Приводы для промышленной робототехники: серводвигатели, контроллеры, тормоза и муфты
Промышленная робототехника предъявляет к приводу одновременно три противоречащих требования: высокую удельную мощность (плотный момент при минимальной массе ротора и габаритах статора), миллисекундный отклик по моменту в составе сервоконтура и точность позиционирования на уровне ±0,02–0,1 мм после редуктора. Сюда же добавляются жёсткие требования по функциональной безопасности (ISO 10218-1, STO/SS1/SS2 категории), интеграция с шинами реального времени (EtherCAT, Profinet IRT) и теплоотвод от статора при высокой динамике циклов pick-and-place.
Типовые задачи отрасли
- Серводвигатели осей 6-осевых промышленных манипуляторов для дуговой/точечной сварки, окраски, сборки и обслуживания станков (handling) — мощности 0,05–7 кВт на ось
- Привод палетайзеров и депалетайзеров (4-осевые роботы, нагрузка на запястье 50–800 кг) с длительной работой в многосменном режиме
- Высокоскоростные пик-энд-плейс машины и дельта-роботы — циклы 150–200 в минуту, требование низкой инерции ротора и быстрых тормозов
- Гентри-системы и линейные многоосевые порталы (X-Y-Z) для лазерной резки, дозирования, инспекции — длинноходные оси с зубчатой рейкой и редуктором
- AGV/AMR-платформы внутрицеховой логистики: тяговые серводвигатели колёс, привод подъёма платформы, рулевое управление
- Коллаборативные роботы (cobots) с моментными датчиками в каждом суставе и сертификацией по ISO/TS 15066 — низкие скорости, безопасные ограничения момента
- Робототехнические ячейки: интеграция манипулятора с конвейерами подачи деталей, индексирующими столами и периферийными приводами шуттеров и зажимов
- Электрошкафы управления роботами — серводрайвы, контроллер движения, ПЛК ячейки, преобразователи частоты вспомогательных приводов
Серводвигатели и моментные двигатели
Сердце промышленного робота — бесколлекторный синхронный серводвигатель с постоянными магнитами (PMSM) и встроенным абсолютным энкодером 17–23 бит на оборот. От характеристик мотора напрямую зависят паспортная грузоподъёмность робота, скорость холостого хода, повторяемость и тепловой запас под длительные циклы. Ключевые параметры — удельный момент (Н·м/кг), момент инерции ротора (низкий — для динамики), пиковая перегрузка (3–4× от номинала на 1–3 с) и форма противо-ЭДС (синусоидальная для точного векторного управления).
Серводвигатели осей промышленных манипуляторов
Серии Wolong WPM/WGM — компактные PMSM-двигатели специально для робототехники с встроенным удерживающим тормозом (отказоустойчивого типа, замкнут без питания) и абсолютным энкодером 23 бит. Корпус удлинённый, фланец H-серии, что снижает диаметр сустава робота. Типоряд 0,05–7 кВт перекрывает все шесть осей манипуляторов грузоподъёмностью 5–500 кг.
- — Мощность 0,05–7 кВт на ось, момент 0,16–47 Н·м
- — Абсолютный энкодер 17–23 бит/об (multi-turn для замены батареи на ходу)
- — Встроенный электромагнитный тормоз с временем срабатывания ≤ 30 мс
- — Пиковый момент 3–4× от номинального на 1–3 с
- — Класс защиты IP65 на валу с уплотнением Viton
Сервоприводы Inovance IS620P и SV630P для контроллеров роботов
Inovance — единственный из портфеля брендов, кто предлагает полный стек робототехники: серводрайв (IS620P, SV630P) + контроллер движения + ПЛК + HMI. Драйв SV630P поддерживает EtherCAT с циклом 125 мкс, имеет встроенные функции STO/SS1/SS2 по IEC 61800-5-2 и автонастройку контура момента. Применяется в шкафах управления манипуляторами и в однооcевых системах позиционирования.
- — Поддержка EtherCAT CoE / CSP-режим (cyclic synchronous position)
- — Встроенные функции безопасности STO, SS1, SS2 (SIL3 / PLe)
- — Время отклика контура момента ≤ 1 мс
- — Автонастройка инерции и моментной нагрузки
- — Защита: перегрев IGBT, обрыв энкодера, перегрузка по моменту
Серводвигатели INVT серии DA200 для линейных и гентри-осей
INVT DA200 — серводвигатели и драйвы для XYZ-порталов, линейных модулей и осей подачи. Поддерживают EtherCAT, CANopen, Profinet и работают в паре с ПЛК INVT для построения многоосевой ячейки без контроллера движения. Применяются в гентри-системах лазерной резки и сборочных линиях, где требуется синхронизация 4–8 осей.
