Robótica y Cobots: Pila de laminación de precisión para servomotores

Cuando vemos a un brazo robótico colocar un chip en una placa de circuito impreso o a un cobot entregar suavemente una pieza a un humano, en realidad estamos viendo una pila de finísimas láminas de acero haciendo su trabajo a la perfección.

Esas sábanas - las pila de laminación dentro del servomotor - decida tranquilamente si su robot se siente sedoso y seguro o brusco y ruidosoSi su cobot funciona bien durante 10 años o se cocina solo en tres. Sin embargo, la mayoría de los debates sobre robótica y cobots apenas los mencionan.

Este artículo trata sobre el tratamiento de las pilas de laminación como un palanca de diseño de primera clase en robótica y cobots, no una mercancía que se pide al final del proyecto.

• En las próximas secciones, lo verás:
  • Cómo los servomotores y las pilas de laminación se traducen directamente en precisión, seguridad y "tacto" en los cobots
  • Qué materiales, espesores y métodos de unión realmente importan (y por qué)
  • Cómo trucos de geometría como pilas inclinadas y diseños sin ranuras par de torsión y ruido reducidos
  • Cómo elegir de forma diferente las tecnologías de pila para robots industriales frente a cobots
  • Una práctica lista de control que puede utilizar la próxima vez que especifique una pila de laminación

1. Servomotores, robótica y cobots: por qué las laminaciones de repente importan más

Los servomotores son las fibras musculares de la robótica: compactos, de alto par y controlados constantemente por sensores de realimentación para alcanzar posiciones y velocidades precisas. Cierran el bucle con encoders o resolvers, comparando la posición ordenada con la posición real y corrigiendo en tiempo real, razón por la que dominan en robots, máquinas CNC y líneas de automatización.

En el caso de los robots industriales, las instrucciones suelen ser sencillas: alta densidad de par, velocidad y tiempo de actividad. Sin embargo, los robots añaden restricciones adicionales: conducción reversible, bajo engrane, bajo ruido acústico y seguridad inherente cuando chocan con los humanos. Estos atributos "blandos" están profundamente influenciados por lo que ocurre en el interior del núcleo magnético (la pila de laminación) y no solo por el software de control.

• Tanto en los robots como en los cobots, la pila de laminación influye:
  • Densidad de par y eficiencia (cuánto par se exprime por kilogramo)
  • Suavidad a baja velocidad (par de arrastre, ondulación del par y "tacto")
  • Comportamiento térmico y vida útil (pérdida de núcleo, distribución de puntos calientes)
  • Ruido y vibraciones (NVH): especialmente críticos cuando hay personas cerca.
  • Características de seguridad como la retroconducción y el comportamiento conforme de los cobots

2. Dentro de la pila de laminación: chapas finas de acero, grandes consecuencias

La mayoría de los servomotores de alto rendimiento siguen basándose en acero eléctrico laminaciones: hierro de bajo contenido en carbono aleado con ~0,5-6,5% de silicio, elegido por su alta permeabilidad y baja pérdida en el núcleo. Estas chapas suelen ser 0,1-1,0 mm de grosor, perforados o cortados, y luego apilados con aislamiento entre ellos para bloquear las corrientes parásitas.

Unas láminas más finas significan menor pérdida por corrientes parásitas a altas frecuencias de conmutación, algo cada vez más importante a medida que los servoaccionamientos aumentan las frecuencias PWM y las articulaciones robóticas aumentan el número de polos y la velocidad. Al mismo tiempo, el adelgazamiento aumenta el coste y la complejidad de fabricación, por lo que los proveedores de laminación serios se obsesionan con las matrices de estampación, las rebabas y los revestimientos.

Parámetros clave de laminación para servomotores de robots y cobot

• Como diseñador de robots, piense en el diseño de la laminación como en tres diales acoplados:
  • Sistema de materiales - el grado de acero eléctrico (o alternativo) que elija
  • Geometría - forma del diente, combinación de ranura y polo, inclinación y altura de la pila
  • Calidad de montaje - método de unión, control de rebabas y precisión de alineación

3. Métodos de unión: cómo se mantiene unida la pila cambia lo que el cobot "siente"

Esos cientos de finas láminas no se mantienen unidas por arte de magia. Se unen utilizando métodos como unión adhesiva, autoadhesiva (Backlack), enclavamiento mecánico, remachado/pernado, grapado y soldadura..

La investigación muestra un tira y afloja constante: necesitas resistencia mecánica y fabricabilidad, pero no quieres arruinar el rendimiento magnético dañando el aislamiento o introduciendo tensiones residuales y distorsión. La unión mediante pegamento tiende a mantener bajas las pérdidas en el núcleo y un buen aislamiento, mientras que la soldadura o los enclavamientos mecánicos agresivos pueden aumentar las pérdidas y el ruido si no se controlan cuidadosamente.

