ハーモニックドライブと遊星ギアボックス: スカラロボットアームジョイントはどちらが勝ちますか?

コンパクトなスカラ ロボット アームは、サイクル タイム 0.4 秒で 24 時間年中無休のピック アンド プレースを実行し、可搬重量 2 kg、連続動作時間 3,000 時間で、減速機の共同意思決定をビジネス クリティカルにします。ショルダー軸では、アームの質量とペイロードの組み合わせによって最大のモーメントが生成されます。 ハーモニックドライブと遊星歯車装置の比較 選択によって、再現性、メンテナンス間隔、軸ごとの総コストが決まります。

スカラジョイントが減速機に求めるもの

スカラ ジョイントの動作範囲は狭いですが、公差予算は厳しいです。調和設計と遊星設計を比較する前に、位置再現性、モーメント剛性、ピーク瞬間トルクという 3 つの譲れない要件を定義します。

• バックラッシュ: 肘と手首の軸では 0.1 ～ 0.3 arcmin、肩では 0.5 ～ 1 arcmin。
• 剛性: ねじり剛性は、アーム長によって増幅される振動モードに耐える必要があります。
• 慣性比: 減速機のローターの慣性と反射アームの慣性はサーボの調整に影響します。
• デューティ サイクル: ほとんどのスカラ ジョイントは、メンテナンス期間なしで年間 100 ～ 200 万サイクルを実行します。

ハーモニックドライブ vs 遊星ギアボックス: ハーモニックが勝つところ

肘軸と手首軸については、ハーモニックドライブにより、シングルステージユニットで達成可能な最小のバックラッシュが実現されます。柔軟な外側スプライン、またはフレックススプラインはサーキュラ スプラインとの接触を維持するために変形し、プリロード システムなしでもバックラッシュがほぼゼロになります。

BSHFシリーズ 低バックラッシジョイント用フレキシブル減速機 大中空シャフトとコンパクトなボディを採用したこの減速機は、重量を最小限に抑えながら高トルクと高剛性を実現し、軽量のロボットアームや精密ジョイントに最適です。 製品を見る→

ハーモニックドライブは、小さなエンベロープで高い減速を実現する最も軽量な方法でもあります。 1 つのステージで 50:1 ～ 160:1 を実現できるため、二次的なベルトやギア ステージが不要になります。ペイロード 2 kg のスカラの場合、エルボ軸にかかる衝撃荷重は無視できるため、フレクスプラインの疲労限界は公称負荷では制限要因になりません。

ハーモニックドライブが苦戦するのは、10kg以上のスカラではショルダー軸です。一体型のフレクスプラインとベアリング アセンブリは、硬化された遊星歯車セットよりも衝撃耐性が低くなります。衝突検出や高速アーム先端工具による負荷スパイクは、フレクスプラインのトルク容量を超え、永久ひずみを引き起こす可能性があります。

遊星ギアボックスがハーモニックドライブに勝つ場所

遊星ギアボックスは、分割負荷ギア配置で高トルクと衝撃負荷を処理するため、大型スカラ ロボットの肩軸に採用されています。いくつかの遊星歯車が負荷を共有するため、ピークトルクは多くの歯接触点に分散されます。

低バックラッシと高トルクを備えた AHB 遊星歯車減速機 焼き入れ研削はすば歯車を採用したこの減速機は、滑らかで静かな動作と高い剛性を実現し、重荷重や頻繁な反転を扱う肩軸に最適です。 製品を見る→

AHB クラスの精密遊星減速機は通常、標準精度バージョンで 1 ～ 3 arcmin のバックラッシュを提供し、予圧された出力ベアリングでは 0.5 ～ 1 arcmin のバックラッシュを提供します。焼入れと研削により、ギアの歯面は頻繁な始動と停止の反転でも表面のピッチングを防ぎます。 ロボット関節用精密遊星減速機 そのような状況を日常的に目にします。

最新の遊星ユニットの最小バイアス予圧またはベアリングワッシャーソリューションにより、振れを 0.1 mm 未満に抑えることができます。それでも、内部フランククリアランスにより、高度なブレーキまたはデュアルドライブステージがなければ、出力で測定されたバックラッシュが 0.5 分角未満になることはほとんどありません。

直接比較: ハーモニックドライブと遊星ギアボックスの性能

以下の表は、スカラ ジョイントの選択に最も関連する指標をまとめたものです。

重要な構造上の違い: ハーモニック ドライブはギア接触を生成するためにフレクスプラインのたわみに依存しており、負荷はサーキュラ スプラインとフレクスプラインによって同時に支えられます。遊星ギアボックスは 3 つまたは 4 つの同一の遊星を使用して負荷を分散するため、瞬間的な過負荷がより許容されます。

連続使用時の効率、ウォームアップ、およびサーボ相互作用

ハーモニック ドライブは 50:1 の比率で 60 ～ 75 パーセントの効率を実現しますが、遊星ギアボックスは通常、同じ出力比で 90 ～ 95 パーセントに達します。その差はスカラ連続運転時の発熱として現れます。サーボ モーターは、停止時の高調波減速機のより高い無負荷トルクを克服するために追加の電流を供給する必要があります。これはコントローラーのゲインに影響を与え、コンパクトなアームで熱ドリフトを引き起こす可能性があります。

BEITTO ブランドの下で事業を展開する ZHEJIANG BEITTO TRANSMISSION TECHNOLOGY CO., LTD. は、この故障モードを現場で繰り返し目撃しました。それは、サーボ巻線の温度が公称値より 15 ℃ 上昇するため、2 交代勤務後に位置精度が失われる高調波駆動エルボです。遊星減速機は、回転要素の損失が単純であるため、同じデューティ サイクルでも温度が低くなります。

スカラロボット製作者の意思決定フレームワーク

5段階の評価プロセスを実施して減速機のタイプを選択します。

1. スカラ製品仕様書からジョイントの再現性の予算を定義します。
2. モーターの選択とアームの動的モデルからピークおよび連続トルクを計算します。
3. 腕の長さに対する限界剛性要件を測定します。
4. 減速比はサーボモータの定格回転数とトルクウィンドウに合わせてください。
5. 特定のアーム端ツールと衝突回避戦略の衝撃荷重定格を比較します。

現場からの一般的なルール: 肩軸トルクが 40 Nm を超え、ロボットが厳密なクリーンルーム用途で実行されていない場合、プラネタリー オプションがより安全な設計選択です。可搬重量 5 kg クラスのスカラの場合、肘と手首のハーモニック ドライブにより、ギア段数が少なく、より軽量でシンプルなアームが実現します。

TD-CRシリーズ 中空軸出力スパイラルベベルギヤ整流子 この減速機は、柔軟なルーティングを実現する中空シャフト設計を特徴とし、低バックラッシと高トルクによるスムーズで効率的な動力伝達を実現し、コンパクトなシステムでの多軸構成をサポートします。 製品を見る→

中国とヨーロッパの多くのインテグレータは、肩に遊星減速機、肘と手首に 2 つのハーモニックドライブというハイブリッド スカラ アーキテクチャを構築しています。このアプローチにより、肩のトルクヘッドルームを維持しながらアームの重量が軽減されます。 TDCR シリーズの単一入力複数出力減速機は、多軸モジュールにも対応できるため、コンパクトなロボット アームのコンポーネント数を削減できます。

FAQ: スカラ用ハーモニックドライブと遊星歯車装置