Шаговый двигатель с планетарным редуктором: руководство по выбору | HDB Motors

Большинство инженеров начинают рассматривать планетарные редукторы не потому, что сами захотели. Они начинают искать, потому что что-то пошло не так: шаговый двигатель остановился под нагрузкой, ось позиционирования из-за вибрации вышла за допуск или двигатель нагрелся так, что сработала тепловая защита при 40% номинальной скорости. Планетарный редуктор существует именно для устранения таких отказов, и когда вы поймёте почему, будет сложно проектировать требовательную систему перемещения без него.

В этом руководстве рассматриваются механика, логика выбора, области наиболее эффективного применения таких узлов в производственных условиях и на что обращать внимание при закупке у производителя. Оно' написано для инженеров, которым нужно принять решение, а не для тех, кто хочет почитать о зубчатых передачах.

Что на самом деле делает планетарный редуктор с шаговой системой

Шаговый двигатель перемещается фиксированными угловыми приращениями. В этом его сила — предсказуемое, повторяемое позиционирование без обратной связи. Проблема в кривой крутящего момента. Пиковый момент достигается при нулевой скорости и резко падает по мере роста частоты вращения. Работая шаговым двигателем на 800 об/мин, вы' часто располагаете лишь 30–40% от номинального удерживающего момента. Если пройти через резонансный диапазон 100–300 об/мин, двигатель начинает вибрировать, иногда настолько сильно, что полностью теряет шаги.

Планетарный редуктор меняет рабочую точку. Двигатель работает быстро — от 500 до 1500 RPM на входе — а выходной вал вращается медленно с умноженным моментом. Передаточное отношение 20:1 даёт на выходе 20-кратный момент на входе (минус потери на КПД, обычно 5–10% на ступень). Двигатель остаётся в своём эффективном диапазоне частот вращения выше резонанса, а приведённая инерция нагрузки падает пропорционально квадрату передаточного числа. Нагрузка, которая представлялась как 100 kg·cm² на валу двигателя, теперь выглядит как 1 kg·cm². Только это изменение резко улучшает то, насколько быстро и чисто двигатель может разгоняться и останавливаться.

Планетарная архитектура — центральная солнечная шестерня, три или более сателлитов, вращающихся вокруг неё, и неподвижное внешнее кольцо — распределяет нагрузку по нескольким точкам зацепления одновременно. Именно поэтому планетарные ступени достигают КПД 90–97%, тогда как червячные редукторы с тем же передаточным отношением с трудом преодолевают 70%. Этим же объясняется и больший ресурс планетарных редукторов при циклических нагрузках: ни один зуб не принимает на себя всю ударную нагрузку.

Если в вашем применении используются также бесколлекторные двигатели постоянного тока, а не шаговые, применим тот же принцип планетарного редуцирования. HDB Motors производит Планетарные редукторные бесколлекторные двигатели для высокоскоростных конфигураций с продолжительным режимом работы, где характеристики BLDC подходят лучше.

Где эти узлы реально применяются

Подробный разбор категорий применения с контрольными данными по моменту и скорости см. в Руководство по производителям шаговых двигателей с редуктором охватывая варианты применения в AGV, робототехнике, медицине и промышленной автоматизации.

Роботизированные суставы, вероятно, самое требовательное применение. Сегмент руки длиной 400 mm с полезной нагрузкой 2 kg создаёт значительный момент в плечевом суставе, особенно при быстрых реверсах. Шаговый двигатель NEMA 23 через планетарную ступень 50:1 с косозубыми колёсами справляется с этим — но ключевым является не только момент, а люфт. Если у редуктора люфт 30 arcmin, рука длиной 400 mm уходит почти на 3,5 mm в конечном звене только из-за механического зазора. Именно поэтому прецизионные роботизированные суставы используют планетарные ступени с косозубыми колёсами и люфтом не более 5 arcmin.

Системы солнечного слежения представляют противоположную задачу: очень медленный выход, очень высокий удерживающий момент, и двигатель работает непрерывно годами. Одноосный трекер может поворачиваться на 180° за 12 часов — примерно 0,004 RPM на выходном валу. При передаточном отношении 100:1 вход шагового двигателя работает на 0,4 RPM, что тоже почти неподвижно, но ключевой момент в том, что редуктор воспринимает ветровую нагрузку через зубчатое зацепление, а не заставляет двигатель удерживать позицию в одиночку. Шаговые двигатели удерживают позицию без питания энкодера — потери позиции при кратковременных перерывах питания не происходит, — что важно на открытых площадках, где стабильность сети не гарантирована.

Оси рулевого управления AGV, поворотные столы CNC, перистальтические насосы, устройства обработки образцов в лабораторной автоматизации и линейные приводы с ходовым винтом подчиняются схожей логике: применение требует крутящего момента и точности, которые шаговый двигатель без редуктора не' может обеспечить надёжно, а планетарный редуктор решает обе задачи одновременно.

Выбор правильного передаточного отношения

Процесс выбора передаточного отношения звучит механически, но именно здесь' действительно возникает большинство проблем на уровне системы. Ошибётесь — и вы либо сожжёте двигатель, пытаясь переместить несоответствующую инерционную нагрузку, либо чрезмерно занизите передаточное число и потеряете скорость, необходимую для обеспечения времени цикла. Полный метод расчёта с разобранными примерами см. в the Руководство по выбору передаточного числа планетарного редуктора.