- — Многоосевая синхронизация по полевой шине (EtherCAT/Profinet)
- — Совместимость с зубчатой рейкой и шарико-винтовой передачей
- — Встроенный регенеративный модуль или внешний тормозной резистор
- — Прямой режим работы по моменту/скорости/положению
- — Точность позиционирования при работе с энкодером 23 бит — единицы микрон
Тяговые и рулевые серводвигатели AGV/AMR-платформ
Для подвижных платформ внутрицеховой логистики (AGV/AMR грузоподъёмностью 100–1500 кг) применяются low-voltage сервоприводы 24–80 В DC с прямым подключением к LiFePO4-батарее. Каждое ведущее колесо — независимый сервопривод с встроенным редуктором (мотор-колесо) или с внешним планетарным редуктором. Wolong WPM-LV и Inovance IS810N используются как тяговые двигатели и приводы поворотных колёс.
- — Питание от батареи 24–80 В DC (low-voltage серия)
- — Регенеративное торможение с возвратом энергии в батарею
- — Защита IP65 от пыли и попадания брызг СОЖ в цеху
- — Плотный момент в зоне низких оборотов (старт, манёвр)
- — Энкодер с разрешением, достаточным для одометрии (≥ 4096 имп/об)
Двигатели вспомогательных функций ячейки
В составе робототехнической ячейки помимо самого робота работают конвейеры подачи и отвода деталей, индексирующие столы, перекладчики, зажимные приспособления и системы выгрузки. Это типовая зона общепромышленных двигателей Huali серии Y2/Y3/YE3 (0,18–22 кВт) и компактных IE3/IE4-моторов в составе мотор-редукторов Boneng K/HB.
- — Класс энергоэффективности IE3 или IE4 (требование заказчика)
- — Совместимость с преобразователем частоты (изоляция класса F)
- — Класс защиты IP55 минимум для работы в цеху
- — Возможность работы в составе мотор-редуктора (фланцевое исполнение)
- — Тепловая защита PTC или Pt100
Редукторы и мотор-редукторы периферии
В самом манипуляторе используются специализированные точные редукторы (волновые / harmonic, циклоидальные RV) — они выходят за рамки нашего портфолио и поставляются производителями робота. Зато весь периметр ячейки — конвейеры подачи деталей, индексирующие столы, гентри-оси с зубчатой рейкой, AGV-платформы и линии выгрузки — это область индустриальных мотор-редукторов с серво-фланцем под прямую установку серводвигателя.
Прецизионные планетарные мотор-редукторы для гентри-осей
На осях X-Y-Z порталов и одноосевых линейных модулях применяются планетарные редукторы с малым люфтом (≤ 3–8 угл. мин) и серво-фланцем под двигатели Wolong WPM или INVT DA200. Передаточные числа i = 3, 5, 10, 25 закрывают весь диапазон скоростей подачи. Для зубчато-реечных передач длинных гентри-осей применяется планетарный редуктор + ведущая шестерня с предварительным натягом.
- — Люфт ≤ 3–8 угл. мин (precision/high-precision класс)
- — Серво-фланец под двигатели стандартизованных типоразмеров
- — Жёсткость на скручивание ≥ 14 Н·м/угл. мин
- — Совместимость с зубчатой рейкой модуля m = 2–5
- — Срок службы ≥ 20 000 ч при номинальной нагрузке
Мотор-редукторы конвейеров подачи деталей
Серии Boneng K (коническо-цилиндрические) и HB (индустриальные) используются на конвейерах подачи заготовок к роботу, на отводящих линиях и на промежуточных накопителях. SF ≥ 1,3, т. к. режим — длительный S1 при автоматизированной работе. Часто комплектуются преобразователем частоты для согласования скорости конвейера с темпом робота.
- — K-серия (конические) или HB-серия (горизонтальные индустриальные)
- — Сервис-фактор ≥ 1,3 для S1-режима
- — Совместимость с ПЧ INVT/Inovance для регулирования скорости
- — Опция энкодера на быстроходном валу для синхронизации с роботом
- — Класс защиты IP55
Приводы индексирующих столов и поворотных платформ
Для индексирующих столов и сварочных позиционеров применяются червячные или коническо-цилиндрические мотор-редукторы Boneng W/K с самоторможением (червячная пара) или с дополнительным удерживающим тормозом. Точность фиксации позиции обеспечивается отдельной механической системой (диск Хирта, индексные пальцы) — редуктор отвечает за переход между позициями.