Métodos de unión frente al impacto en las pilas de servolaminado

• Sobre todo para los cobots, pilas adheridas o autoadheridas son atractivos porque:
  • Reducen las pérdidas por corrientes parásitas y, por tanto, el calor y la deriva.
  • Amortiguan las vibraciones y el ruido, algo fundamental cuando el robot trabaja junto a personas.
  • Mantienen la constante de par más lineal, lo que simplifica la estimación y el control de la fuerza.

4. Geometría en la pila: lucha contra el cogging, la ondulación y el ruido

Si la articulación de su robot hace "muescas" cuando la acciona a mano, está sintiendo par de arrastre - parásito que proviene de la interacción de los imanes permanentes con los dientes y las láminas del estator.

Los diseñadores luchan contra esto utilizando una mezcla de diseño electromagnético y geometría de laminaciónEl diseño de la pila de laminación puede variar en función de las combinaciones de ranuras y polos, la forma del imán, la geometría de la punta del diente y la inclinación de la pila de laminación. A rotor o estator torcido tuerce ligeramente las laminaciones a lo largo del eje para que los armónicos de ranurado se "promedien" a lo largo de la longitud de la pila, reduciendo significativamente el par de arrastre y la ondulación del par con sólo un pequeño impacto en la constante de par y la eficiencia.

• Para robótica y cobots, las palancas de geometría a nivel de laminación incluyen:
  • Rotor/estátor torcidos - reducen el engranaje, la ondulación del par y el ruido acústico, lo que es especialmente importante para los movimientos "lentos" a baja velocidad y los cobots que trabajan cerca de las personas.
  • Estator con o sin ranuras - Utiliza un núcleo laminado en forma de anillo sin dientes para eliminar casi por completo el engrane, lo que resulta muy útil en las uniones con sensor de par de alta gama.
  • Combinaciones optimizadas de ranura y polo - diseños de ranuras fraccionarias para romper la simetría y propagar los armónicos
  • Perfilado y entallado de la punta del diente - ajustes locales para reducir la saturación y la ondulación del par en determinados rangos de carga
  • Apertura y relaciones ID/OD - especialmente en motores sin bastidor en los que las cajas de engranajes o los sensores viven dentro del rotor.

5. Robots industriales frente a cobots: diferentes prioridades de laminación

Un robot de soldadura industrial que lanza chispas en una celda vallada tiene un perfil de riesgo muy diferente al de un cobot que ensambla componentes electrónicos junto a un operario humano. Pero en ambos casos, las pilas de laminación siguen definiendo la torsión, la suavidad y la envolvente térmica con las que se puede trabajar.

Para robots industrialesel diseño de laminación tiende a priorizar densidad de par, eficiencia y costeespecialmente en grandes volúmenes. A menudo se puede tolerar un par de arrastre ligeramente superior porque una caja de cambios, una estructura rígida y unos lazos de control inteligentes pueden ocultar mucho.

Para cobots y sistemas tipo exoesqueletoLa clave está en la retroconductibilidad y la baja impedancia aparente. Los motores de juntas de alta densidad de par suelen combinarse con relaciones de transmisión bajas o arquitecturas de accionamiento casi directo, cada fracción de engranaje y fricción se amplifica en lo que el ser humano siente físicamente.

• Cuando diseñe pilas de laminación, trate las dos clases de forma diferente:
  • Articulaciones de robots industriales
    • Puede vivir con pilas entrelazadas o soldadas si reducen los costes y aumentan el rendimiento.
    • Los accionamientos y las cajas de cambios ayudan a enmascarar las imperfecciones.
    • Los límites térmicos suelen estar fijados por el ciclo de trabajo y el ambiente, no por el confort humano
  • Cobots y robots interactivos con humanos
    • Favorezca los apilamientos encolados/autoencolados y las laminaciones sesgadas para una torsión ultrasuave
    • Laminados más finos y mejores revestimientos para reducir las pérdidas y la deriva térmica
    • Me importa mucho la firma acústica y la sensación táctil al conducir a contrapelo.

6. Realidades de fabricación: cómo se manifiestan las tolerancias en el comportamiento de los robots

Sobre el papel, una pila de laminación no es más que una pila de formas perfectas. En la fábrica, detalles como la altura de las rebabas, la robustez del revestimiento y el ajuste del eje confieren a su motor su personalidad real.

Las prensas de estampación progresiva de alta velocidad y las prensas de estampación rápida son los caballos de batalla de la producción de laminado, con capacidad para millones de golpes por troquel. Si se hacen bien, ofrecen tolerancias ajustadas y altos factores de apilamiento; si se hacen sin cuidado, dejan rebabas que perforan el aislamiento, aumentando la pérdida interlaminar y el ruido audible. Muchos proveedores complementan el estampado con corte por láser, entallado simple y entallado rotativo para prototipos o diámetros grandes y, a continuación, ensamblar pilas mediante enclavamiento, unión o soldadura en línea.

Además, las inspecciones -comprobaciones en MMC, sistemas de visión, comprobadores de pérdida de hierro y pruebas de resistencia interlaminar Franklin- son fundamentales para asegurarse de que el motor simulado es el que realmente se obtiene.

