В современном промышленном мире коллаборативные роботы (коботы) преобразуют производственные линии, лаборатории и даже учреждения здравоохранения, безопасно работая вместе с людьми. Для достижения плавных, точных и повторяемых движений коботы полагаются на высокопроизводительные датчики положения, которые компактны, легки и очень надежны. Среди доступных устройств обратной связи Корпусные резольверы — магнитные вращающиеся трансформаторы, заключенные в прочные металлические корпуса, — быстро завоевывают популярность благодаря своей способности обеспечивать абсолютную бесщеточную обратную связь в сложных условиях.
1. Коллаборативные роботы и потребность в легких, компактных и безопасных датчиках
1.1 Рост использования коботов в современной автоматизации
Коллаборативные роботы (или коботы) предназначены для того, чтобы делить рабочее пространство с людьми-операторами, не охраняя заборы или клетки безопасности. Эта новая парадигма требует, чтобы роботы были по своей сути безопасными, отзывчивыми и универсальными. Ключевые приоритеты проектирования включают в себя:
Легкие рычаги и концевые исполнительные механизмы.
Чтобы свести к минимуму кинетическую энергию в случае непреднамеренного контакта, звенья кобота изготовлены из алюминиевых или углеродных композитов, причем каждое соединение оптимизировано для низкой инерции.
Компактные
коботы часто работают в переполненных заводских цехах или на лабораторных столах; их соединения и датчики должны помещаться в тесных пространственных оболочках.
Высокие стандарты безопасности
ISO 10218-1 и ISO/TS 15066 определяют требования безопасности при проектировании и эксплуатации роботов, включая максимально допустимые силы и скорости при контакте с людьми.
Эти приоритеты предъявляют строгие требования к датчикам с обратной связью по положению. Традиционные оптические энкодеры или большие резольверы увеличивают вес, объем и требуют защитных корпусов. Напротив, резольвер в микрокорпусе сочетает в себе абсолютную обратную связь с цельнометаллическим герметичным корпусом, который можно встроить непосредственно в тонкий корпус шарнира.
1.2 Требования к датчикам для совместных приложений
Эффективная работа кобота зависит от:
Абсолютная точность положения.
Каждое соединение должно мгновенно определять свой угол, даже после выключения и включения питания, чтобы возобновить работу без возвратных движений.
Малая масса и малый размер
Каждый грамм дополнительной массы датчика увеличивает потребление энергии и снижает динамические характеристики.
Датчики электрической и механической безопасности
должны соответствовать строгим стандартам изоляции, заземления и безопасности от механических повреждений.
Надежность в человекоориентированной среде
Коботы часто работают рядом со сварочными станциями, пневматическими приводами или сверлильными станками — источниками электромагнитных помех и вибрации.
Корпусные резольверы отвечают всем этим критериям, предлагая бесщеточные, абсолютные аналоговые выходы в металлическом корпусе со степенью защиты IP, который изолирует внутренние обмотки от внешних загрязнений и механических ударов.
2. Микрокорпусный резольвер Windouble: преимущества компактной конструкции
Чтобы удовлетворить уникальные потребности коботов, Windouble разработала серию микрокорпусных резольверов, специально разработанных для минимального размера и массы без ущерба для производительности. К основным конструктивным преимуществам относятся:
2.1 Сверхкомпактная конструкция корпуса
Диаметр всего 12 мм.
Микросерия Windouble включает резольверы с внешним диаметром до 12 мм и длиной до 20 мм — достаточно маленькие, чтобы их можно было разместить внутри тонких модулей запястья робота.
Варианты тонких фланцев
Низкопрофильные фланцы позволяют осуществлять непосредственный монтаж на бесщеточные серводвигатели с полым валом, обычно используемые в соединениях коботов, устраняя громоздкие переходные пластины.
Встроенные разъемные сальники
Миниатюрные кабельные сальники со степенью защиты IP67 и разъемы micro-D встроены в корпус, что упрощает прокладку кабелей и предотвращает опасность зацеплений.