- — Самоторможение (червячная пара) или встроенный тормоз
- — Передаточное отношение 30–80
- — Низкий уровень вибрации в момент остановки
- — Совместимость с энкодером для контроля позиции
- — Жёсткое крепление под вертикальную нагрузку от стола
Мотор-редукторы AGV-платформ и линейных тележек
Компактные мотор-редукторы Boneng HB и колёсные приводы (drive wheel units) для AGV/AMR с грузоподъёмностью до 2 тонн. Конструкция «всё в одном»: серводвигатель 24–48 В DC + планетарный редукторный блок + резиновое колесо. Передаточное отношение подобрано под максимальную скорость 1,2–2,0 м/с.
- — Компактная конструкция drive wheel unit (мотор + редуктор + колесо)
- — Передаточное отношение под скорость 1,2–2,0 м/с
- — Низкий уровень шума (≤ 65 дБА для логистики ночной смены)
- — Защита от попадания пыли и СОЖ в редукторный отсек
- — Срок службы 15 000–20 000 ч до капремонта
Тормоза осей и аварийной остановки
В робототехнике тормоз — это не отдельный массивный агрегат, как в кране, а компактный электромагнитный диск, встроенный в задний торец серводвигателя. Он выполняет функцию удержания (holding brake), а не активного торможения: останавливает ось серводрайв, тормоз лишь фиксирует положение при отключении питания, аварии и в паузах между циклами. Для критических осей (вертикальные оси с гравитационной нагрузкой, тяжёлые палетайзеры) применяется дублированная тормозная система и аварийные внешние тормоза по требованиям ISO 10218-1.
Удерживающие тормоза вертикальных осей манипуляторов
Электромагнитный дисковый тормоз отказоустойчивого типа (spring-applied, electrically released) встроен в серводвигатели Wolong WPM/WGM и Inovance MS1. При пропадании питания или сигнала enable пружина прижимает фрикционные накладки к диску за 20–30 мс — это удерживает массу руки робота от падения под собственным весом. Тормозной момент с запасом 2× от удерживающего момента оси.
- — Пружинно-замыкающий тормоз (отказоустойчивый по DIN VDE 0580)
- — Тормозной момент ≥ 2× от номинального момента двигателя
- — Время срабатывания при отключении питания ≤ 30 мс
- — Ресурс ≥ 5 миллионов циклов включения
- — Питание катушки 24 В DC ± 10 %
Аварийные тормоза палетайзеров и тяжёлых манипуляторов
На палетайзерах и манипуляторах с грузоподъёмностью 200–800 кг устанавливается дублированная тормозная система: основной тормоз внутри двигателя + внешний электромагнитный дисковый тормоз на входном валу редуктора оси. Срабатывают одновременно при аварийной остановке (E-Stop, открытие защитного ограждения, превышение момента). Категория остановки по ISO 13849-1 — Cat 1 (контролируемая остановка) или Cat 0 (немедленное обесточивание).
- — Дублированная тормозная система (внутренний + внешний)
- — Соответствие ISO 13849-1, категория остановки 0 или 1
- — Совместимость с сигналом STO драйва
- — Время срабатывания ≤ 50 мс на дублирующем тормозе
- — Сертификат функциональной безопасности SIL2/PLd
Регенеративные тормозные модули и резисторы драйвов
При торможении серводвигателя кинетическая энергия движущейся массы возвращается в звено постоянного тока драйва. Если её не рассеивать, напряжение DC-bus превышает уставку и драйв уходит в защиту. Решение — внешний тормозной резистор (для умеренных циклов) или регенеративный модуль с возвратом энергии в сеть (для интенсивных pick-and-place машин и палетайзеров). Inovance и INVT поставляют оба варианта.
- — Расчёт мощности рассеяния по циклограмме (пиковая и средняя)
- — Тормозной резистор класса PWM с термозащитой
- — Регенеративный модуль с фильтром EMC при возврате в сеть
- — Совместимость по интерфейсу с серводрайвом (общий DC-bus)
- — Защита от превышения напряжения DC-bus
Тормоза AGV/AMR-платформ
На подвижных платформах применяются электромагнитные тормоза прямо в составе мотор-колеса (drive wheel unit). Замыкаются при отключении сигнала enable, при срабатывании датчика аварийной остановки (бампер, лазерный сканнер безопасности) или при разряде батареи ниже критического уровня. Для платформ с большим грузом дополнительно устанавливается стояночный тормоз с механической блокировкой при длительной парковке.
- — Замыкание при пропадании питания (fail-safe)
- — Срабатывание по сигналу лазерного сканнера безопасности
- — Резервирование тормозов на нескольких колёсах
- — Защита IP65 от пыли цеха
- — Совместимость с системой управления AMR (ROS / VDA 5050)
Муфты в робототехнических ячейках
Внутри сустава робота муфты в классическом понимании отсутствуют — серводвигатель соединяется с редуктором через жёсткий фланец. Но на периферии ячейки муфты используются повсеместно: на конвейерах подачи деталей, индексирующих столах, шарико-винтовых передачах гентри-осей и в приводах вспомогательного оборудования. Главные требования — компенсация осевых, угловых и радиальных смещений после монтажа, минимальный люфт для прецизионных применений и стойкость к частым реверсам.
