeitsautomatisierung sollten Ingenieure daher berücksichtigen, wie schnell sich der Endeffektor bewegen, stoppen und stabilisieren kann.

Das Ziel sollte nicht nur eine hohe maximale Geschwindigkeit sein.

Das Ziel sollte eine effektive Bewegungsleistung während des gesamten Betriebszyklus sein.

Auswahl eines Robotergelenkmotors für verschiedene Endeffektoraufgaben

Unterschiedliche Endeffektoren stellen unterschiedliche Anforderungen an den Robotergelenkmotor.

Ein Materialhandhabungsgreifer kann eine hohe Tragfähigkeit und effiziente wiederholte Bewegungen erfordern. Ein Präzisionsmontagewerkzeug kann kontrollierte Positionierung und stabile Bewegung erfordern. Ein Bildverarbeitungssystem kann geringe Vibrationen und schnelles Einschwingen erfordern. Ein Prozesswerkzeug kann Dauerbetrieb unter sich ändernden externen Lasten erfordern.

Aus diesem Grund sollte die Auswahl eines Robotergelenkmotors auf der tatsächlichen Arbeitsaufgabe beruhen.

Die Aufgabe definiert die Anforderungen an den Endeffektor.

Die Anforderungen an den Endeffektor definieren die erforderliche Leistung des Roboterarms.

Die Leistungsanforderungen des Roboterarms definieren dann die Anforderungen an Drehmoment, Geschwindigkeit, Masse, Steifigkeit und Getriebe jedes Robotergelenkmotors.

Dieser Systemansatz hilft, die Auswahl von Robotergelenken ausschließlich anhand von Katalogspezifikationen zu vermeiden.

Eine systemorientierte Methode zur Auswahl von Robotergelenkmotoren

Ein praktischer Auswahlprozess für Robotergelenkmotoren beginnt mit der Definition des Endeffektors und der Aufgabe.

Die vollständige Endbaugruppe sollte die Masse des Werkzeugs, der Nutzlast, Sensoren, Steckverbinder, Kabel und weiterer installierter Ausrüstung umfassen.

Anschließend sollten Schwerpunkt und Trägheitsmoment bewertet werden.

Der erforderliche Bewegungsbereich, die Geschwindigkeit, Beschleunigung und Zykluszeit können zur Festlegung der dynamischen Leistungsanforderungen des Roboterarms verwendet werden.

Ein mechanisches Modell kann dann verwendet werden, um die statischen und dynamischen Lasten abzuschätzen, denen jedes Gelenk im gesamten Arbeitsbereich ausgesetzt ist.

Die erforderlichen Gelenkeigenschaften können anschließend anhand von Ausgangsdrehmoment, Anforderungen an den Dauerbetrieb, Geschwindigkeit, Masse, Abmessungen, Getriebekonfiguration und Einbaubedingungen bewertet werden.

Nachdem vorläufige Gelenkmotoren ausgewählt wurden, sollten ihre tatsächliche Masse und ihre Abmessungen in das vollständige Roboterarmmodell einbezogen werden.

Das System kann dann erneut bewertet werden, um zu bestimmen, wie die ausgewählten Robotergelenkmotoren die endgültige Endeffektorleistung beeinflussen.

Dieser iterative Ansatz kann Ingenieuren helfen, unnötige Überdimensionierung zu vermeiden und gleichzeitig ausreichende Leistung und Zuverlässigkeit zu erhalten.

HONPINE Lösungen für Harmonic-Gelenkmotoren und Planeten-Gelenkmotoren

HONPINE bietet integrierte Bewegungsprodukte für Robotik- und industrielle Automatisierungsanwendungen, einschließlich Harmonic-Gelenkmotoren und Lösungen für Planeten-Gelenkmotoren.

Unterschiedliche Roboteranwendungen können unterschiedliche Kombinationen aus Ausgangsdrehmoment, Untersetzungsverhältnis, Geschwindigkeit, Abmessungen und Gelenkmasse erfordern.

Aus diesem Grund sollte die Auswahl von Robotergelenkmotoren das vollständige Robotersystem und nicht eine einzelne Spezifikation berücksichtigen.

Wichtige Anwendungsinformationen können den Endeffektortyp, die Nutzlast, die Werkzeugmasse, den Schwerpunkt, die Reichweite des Roboterarms, die Gliedermasse, die erforderliche Ausgangsdrehzahl, die Beschleunigung, den Betriebszyklus und den verfügbaren Einbauraum umfassen.

Diese Parameter können eine Grundlage für die Bewertung der Leistungsanforderungen jedes Gelenks bilden.

Je nach Anwendung kann ein Harmonic-Gelenkmotor Vorteile für kompakte Roboterarchitekturen bieten, die hohe Untersetzungsverhältnisse und starke Drehmomentdichte erfordern.

Ein Planeten-Gelenkmotor kann eine alternative Lösung bieten, wenn ein anderes Gleichgewicht zwischen Ausgangsdrehzahl, Getriebekonfiguration und mechanischen Anforderungen benötigt wird.

Durch die Bewertung des vollständigen Roboterarms und der am Endeffektor erforderlichen Leistung können Konstrukteure eine ausgewogenere Gelenkmotorarchitektur für die Anwendung auswählen.

Fazit

Die Leistung eines Roboterarms wird letztlich am Endeffektor gemessen.

Aus diesem Grund sollte die Auswahl eines Robotergelenkmotors mit der endgültigen Aufgabe und nicht mit einer Produktspezifikation beginnen.

Masse und Schwerpunkt des Endeffektors beeinflussen die Gelenkbelastung. Die Werkzeugträgheit beeinflusst die Beschleunigungsanforderungen. Die Gelenkmasse beeinflusst die dynamische Leistung des vollständigen Roboterarms. Die mechanische Steifigkeit beeinflusst die Stabilität des Endeffektors. Die kombinierte Leistung aller Robotergelenke beeinflusst, wie schnell sich der Endeffektor bewegen und einschwingen kann.

Ein Harmonic-Gelenkmotor und ein Planeten-Gelenkmotor können beide effektive Lösungen für Robotersysteme bieten, sollten jedoch entsprechend den tatsächlichen Anforderungen der Anwendung ausgewählt werden.

Der beste Robotergelenkmotor ist nicht einfach die leistungsstärkste, kleinste oder Lösung mit dem höchsten Untersetzungsverhältnis.

Es ist der Gelenkmotor, der für den vollständigen Roboterarm das richtige Gleichgewicht zwischen Drehmoment, Geschwindigkeit, Masse, Abmessungen, dynamischer Leistung und Zuverlässigkeit bietet.

Indem Ingenieure mit den Anforderungen des Endeffektors beginnen und rückwärts durch den Roboterarm arbeiten, können sie eine effizientere und anwendungsorientiertere Gelenkmotorarchitektur entwickeln.

HONPINE bietet Harmonic-Gelenkmotoren und Lösungen für Planeten-Gelenkmotoren für Robotik- und Automatisierungsanwendungen und unterstützt Systemkonstrukteure bei der Bewertung integrierter Drehbewegungslösungen entsprechend den Leistungsanforderungen ihrer vollständigen Robotersysteme.