2.2 Легкая конструкция
Композитная смесь алюминия и PEEK
Windouble балансирует прочность и вес за счет обработки корпусов из авиационного алюминия и избирательного использования вставок из полимера PEEK в зонах, не нагруженных нагрузкой.
Обмотки, скрепленные эпоксидной смолой.
Медные обмотки с тонкой эмалью заливаются эпоксидной смолой с низким напряжением, защищая катушки от вибрации и увеличивая при этом минимальную массу.
Полностью собранный микрорезольвер весит менее 10 граммов, что почти незаметно для общего веса кобота, но обеспечивает надежную абсолютную обратную связь с точностью до ±10 угловых минут.
3. Косвенная роль в обратной связи по управлению силой и гибких соединениях.
Хотя встроенные резольверы в первую очередь обеспечивают угловое положение, их сигналы высокой целостности являются краеугольным камнем расширенных функций контроля силы и соответствия в современных коботах.
3.1 Оценка силы и момента посредством дифференциации положения
Динамическое соответствие.
Отслеживая мельчайшие отклонения между заданным и фактическим положениями, полученные на основе выходных сигналов резольвера, контроллеры могут сделать вывод о внешних силах, приложенных к рычагу.
Мягкий захват
При выполнении задач по сборке и перемещению роботы регулируют силу захвата при обнаружении небольших отклонений, предотвращая повреждение компонентов.
Обнаружение столкновений
Быстрое обнаружение незапланированного сопротивления движению запускает процедуры безопасной остановки быстрее, чем любой внешний массив датчиков.
Точная обратная связь резольвера гарантирует, что эти контуры управления усилием надежны, отзывчивы и стабильны, что позволяет коботам безопасно делить рабочее пространство с операторами.
3.2 Обеспечение гибкой совместной архитектуры
Серийные эластичные приводы (SEA)
Некоторые коботы используют SEA, которые включают в себя соответствующий пружинный элемент между двигателем и выходным звеном. Обратная связь резольвера как на двигателе, так и на выходном валу позволяет точно контролировать жесткость соединения.
Модули переменной жесткости
. Установки с двумя резольверами определяют угол двигателя и отклонение звена, что позволяет программно настраивать жесткость для самых разных задач: от деликатной сборки до обработки тяжелых грузов.
Микрокорпусные резольверы Windouble с их абсолютной выходной мощностью и минимальной осевой площадью легко интегрируются в эти компактные конструкции SEA, открывая возможности для соединений коботов следующего поколения.
4. Устойчивость к электромагнитным помехам и тепловое поведение в высокочастотных многозадачных сценариях.
Коботы часто выполняют быстрые повторяющиеся движения по нескольким осям одновременно. В этих условиях датчики сталкиваются с двумя критическими проблемами:
4.1 Устойчивость трансформатора к электромагнитным помехам
Генерация индуктивного сигнала.
В отличие от оптических энкодеров, которые полагаются на датчики освещенности и цифровые сигналы, резольверы передают аналоговые синусоидальные и косинусоидальные напряжения через электромагнитную связь. Эти сигналы на основе трансформатора по своей сути подавляют синфазный и высокочастотный шум.
Экранированный металлический корпус
Алюминиевый корпус резольвера выполняет функцию экрана от электромагнитных помех, защищая внутренние катушки от внешних полей, создаваемых сервоприводами или находящимся поблизости сварочным оборудованием.
Фильтрованные линии возбуждения
Windouble определяет частоты возбуждения и рекомендует встроенные индукторы и конденсаторы для дальнейшего подавления шума, что критически важно для баз коботов с сильноточными шинами.
В реальных испытаниях отношение сигнал/шум резольвера превышает 60 дБ даже на расстоянии до 10 см от мощных асинхронных двигателей, обеспечивая надежное управление движением, несмотря на электрический шум.
4.2 Управление тепловыми эффектами при непрерывной работе
Материалы с низким термическим коэффициентом
Windouble использует специальные медные сплавы и термостойкие эпоксидные смолы, чтобы свести к минимуму изменение сопротивления обмотки при изменении температуры.
Встроенное измерение температуры (дополнительно).
