伴随着工业时代的不断革新,设备的更换也越来越快。现在的工厂都会使用一些自动化设备,有的甚至全线自动化操作。这些自动化机械的背后都有一个强大的核心,也就是一个动力系统。

为什么使用减速器?为什么不直接控制电机转速来控制机器人关节运动?

在机器人系统中,为什么不能直接控制伺服电机转子转速控制关节运动,为何还需要减速器?

要回答这个问题,首先要明确工业机器人关节的工况:

1. 工业机器人的关节需要撑住后端机构由于重力产生的扭矩。

2. 工业机器人关节转速不高。机器人关节角速度很低,可电机在极低的速度下转动是不平稳的,控制不易,需要一个机械让电机在较合理的转速下运动,保证运动的平顺。

那么使用减速机的原因有两点,第一点是提扭矩,第二点就是提控制分辨率和闭环精度。

例如,一个50:1的谐波减速机就能轻松将一个额定100mNm的电机的额定扭矩提升到5Nm,代价是:

1.转子转速比直驱高49倍

本来工业机器人的关节转速就不高,一般都是每秒一两转,额定100mNm的电机轻松跑6k转/min,白不转那么快。要是嫌转的不够快?解决办法就是提电压,但这要考虑的是轴承和转子是否撑得住。

2.重量提高到原来3倍

举个例子,maxon EC45最厚的电机额定转矩为83mNm,重110g;maxon EC90的额定转矩为560mNm,重600g。从这个两个数据出发,可以脑补一下额定5Nm的电机重量是多少倍。

3.维持相同扭矩时,发热功率是不加减速机的1/2500

其实不是说额定100mNm的电机干不到5Nm,也是可以做到的,只要往死里提电流就好了,但这样将会造成电机快速发烫,撑不了几秒就得冒烟,就算上了水冷电费也会比较多。要想达到相同扭矩又不想太烫就得换扭矩/发热效率高且热阻小、热容量大的电机,但这样就又回到2所说的问题了。

此外,使用减速机的好处有:

1.以更低价格的机械实现更高的分辨率

分辨率高的好处是转速控制可以更精确,由于量化造成的阶跃产生的高频分量变得很小,控制更加平滑。

2. 提高闭环精度,更好的控制控制环路

转子等效的转动惯量提高到了2500倍,使得控制环路的滞后环节受转子惯量占主导,而转子由于直接受电磁力的驱动从而没有由于刚度造成的扭矩滞后,比直驱要好控。


除了上面技术性方面的解答,这里还有一个案例,可来从另一个角度间接回答此问题。

除了获得低速、大扭矩特性,机器人上用的直流电机可能也有这方面原因,而所用的减速机的传动比可能更大(2级传动或更高)。

当然,使用减速机并不是完美的,还是有一些缺点,但是,两相比较之下,还是使用减速机更为合适。

使用减速机之缺点:

1. 如果配置了减速机而编码器又装在电机端的话,减速机的制造精度会影响实际精度;

2. 多级减速机里的齿隙油膜厚度变化等小误差经过多级放大还是会造成重复精度的下降;

3. 还有减速机毕竟有齿轮啮合或是柔轮变形,有寿命限制;

4. 对多连杆机构齿隙的非线性耦合使得机器人的绝对精度较差,所以工业机器人只谈重复定位精度不谈绝对精度,从而使得机器人很难纯粹地进行离线编程,提高了部署的难度和成本。

以上就是为什么不能直接控制伺服电机转子转速来控制关节运动,而是需要使用减速器的原因。虽然现在有直驱电机驱动的机器人,但是由于上述问题,成熟度上还差一些。

总之,工业机器人上用减速机就是用电机容易达到的高转速换取电机不易做到的高扭矩和低质量。

润马智能在机械手上使用的日本新宝的减速机,为什么选用新宝品牌的呢?新宝减速机具有以下特点:

1、高精度,齿轮背隙0.05°(3分)的高精度系列,在精密定位方面发挥了强大的威力,并能充分发挥高精度伺服马达的特性;

2、高刚性,采用体制钢材直接进行本体的机械加工;

3、高刚性锥形滚子轴承,实现了高扭矩,使用整体式滚珠轴承,大大提高了刚性和扭矩;

4、高负载容量,主轴承采用锥形滚柱轴承,实现高负载容量;

5、法兰、轴套方式,可安装于全球任一伺服马达上;

6、无润滑脂泄露,使用高粘度不易分离的润滑脂,有效方式润滑脂写泄露;

7、长寿命,采用耐久性良好、磨耗少的高级润滑脂无需长时间保养(20000小时)。