Отправная точка всегда — момент нагрузки: трение, составляющая силы тяжести, если ось вертикальна, инерция при ускорении и коэффициент запаса не менее 1,5×. Это число показывает минимальный выходной момент, который должен обеспечивать редуктор. Передаточное число затем следует из деления номинальной скорости двигателя на требуемую скорость выходного вала. Рассчитанное передаточное число должно одновременно удовлетворять и требованию по моменту, и требованию по скорости; если это не так, нужен другой типоразмер двигателя или двухступенчатый редуктор.

Проверка инерции — тот шаг, который большинство инженеров пропускают, пока не столкнутся с неприятным опытом. Инерция нагрузки, приведённая к валу двигателя, равна фактической инерции нагрузки, делённой на квадрат передаточного числа. Если приведённая инерция превышает 10-кратную инерцию ротора двигателя, система будет вялой при разгоне и склонной к перерегулированию при торможении — иногда настолько, что это вызывает потерю позиции в разомкнутом контуре. Увеличение передаточного числа устраняет рассогласование по инерции; его уменьшение устраняет избыточную редукцию. Этот компромисс и есть основа выбора передаточного числа.

Люфт: характеристика, которая губит проекты на позднем этапе

Моментная способность проявляется в приёмочных испытаниях. Люфт проявляется через три месяца после установки, когда заказчик звонит по поводу дрейфа позиции. Это та характеристика, которой пренебрегают при закупке, потому что её труднее измерить при входном контроле, и она накапливается по кинематической цепи так, что становится заметной только после сборки машины.

Люфт — это угловая мёртвая зона между входом и выходом: насколько далеко может повернуться выходной вал, прежде чем входная шестерня полностью войдёт в зацепление в противоположном направлении. В линейном модуле он напрямую превращается в ошибку позиционирования. В поворотном столе или сочленении робота ошибка на рабочем органе зависит от длины руки. При люфте 15 угловых минут рычаг длиной 500 мм набирает 2,2 мм неопределённости положения. Это допустимо для конвейерной заслонки; это проблема для сварочного контура или дозирующей иглы.

Прецизионные планетарные ступени решают эту задачу за счёт более жёстких допусков на зубья (класс DIN 5 и выше), предварительно нагруженных выходных подшипников и косозубого профиля, который входит в зацепление постепенно, а не ударяется торцами. Косозубые планетарные редукторы серии PH производства HDB Motors' удерживают люфт на уровне ≤3 угловых минут во всём стандартном каталожном диапазоне передаточных отношений, с двухступенчатыми конфигурациями для требований менее одной угловой минуты. Полные спецификации и варианты OEM-конфигурации см. Производитель планетарных редукторов с низким люфтом страница.

Прямозубый и косозубый планетарный

Оба типа — планетарные архитектуры; разница в геометрии зубьев. У прямозубых планетарных шестерён зубья нарезаны параллельно оси вала; косозубые — под углом. Косозубое зацепление происходит постепенно, а не резко, что снижает ударный шум, уменьшает люфт и распределяет нагрузку более равномерно по поверхности зуба. Плата за это — стоимость и небольшая осевая сила, которую должен воспринимать выходной подшипник.

Для большинства применений промышленной автоматизации, которые не' связаны с прецизионным позиционированием или чувствительными к шуму средами, правильным выбором является планетарный редуктор с прямозубыми колёсами — более низкая стоимость, достаточные характеристики, проверенная долговечность. Планетарный редуктор с косозубыми колёсами целесообразен, когда этого действительно требуют технические условия, а не как обновление по умолчанию.

OEM-спецификации для фиксации перед производством

Прототипы допускают погрешности. Серийное производство' — нет. Приведённые ниже характеристики необходимо согласовать в письменном виде с производителем до запуска оснастки или размещения заказов на закупку, поскольку изменение некоторых из них — особенно геометрии выходного вала и класса защиты IP — после начала производства обходится очень дорого.

Заметка о выборе поставщика

Есть существенная разница между поставщиком, который собирает шаговый двигатель с редуктором, приобретённым отдельно, и тем, кто производит оба узла под одной крышей. Когда редуктор поступает от третьей стороны, допуски интерфейса — диаметр входного отверстия, предварительный натяг подшипников, биение вала — контролируются двумя разными системами качества. Небольшие размерные отклонения, проходящие индивидуальный контроль каждой компании, могут складываться и приводить к заклиниванию, шуму или преждевременному износу в месте сопряжения. Собственное производство обоих компонентов позволяет проектировать и контролировать интерфейс соединения как единый узел.

Готовы настроить ваш планетарный редукторный шаговый двигатель?

HDB Motors выпускает шаговые двигатели в сборе с планетарным редуктором в типоразмерах NEMA 17, NEMA 23 и NEMA 34 с прямозубыми и косозубыми планетарными ступенями, охватывающими передаточные отношения от 5:1 до 1000:1. Если вы уже проработали выбор передаточного отношения и требования по люфту, наша инженерная команда может проверить конфигурацию по вашему фактическому профилю нагрузки — включая запас по моменту, согласование инерции и подбор драйвера — до того, как вы оформите заказ на покупку.

   Смотреть ассортимент планетарных редукторов               ⇩ Скачать каталог продукции (PDF)               Свяжитесь с инженерной командой