機械手關(guān)節(jié)用精密減速機,為啥不讓電機直接上,多此一舉嗎?
我們知道,機器人臂部結(jié)構(gòu)中機器人關(guān)節(jié)處都安裝有電機和減速機用來控制關(guān)節(jié)運動,那么大家不禁會想到一個問題:在機器人系統(tǒng)中,為什么不能直接控制伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制關(guān)節(jié)運動,為何機械手關(guān)節(jié)還要用精密減速機?
要回答這個問題,首先要明確機械手關(guān)節(jié)用精密減速機的作用:
1.工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)需要撐住后端機構(gòu)由于重力產(chǎn)生的扭矩。
2.工業(yè)機器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速不高。機器人關(guān)節(jié)角速度很低,可電機在極低的速度下轉(zhuǎn)動是不平穩(wěn)的,控制不易,需要一個機械讓電機在較合理的轉(zhuǎn)速下運動,保證運動的平順。
那么機械手關(guān)節(jié)用精密減速機的原因有兩點,第一點是提扭矩,第二點就是提控制分辨率和閉環(huán)精度。
例如,一個50:1的諧波減速機就能輕松將一個額定100mNm的電機的額定扭矩提升到5Nm,代價是:
1.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比直驅(qū)高49倍
本來工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速就不高,一般都是每秒一兩轉(zhuǎn),額定100mNm的電機輕松跑6k轉(zhuǎn)/min,白不轉(zhuǎn)那么快。要是嫌轉(zhuǎn)的不夠快?解決辦法就是提電壓,但這要考慮的是軸承和轉(zhuǎn)子是否撐得住。
2.重量提高到原來3倍
舉個例子,maxon EC45最厚的電機額定轉(zhuǎn)矩為83mNm,重110g;maxon EC90的額定轉(zhuǎn)矩為560mNm,重600g。從這個兩個數(shù)據(jù)出發(fā),可以腦補一下額定5Nm的電機重量是多少倍。
3.維持相同扭矩時,發(fā)熱功率是不加減速機的1/2500
其實不是說額定100mNm的電機干不到5Nm,也是可以做到的,只要往死里提電流就好了,但這樣將會造成電機快速發(fā)燙,撐不了幾秒就得冒煙,就算上了水冷電費也會比較多。要想達到相同扭矩又不想太燙就得換扭矩/發(fā)熱效率高且熱阻小、熱容量大的電機,但這樣就又回到2所說的問題了。
機械手關(guān)節(jié)用減速機
機械手關(guān)節(jié)用精密減速機
除了上面的解答,這里還有一個案例,可來從另一個角度間接回答此問題。
某客戶一種型號為6150的車床,卡盤為10寸(直徑約250mm)液壓卡盤,為了達到單邊7mm的切削能力,利用主軸電機(交流異步電機)的低速大扭矩(轉(zhuǎn)矩)特性,擬選取一款7.5kw額定轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)的電機,同時使用1:2傳動比(減速)的齒輪。
已知傳動比和功率、轉(zhuǎn)矩成正比,即使用1:2的傳動比,7.5kw的電機達到了15kw、同時2倍轉(zhuǎn)矩(注意,此處不是指2倍額定轉(zhuǎn)矩)的特性。如果選擇的是15kw的電機,價格就要貴不少,安裝尺寸也要變大;而加工出1:2傳動比的一對齒輪不需要很多錢。
不明白的可查看一下異步電機功率、轉(zhuǎn)矩特性曲線圖。(注意:和直流電機不同,異步電機是可能工作在超過橫轉(zhuǎn)矩區(qū)的)
以上就是為什么不能直接控制伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來控制關(guān)節(jié)運動,而是機械手關(guān)節(jié)用精密減速機的原因。雖然現(xiàn)在有直驅(qū)電機驅(qū)動的機器人,但是由于上述問題,成熟度上還差一些。