• Opciones de fabricación que afectan en gran medida al rendimiento del robot y el cobot:
  • Control de rebabas - las rebabas más bajas protegen los revestimientos y reducen la pérdida de núcleo y el ruido
  • Selección y aplicación de revestimientos - el aislamiento robusto y uniforme mantiene las pérdidas bajas y la inclinación estable durante toda la vida útil del motor
  • Estabilidad del proceso de apilado y unión - la presión, temperatura y alineación constantes mantienen la retrodrivabilidad y el comportamiento de engrane constantes en todos los lotes
  • Conexión eje-pila (p. ej., orificios de precisión, ajustes a presión, insertos) - influye en la excentricidad, la vibración y la fiabilidad a largo plazo de las juntas.

7. Más allá de las laminaciones clásicas: SMC, flujo axial y futuras uniones robóticas

Aunque el acero eléctrico apilado sigue dominando, cada vez se tiende más al acero eléctrico apilado. compuestos magnéticos blandos (SMC) y arquitecturas de flujo axial en accionamientos de alto rendimiento, incluidos los vehículos eléctricos y la robótica. Los SMC utilizan polvo de hierro aislante prensado en formas tridimensionales, lo que permite diseñar motores con trayectorias de flujo verdaderamente tridimensionales y un montaje simplificado en comparación con las laminaciones tradicionales.

Para la robótica y los cobots, esto abre las puertas a articulaciones más planas, en forma de tortitaLos SMC ofrecen una gran variedad de ventajas, como rutas de refrigeración integradas y topologías que resultan difíciles o imposibles con simples láminas apiladas. Sin embargo, los SMC conllevan sus propios compromisos en cuanto a coste de material, densidades de flujo alcanzables y madurez del proceso, por lo que muchos diseños seguirán dependiendo de pilas de laminación cuidadosamente optimizadas en un futuro previsible.

• Si te estás pasando de la raya, plantéatelo:
  • Núcleos híbridos - combinando laminaciones clásicas en la región activa con SMC o guías de flujo mecanizadas donde las trayectorias 3D ayudan a
  • Servodiseños de flujo axial - gracias a las laminaciones axiales cuidadosamente punzonadas o a los núcleos de SMC, que ofrecen una alta densidad de par en una longitud axial corta
  • Revestimientos avanzados y aleaciones amorfas - para reducir aún más las pérdidas en el núcleo y mantener bajas las temperaturas de las articulaciones en brazos fuertemente empaquetados.

8. Lista de comprobación práctica: diseño de su próximo robot o cobot pila de laminación

Llegados a este punto, es fácil sentirse abrumado: hay muchos botones que girar. Para mantener los pies en la tierra, he aquí una lista de comprobación del diseño a nivel humano que puede recorrer la próxima vez que especifique una pila de laminación para una junta robotizada.

• 1. Empiece por la interacción, no por la hoja de datos.
  • Pregunta: ¿Cómo debería sentirse esta articulación cuando un ser humano la empuja? Eso te dice lo agresivo que debes ser con el par de arrastre, el ruido y la conducción trasera.
• 2. Defina explícitamente su presupuesto de pérdidas y temperatura.
  • Con la frecuencia y el ciclo de trabajo de su accionamiento, calcule aproximadamente la pérdida en el núcleo frente a la pérdida en el cobre. Utilícelo para decidir el grosor del laminado y la calidad del acero.
• 3. Elija un método de unión que se ajuste a sus objetivos de "sensación".
  • Cobots y ejes de precisión: inclínese por pilas autoadhesivas o encoladas.
  • Juntas industriales pesadas: el enclavamiento o la soldadura pueden ser aceptables si se someten a ensayo.
• 4. Decida pronto si va a sesgar.
  • La inclinación requiere opciones de utillaje y cambios en el proceso de apilado. Decídalo en la fase de especificación del laminado, no después de construir el prototipo.
• 5. Fijar tolerancias fabricables, no fantasiosas.
  • Trabaje con su proveedor de laminación para adaptar la capacidad de las matrices, los límites de rebabas y los sistemas de revestimiento a su modelo de rendimiento.
• 6. Prototipo con el real proceso de unión y apilamiento.
  • Un prototipo cortado con láser y atornillado se comporta de forma diferente a una pila de producción entrelazada o pegada. Valídelo con algo parecido al proceso final.
• 7. Medir lo que sentirán los humanos.
  • No se limite a medir la eficiencia; trace el par de torsión, la ondulación del par, el par de retroceso y los espectros acústicos. Eso es lo que experimentan realmente los operadores y los usuarios finales.

Si trata la pila de laminación como un componente estratégico en lugar de una partida, sus robots y cobots se moverán de forma diferente: más suave, más silenciosa, más predecible y más segura.

Y la próxima vez que alguien hable maravillas de lo "natural" que parece la unión de su cobot, sabrá que empezó con un montón de piezas de acero muy finas y unidas con mucho cuidado.