CN109543332A - 一种系列化机器人腕部减速器选型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种系列化机器人腕部减速器选型方法,包括以下步骤:S1、选定确定系列的减速器范围;构建以下约束条件,在确定系列的减速器范围内,首选额定扭矩最小的减速器;S2、选定确定系列的伺服电机范围;在确定系列的伺服电机范围内,首选额定输出功率最小的伺服电机;S3、伺服电机及减速器的匹配;确定惯量匹配、验证条件,进行验证步骤,选择符合标准的伺服电机和减速器组合。本发明所述的系列化机器人腕部减速器选型方法,和传统计算方法相比,降低了繁琐的计算量,并在保持伺服***高性能的同时使其具有更高的性价比,是一种新的系列化机器人腕部减速器选型方法。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术与应用领域,特别是涉及一种对系列化机器人腕部减速器的选型方法。
背景技术
机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、传感器等多个学科和领域,是多种高新技术发展成果的综合集成,其模块化、网络化和智能化的程度也越来越高,功能越来越强。特别是2012年之后,国内机器人得到国家有关部门的重视和高等院校的重点研发,研发和制造机器人的厂家越来越多。在研发过程中,伺服电机和减速器的正确选型是核心问题之一。
伺服电机和减速器是机器人伺服***的重要组成部分,他们的选型与伺服***的性能及成本密切相关。为了满足伺服***对高精度和快速响应的要求,应使***具有较小的负载电机惯量比、较高的过载能力等,如果盲目地选择大规格的电机和减速器会大幅增加成本,因此应充分考虑各方面的要求,以便充分发挥其性能。
现有机器人伺服减速器选型方法通常多是依靠查询相关的技术手册,计算繁琐且效率很低,而且伺服电机***各部件成本很高。如何优化他们的组合以期保证性能的同时提高性价比成为一个难题;并且减速器作为机器人伺服***十分精密且最为昂贵的部件,在选型过程中未被充分重视。
发明内容
根据上述提出现有机器人伺服减速器选型方法通常多是依靠查询相关的技术手册,计算繁琐且效率很低,而且伺服电机***各部件成本很高的技术问题,而提供一种系列化机器人腕部减速器选型方法。本发明主要利用在进行选型时,以伺服***中成本占比较高的减速器为主,并结合机器人设计参数选出符合设计指标和低成本的电机和减速器组合,从而使伺服***有较高的稳定性、动态性能和性价比。
本发明采用的技术手段如下:
一种系列化机器人腕部减速器选型方法,包括以下步骤:
S1、选定确定系列的减速器范围;机器人腕部设计参数有:最大速度ω,单位rad/s、容许力矩TLmax,单位N.m、容许惯性力矩JLmax,单位kg.m2。
S11、构建以下约束条件;
(π/30)N0max≥ω (1)
T0max≥TLmax (2)
其中,N0max为减速器容许输出转速,单位rpm;T0max为减速器瞬时最大容许转矩,单位N.m;随着T0max增大,N0max减小,故由上述公式(1)和公式(2)能够选定减速器的范围。
S12、在确定系列的减速器范围内,首选额定扭矩最小的减速器;相同额定扭矩的减速器,在减速器其他参数均相同的情况下,减速器惯性力矩J0(kg.m2)和减速器减速比i成反比;减速器惯性力矩J0,单位kg.m2。
S2、选定确定系列的伺服电机范围。
S21、计算电机的额定输出功率P1,单位w,结合功率范围系数选定电机的额定输出功率范围,该结合功率范围系数为1.5至2;
P1=TLmax.ω (3)。
S22、在确定系列的伺服电机范围内,首选额定输出功率最小的伺服电机。
S3、伺服电机及减速器的匹配。
S31、惯量匹配;
iG=(JLmax+J0)/(i2.J1) (4)
其中,iG为负载电机惯量比;J1为电机转子惯性力矩,单位kg.m2;
验证条件中,首先将iG的范围限定为不大于3;
S32、验证条件;
对所选伺服电机和减速器使用以下条件进行验证:
T1max.i/η≤T0max (5)
iG=(JLmax+J0)/(i2.J1)≤3 (6)
其中,T1max为电机瞬时最大转矩,N.m;η为减速器启动效率;