Сильфонные муфты прецизионных гентри-осей
На шарико-винтовых передачах линейных модулей и гентри-порталов применяются сильфонные муфты Yongjing с нулевым люфтом и высокой жёсткостью на скручивание. Соединяют выходной вал серводвигателя с винтом ШВП. Тонкостенный сильфон компенсирует радиальные и угловые смещения 0,1–0,3 мм / 1–2°, при этом передаёт момент без потерь точности позиционирования.
- — Нулевой люфт (zero backlash)
- — Жёсткость на скручивание ≥ 5 000 Н·м/рад
- — Компенсация осевого смещения 0,3–0,8 мм
- — Балансировка при окружных скоростях > 3000 об/мин
- — Зажимной хомут со шлицевым валом для быстрого монтажа
Упругие пальцевые муфты конвейеров подачи
На конвейерах подачи деталей, отводящих линиях и в приводах перемоточных шпинделей применяются классические упругие пальцевые муфты Jiaohua YOXp / Yongjing LX. Демпфируют ударные нагрузки на пуске и компенсируют смещения 0,2–0,8 мм. Совместимы со стандартными мотор-редукторами Boneng K / HB.
- — Момент 5–125 кН·м
- — Компенсация радиального смещения 0,2–0,8 мм
- — Срок службы эластичных элементов не менее 20 000 ч
- — Простая замена эластичных вставок без демонтажа машины
- — Совместимость со стандартными фланцами IEC
Кулачково-дисковые муфты индексирующих столов
На индексирующих столах с поворотом на фиксированные углы (90°/180°/индексные позиции) применяются кулачково-дисковые муфты, компенсирующие возможные перекосы между мотор-редуктором и валом стола. Передают высокий момент при кратковременных пусках/реверсах и не требуют смазки в течение всего срока службы.
- — Момент 50–2000 Н·м
- — Компенсация углового смещения до 1°
- — Безсмазочные полимерные элементы (PU / Hytrel)
- — Низкая инерция для быстрых разгонов и торможений
- — Совместимость с энкодером на одной из полумуфт
Мембранные муфты привода шарико-винтовых передач
Для длинных шарико-винтовых передач (ход 2–6 м) применяются мембранные муфты с пакетом тонких стальных дисков. Передают высокий момент при минимальном люфте и компенсируют смещения, возникающие при тепловом расширении винта. Используются на гентри-осях лазерной резки и в линейных порталах сборочных линий.
- — Нулевой люфт, высокая крутильная жёсткость
- — Компенсация осевого смещения от теплового расширения винта (до 1 мм)
- — Высокая угловая скорость (до 8000 об/мин)
- — Долговечность стальных мембран ≥ 50 000 ч
- — Балансировка G2.5 для гладкого вращения
Галерея применений
Наши решения для отрасли
Бренды портфеля SDS, которые покрывают типовые применения в этой отрасли.
- WOLONGсерводвигатели бесколлекторные с энкодерами 17–23 бит, серии WPM/WGM специально для робототехники, типоряд 0,05–7 кВт; тяговые low-voltage серии для AGV/AMR
- INOVANCEполный стек робототехники: серводрайвы IS620P и SV630P, контроллеры движения, ПЛК, HMI; встроенные функции безопасности STO/SS1/SS2 (SIL3/PLe), EtherCAT с циклом 125 мкс
- INVTсервосистемы серии DA200 для линейных и гентри-осей, ПЛК для многоосевой синхронизации по EtherCAT/Profinet, преобразователи частоты вспомогательных приводов ячейки
- BONENGмотор-редукторы K, HB, W для конвейеров подачи деталей, индексирующих столов, AGV-платформ и линейных тележек роботизированных ячеек
- HUALIобщепромышленные двигатели IE3/IE4 серий Y2/Y3/YE3 (0,18–22 кВт) для вспомогательного оборудования ячейки — конвейеры, насосы СОЖ, вентиляция
- YONGJINGсильфонные и мембранные муфты с нулевым люфтом для прецизионных гентри-осей и шарико-винтовых передач, упругие пальцевые LX для конвейеров
- JIAOHUAупругие пальцевые муфты YOXp для конвейеров подачи деталей и перемоточных шпинделей в составе ячейки
- LONGXUANзубчатые и упругие муфты для приводов периферии роботизированной ячейки и гентри-систем
- HUAWUэлектромагнитные тормоза для дублированных тормозных систем тяжёлых манипуляторов и палетайзеров грузоподъёмностью 200–800 кг
- ANNENGтроллейные шинопроводы и кабельные системы для подвижных гентри-порталов и линейных систем большой длины