Некоторые модели микрорезольверов включают в себя небольшой термистор, контактирующий с пакетом обмоток, передающий данные о температуре в контроллер для динамической компенсации.
Термическое моделирование и тестирование
Каждая конструкция резольвера подвергается термическому моделированию методом конечных элементов и прогонке в реальных условиях при температуре до 120 °C в течение 1000 часов, что обеспечивает стабильность сигнала при непрерывных высоких рабочих циклах.
Такой строгий подход гарантирует, что даже во время устойчивых высокоскоростных циклических движений, что часто встречается в многозадачных операциях коботов, выходные данные резольвера остаются точными и без дрейфа.
5. Практический пример: международный бренд Cobot интегрирует микрокорпусные резольверы Windouble
5.1 Предыстория проекта
Ведущий европейский производитель коботов стремился повысить полезную нагрузку и производительность своего 6-осевого совместного манипулятора нового поколения. Цели проектирования включали:
Снижение инерции суставов на 15 %
Поддержание повторяемости ±0,1°
Упрощение упаковки соединений для облегчения обслуживания
В предыдущих итерациях использовались миниатюрные оптические энкодеры, которые требовали защитных крышек и периодической очистки, что не обеспечивало долговременную надежность.
5.2 Реализация микрорезольверов Windouble
Выбор датчика
Команда проекта остановила свой выбор на микрокорпусном резольвере Windouble модели WDR-M12 диаметром 12 мм, степенью защиты IP67 и точностью ±10 угловых минут.
Механическая интеграция
Изготовленные на заказ низкопрофильные фланцы были обработаны так, чтобы соответствовать лицевой стороне двигателя кобота. Встроенный разъем micro-D резольвера подключается непосредственно к внутренней проводке манипулятора.
Выходы резольвера адаптации системы управления
подключены к компактному модулю RDC, расположенному внутри шарнирного основания, при этом цифровые данные о положении передаются по CANopen на контроллер робота.
5.3 Результаты производительности
Снижение веса.
Замена оптических энкодеров позволила сэкономить 25 граммов на каждый сустав, что в совокупности снизило инерцию руки на 18%.
Повышенная надежность
После 12 месяцев заводских испытаний в смешанной среде манипуляторы, оснащенные резольвером, не выявили никаких сбоев, связанных с датчиками, по сравнению с тремя неисправностями энкодеров в предыдущей конструкции.
Повышенная безопасность.
Абсолютная обратная связь исключает необходимость процедуры возврата в исходное положение при включении питания, обеспечивая стабильное поведение сустава во время ручного управления и уменьшая непредвиденные движения.
Эта успешная интеграция демонстрирует, как микрокорпусные резольверы Windouble позволяют коботам достигать более высокой производительности, меньших затрат на техническое обслуживание и повышенной безопасности, что является ключевым преимуществом на конкурентном рынке.
Заключение
В развивающейся области совместной робототехники точность, компактность и надежность не подлежат обсуждению. Микрокорпусные резольверы Windouble работают по всем направлениям:
Абсолютная бесщеточная обратная связь: нет возврата в исходное положение, нет механического контакта, нулевой износ.
Сверхкомпактный и легкий: бесшовная интеграция в тонкие малоинерционные соединения коботов.
Надежная устойчивость к электромагнитным помехам и термическая стабильность: надежные сигналы даже в условиях высокочастотного многоосного движения и электрического шума.
Косвенная поддержка контроля и соблюдения требований: обеспечение деликатного, дружественного к человеку взаимодействия.
Сотрудничая с Shanghai Yingshuang (Windouble) Electric Machinery Technology Co., Ltd., разработчики коботов получают доступ к современной резольверной технологии, подкрепленной тщательными испытаниями, гибкой настройкой и глобальной поддержкой. Если вы разрабатываете следующее поколение коллаборативных роботов, подумайте о микротехнологиях. размещенные резольверы как ключ к более безопасному, точному и эффективному управлению движением.
Готовы оптимизировать производительность вашего робота?
Посещать www.windoublesensor.com, чтобы ознакомиться с нашим портфолио микрорезольверов, загрузить технические описания или запросить индивидуальный образец для вашего проекта.