公式(5)表示电机内部急停时,其有效扭矩须小于减速器瞬时最大容许转矩;
S33、验证步骤;
A、改变i值,选出符合(5)式和(6)式的减速比;若范围内的i值满足条件,则完成验证,选取伺服电机和减速器组合;若范围内所有i值均不满足,则实施步骤B。
B、逐步增大伺服电机额定输出功率,重复A步骤;若范围内所有额定输出功率的伺服电机均不满足条件,则实施步骤C。
C、逐步增大减速器的额定扭矩,仍从最小额定输出功率的伺服电机开始,重复A和B步骤。
D、若最后没有符合条件的组合,在允许的范围内适当放宽(7)式的标准,并结合性价比,选择符合标准的伺服电机和减速器组合。
进一步地,计算与设计参数的匹配情况,通过确定的电机和减速器参数来验证与初始设计参数是否匹配,若参数值在设计参数的上下误差百分之10以内,则符合标准。
进一步地,步骤S33中的D,公式(7)中iG的放宽标准为:先改为iG≤4,不符合标准,再依次改为iG≤5、iG≤6、iG≤7、iG≤8、iG≤9和iG≤10。
与现有技术相比较,本发明所述的系列化机器人腕部减速器选型方法,由机器人设计参数首先确定减速器和电机的选择范围,并初步选择范围内性价比最高的组合;其次结合限定条件选择出符合要求的组合(包括减速比);最后验证与机器人设计参数的符合程度,并以此选取最符合设计参数的电机和减速器组合。此方法和传统计算方法相比,本发明的有益效果在于降低了繁琐的计算量,并在保持伺服***高性能的同时使其具有更高的性价比,是一种新的系列化伺服电机和方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示,本发明提供了一种系列化机器人腕部减速器选型方法,包括以下步骤:
S1、选定确定系列的减速器范围;机器人腕部设计参数有:最大速度ω(rad/s)、容许力矩TLmax(N.m)、容许惯性力矩JLmax(kg.m2)。
S11、构建以下约束条件;
(π/30)N0max≥ω (1)
T0max≥TLmax (2)
其中,N0max为减速器容许输出转速,rpm(转/分);T0max为减速器瞬时最大容许转矩,N.m;随着T0max增大,N0max减小,故由上述公式(1)和公式(2)能够选定减速器的范围。
S12、在确定系列的减速器范围内,首选额定扭矩最小的减速器;相同额定扭矩的减速器,在减速器其他参数均相同的情况下,减速器惯性力矩J0(kg.m2)和减速器减速比i成反比;即,对于确定系列的减速器,额定扭矩越大,成本越高。考虑性价比因素,在选定范围内首选额定扭矩最小的减速器。相同额定扭矩的减速器,除了其惯性力矩J0(kg.m2)和减速比i不同外,其他参数均相同。且J0和i有明确的对应关系,即随着i的增大,J0减小。
S2、选定确定系列的伺服电机范围。
S21、计算电机的额定输出功率P1(w),结合功率范围系数选定电机的额定输出功率范围,该结合功率范围系数为1.5至2。
P1=TLmax.ω (3)。
S22、在确定系列的伺服电机范围内,首选额定输出功率最小的伺服电机,考虑性价比因素。
S3、伺服电机及减速器的匹配;
S31、惯量匹配;
iG=(JLmax+J0)/(i2.J1) (4);
其中,iG为负载电机惯量比;J1为电机转子惯性力矩,kg.m2;
验证条件中,首先将iG的范围限定为不大于3;iG是充分发挥机械及伺服***最佳效能的前提,其直接影响电机的灵敏度以及整个伺服***的精度。惯量越小,***的动态特性反应越好,惯量大,容易产生谐振,影响了伺服精度和响应速度,所以应尽量减小惯量。
S32、验证条件;
对所选伺服电机和减速器使用以下条件进行验证:
T1max.i/η≤T0max (5)
iG=(JLmax+J0)/(i2.J1)≤3 (6)
其中,T1max为电机瞬时最大转矩,N.m;η为减速器启动效率(若采用纳博特斯克减速器,则其启动效率为80%);公式(5)表示电机内部急停时,其有效扭矩须小于减速器瞬时最大容许转矩。
S33、验证步骤;
A、改变i值,选出符合(5)式和(6)式的减速比;若范围内的i值满足条件,则完成验证,选取伺服电机和减速器组合;若范围内所有i值均不满足,则实施步骤B。
B、逐步增大伺服电机额定输出功率,重复A步骤;若范围内所有额定输出功率的伺服电机均不满足条件,则实施步骤C。
C、逐步增大减速器的额定扭矩,仍从最小额定输出功率的伺服电机开始,重复A和B步骤。
D、若最后没有符合条件的组合,在允许的范围内适当放宽(7)式的标准,并结合性价比,选择符合标准的伺服电机和减速器组合。
上述公式(7)中iG的放宽标准为:先改为iG≤4,不符合标准,再依次改为iG≤5、iG≤6、iG≤7、iG≤8、iG≤9和iG≤10。
S4、最后,计算与设计参数的匹配情况,通过确定的电机和减速器参数来验证与初始设计参数是否匹配,若参数值在设计参数的上下误差百分之10以内,则符合标准。
以下两个实施例均从YASKAWA(安川)电机全系列和Nabtesco(纳博特斯克)减速器的RV-N系列(RV-N系列专门针对机器人领域)中选取。两个实施例的主要区别是在负载质量上不同。
实施例1
本发明提供了一种针对50kg左右负载的机器人,对机器人腕部电机及减速器进行选型。
(一)明确机器人腕部设计参数;
机器人腕部设计参数:最大速度ω(rad/s)=4.36、容许力矩TLmax(N.m)=55、容许惯性力矩JLmax(kg.m2)=1。
(二)选定确定系列的减速器范围;
1)由(1)式:N0max≥41.635;由(2)式:T0max≥55。由此确定减速器范围为RV-25N(额定扭矩Te=245,N0max=57,T0max=1225)、RV-40N(Te=412,N0max=52,T0max=2058)和RV-60N(Te=600,N0max=44,T0max=3000)。
2)对于确定系列的减速器,额定扭矩越大,成本越高。考虑性价比因素,在选定范围内首选额定扭矩最小的减速器,RV-25N。
(三)选定确定系列的伺服电机的范围;
1)P1=TLmax.ω=239.8w,所以在239.8w~479.6w中选取,有SGMGV-03A(300w)、SGM7G-03A(300w)、SGMJV-04A(400w)、SGM7J-04A(400w)、SGM7A-04A(400w)、SGMGV-05A(450w)和SGM7G-05A(450w)。
2)考虑性价比因素,首先选择范围内额定输出功率最小的伺服电机,SGMGV-03A(300w)。
(四)伺服电机及减速器的匹配;
RV-25N中T0max=1225,i有41~164.07范围内的5个值,同样惯性力矩也有0.0000171~0.00000326范围内的对应的五个J0(已换算至电机轴);SGMGV-03A中T1max=5.88,J1=0.000273。
对于(6)式,由于减速器惯性力矩已换算至电机轴,所以使用iG=((JLmax/i2)+J0)/J1≤3。
经验证,上述5组不同减速比的减速器均满足要求。
(五)计算与设计参数的匹配情况;
电机为SGM7G-03A的最高转速为3000rpm,瞬时最大转矩T1max=5.88N·m。RV-25N的减速比i=41时,最大速度ω(rad/s)=7.66,容许力矩TLmax(N.m)=241.08;RV-25N的减速比i=81时,最大速度ω(rad/s)=3.88,容许力矩TLmax(N.m)=476.28;i=107.66、126、137和164.07时,最大速度ω(rad/s)<3,舍去。
故最后选用电机为SGM7G-03A和减速器为RV-25N(i=41或81)的组合。
实施例2
本发明还提供了一针对5kg左右负载的机器人,对机器人腕部电机及减速器进行选型。
(一)明确机器人腕部设计参数;
机器人腕部设计参数:最大速度ω(rad/s)=5.8、容许力矩TLmax(N.m)=8.5、容许惯性力矩JLmax(kg.m2)=0.35。
(二)选定确定系列的减速器范围;
由(1)式:N0max≥55.4;由(2)式:T0max≥8.5。由此确定减速器范围为RV-25N(额定扭矩Te=245,N0max=57,T0max=1225)。
(三)选定确定系列的伺服电机的范围
P1=TLmax.ω=53.41w,所以在53.41w~106.82w中选取,有SGM7J-01A(100w)、SGMJV-01A(100w)和SGM7A-01A(100w)。选择SGM7J-01A(100w)。
(四)伺服电机及减速器的匹配
RV-25N中T0max=1225,i有41~164.07范围内的5个值,同样惯性力矩也有0.0000171~0.00000326范围内的对应的五个J0(已换算至电机轴);SGM7J-01A(100w)中T1max=1.11,J1=0.00000739。
对于(6)式,由于减速器惯性力矩已换算至电机轴,所以使用iG=((JLmax/i2)+J0)/J1≤3。
经验证,上述5组不同减速比的减速器中,当i=137和164.07时满足要求。
(五)计算与设计参数的匹配情况;
电机为SGM7J-01A的最高转速为6000rpm,瞬时最大转矩T1max=1.11N·m。RV-25N的减速比i=137时,最大速度ω(rad/s)=4.586,容许力矩TLmax(N.m)=152.07;RV-25N的减速比i=164.07时,最大速度ω(rad/s)=3.83,容许力矩TLmax(N.m)=182,舍去。
故最后选用电机为SGM7J-01A和减速器为RV-25N(i=137)的组合。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中,对各个实施例的描述都各有侧重,某个实施例中没有详述的部分,可以参见其他实施例的相关描述。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (3)
1.一种系列化机器人腕部减速器选型方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、选定确定系列的减速器范围;
机器人腕部设计参数有:最大速度ω,单位rad/s、容许力矩TLmax,单位N.m、容许惯性力矩JLmax,单位kg.m2;
S11、构建以下约束条件;
(π/30)N0max≥ω (1)
T0max≥TLmax (2)
其中,N0max为减速器容许输出转速,单位rpm;T0max为减速器瞬时最大容许转矩,单位N.m;
随着T0max增大,N0max减小,故由上述公式(1)和公式(2)能够选定减速器的范围;
S12、在确定系列的减速器范围内,首选额定扭矩最小的减速器;
相同额定扭矩的减速器,在减速器其他参数均相同的情况下,减速器惯性力矩J0和减速器减速比i成反比,减速器惯性力矩J0,单位kg.m2;
S2、选定确定系列的伺服电机范围;
S21、计算电机的额定输出功率P1,单位w,结合功率范围系数选定电机的额定输出功率范围,该结合功率范围系数为1.5至2;
P1=TLmax.ω (3)
S22、在确定系列的伺服电机范围内,首选额定输出功率最小的伺服电机;
S3、伺服电机及减速器的匹配;
S31、惯量匹配;
iG=(JLmax+J0)/(i2.J1) (4)
其中,iG为负载电机惯量比;J1为电机转子惯性力矩,kg.m2;
验证条件中,首先将iG的范围限定为不大于3;
S32、验证条件;
对所选伺服电机和减速器使用以下条件进行验证:
T1max.i/η≤T0max (5)
iG=(JLmax+J0)/(i2.J1)≤3 (6)
其中,T1max为电机瞬时最大转矩,N.m;η为减速器启动效率;
公式(5)表示电机内部急停时,其有效扭矩须小于减速器瞬时最大容许转矩;
S33、验证步骤;
A、改变i值,选出符合(5)式和(6)式的减速比;
若范围内的i值满足条件,则完成验证,选取伺服电机和减速器组合;
若范围内所有i值均不满足,则实施步骤B;
B、逐步增大伺服电机额定输出功率,重复A步骤;若范围内所有额定输出功率的伺服电机均不满足条件,则实施步骤C;
C、逐步增大减速器的额定扭矩,仍从最小额定输出功率的伺服电机开始,重复A和B步骤;
D、若最后没有符合条件的组合,在允许的范围内适当放宽(7)式的标准,并结合性价比,选择符合标准的伺服电机和减速器组合。
2.根据权利要求1所述的系列化机器人腕部减速器选型方法,其特征在于,
计算与设计参数的匹配情况,通过确定的电机和减速器参数来验证与初始设计参数是否匹配,若参数值在设计参数的上下误差百分之10以内,则符合标准。
3.根据权利要求1所述的系列化机器人腕部减速器选型方法,其特征在于,
步骤S33中的D,公式(7)中iG的放宽标准为:先改为iG≤4,不符合标准,再依次改为iG≤5、iG≤6、iG≤7、iG≤8、iG≤9和iG≤10。
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