Robotika dan Cobot: Tumpukan Laminasi Presisi untuk Motor Servo

Ketika Anda melihat lengan robot menempatkan chip pada PCB atau cobot dengan lembut menyerahkan sebuah komponen kepada manusia, Anda benar-benar menyaksikan tumpukan lembaran baja yang sangat tipis melakukan tugasnya dengan sempurna.

Lembaran-lembaran itu - yang tumpukan laminasi di dalam motor servo - diam-diam putuskan apakah robot Anda merasa halus dan aman atau tersentak-sentak dan berisikapakah sambungan cobot Anda akan tetap dingin selama 10 tahun atau memasak sendiri dalam waktu tiga tahun. Namun sebagian besar diskusi tentang robotika dan cobot hampir tidak menyebutkannya sama sekali.

Artikel ini membahas tentang memperlakukan tumpukan laminasi sebagai tuas desain kelas satu dalam robotika dan cobot, bukan komoditas yang Anda pesan di akhir proyek.

• Di bagian berikutnya, Anda akan melihatnya:
  • Bagaimana motor servo dan tumpukan laminasi diterjemahkan secara langsung ke dalam akurasi, keamanan, dan "rasa" pada cobot
  • Yang bahan, ketebalan, dan metode penyambungan sebenarnya penting (dan mengapa)
  • Bagaimana trik geometri seperti tumpukan miring dan desain tanpa slot torsi dan kebisingan cogging yang jinak
  • Bagaimana memilih teknologi stack secara berbeda untuk robot industri vs cobot
  • Praktis daftar periksa Anda dapat menggunakan saat berikutnya Anda menentukan spesifikasi tumpukan laminasi

1. Motor servo, robotika, dan cobot: mengapa laminasi tiba-tiba menjadi lebih penting

Motor servo adalah serat otot robotika: ringkas, torsi tinggi, dan terus dipantau oleh sensor umpan balik untuk mencapai posisi dan kecepatan yang tepat. Motor ini menutup loop dengan encoder atau resolver, membandingkan posisi yang diperintahkan dengan posisi aktual dan mengoreksi dalam waktu nyata, itulah sebabnya motor ini mendominasi robot, mesin CNC, dan jalur otomasi.

Untuk robot industri, instruksi singkat biasanya sederhana: kepadatan, kecepatan, dan waktu kerja torsi yang tinggi. Akan tetapi, cobot menambahkan batasan tambahan: backdrivability, cogging rendah, kebisingan akustik rendah, dan keamanan yang melekat ketika ditabrak oleh manusia. Atribut "lunak" tersebut sangat dipengaruhi oleh apa yang terjadi di dalam inti magnetik - tumpukan laminasi - bukan hanya oleh perangkat lunak kontrol Anda.

• Baik pada robot maupun cobot, tumpukan laminasi berpengaruh:
  • Kepadatan dan efisiensi torsi (berapa banyak torsi yang Anda tekan per kilogram)
  • Kehalusan pada kecepatan rendah (torsi cogging, riak torsi, dan "rasa")
  • Perilaku termal dan masa pakai (kehilangan inti, distribusi titik panas)
  • Kebisingan dan getaran (NVH) - terutama yang sangat penting di sekitar manusia
  • Karakteristik keselamatan seperti kemampuan mengemudi di belakang dan perilaku patuh pada cobot

2. Di dalam tumpukan laminasi: lembaran baja tipis, konsekuensi besar

Sebagian besar motor servo berkinerja tinggi masih mengandalkan baja listrik laminasiBesi karbon rendah yang dipadukan dengan ~ 0,5-6,5% silikon, dipilih untuk permeabilitas tinggi dan kehilangan inti yang rendah. Lembaran-lembaran ini biasanya 0,1-1,0 mm tebal, dilubangi atau dipotong, kemudian ditumpuk dengan isolasi di antara keduanya untuk memblokir arus eddy.

Lembaran yang lebih tipis berarti kehilangan arus eddy yang lebih rendah pada frekuensi switching yang tinggi - masalah yang semakin besar karena drive servo mendorong frekuensi PWM yang lebih tinggi dan karena sambungan robotik mencapai jumlah dan kecepatan kutub yang lebih tinggi. Pada saat yang sama, menjadi lebih tipis meningkatkan biaya dan kompleksitas produksi, itulah sebabnya pemasok laminasi yang serius terobsesi dengan cetakan stamping, gerinda, dan pelapis.

Parameter laminasi utama untuk motor servo robot & cobot

• Sebagai seorang perancang robot, pikirkan desain laminasi sebagai tiga dial yang digabungkan:
  • Sistem material - kelas baja listrik (atau alternatif) yang Anda pilih
  • Geometri - bentuk gigi, kombinasi slot/tiang, kemiringan, dan tinggi tumpukan
  • Kualitas perakitan - metode penyambungan, kontrol duri, dan presisi penyelarasan

3. Metode penggabungan: bagaimana tumpukan disatukan akan mengubah apa yang "dirasakan" oleh cobot

Ratusan lembaran tipis itu tidak secara ajaib tetap menyatu. Mereka disatukan menggunakan metode seperti ikatan perekat, ikatan sendiri (Backlack), penguncian mekanis, memukau/baut, cleating, dan pengelasan.

Penelitian menunjukkan adanya tarik-menarik yang konstan: Anda membutuhkan kekuatan mekanik dan kemampuan manufaktur, tetapi Anda tidak ingin merusak kinerja magnetik dengan merusak insulasi atau menimbulkan tegangan sisa dan distorsi. Penyambungan berbasis lem cenderung mempertahankan kehilangan inti yang rendah dan insulasi yang baik, sementara pengelasan atau interlock mekanis yang agresif dapat meningkatkan kehilangan dan kebisingan jika tidak dikontrol dengan hati-hati.

Metode penggabungan vs dampak pada tumpukan laminasi servo

• Khususnya untuk cobot, tumpukan berikat atau berikat sendiri menarik karena:
  • Mereka mengurangi kehilangan arus eddy dan dengan demikian panas dan hanyut
  • Mereka meredam getaran dan kebisingan - sangat penting ketika robot bekerja di samping manusia
  • Mereka menjaga konstanta torsi lebih linier, menyederhanakan estimasi dan kontrol gaya

4. Geometri dalam tumpukan: melawan cogging, riak, dan kebisingan

Jika sendi robot Anda terasa "berlekuk" saat Anda menggerakkannya dengan tangan, Anda merasa torsi cogging - torsi parasit yang berasal dari interaksi magnet permanen dengan gigi stator dan laminasi.

Para desainer melawan hal ini dengan menggunakan campuran desain elektromagnetik dan geometri laminasimenyesuaikan kombinasi slot/kutub, mengubah bentuk magnet, mengubah geometri ujung gigi, dan memiringkan tumpukan laminasi. A rotor atau stator miring sedikit memutar laminasi di sepanjang sumbu sehingga harmonisa slotting "merata" di sepanjang panjang tumpukan, secara signifikan mengurangi torsi cogging dan riak torsi dengan hanya berdampak kecil pada konstanta torsi dan efisiensi.

• Untuk robotika dan cobot, tuas geometri tingkat laminasi termasuk:
  • Tumpukan rotor/stator yang miring - mengurangi cogging, riak torsi, dan kebisingan akustik, terutama penting untuk gerakan "merayap" berkecepatan rendah dan cobot yang bekerja di dekat orang
  • Desain stator tanpa slot atau ompong - menggunakan inti laminasi berbentuk cincin tanpa gigi untuk hampir menghilangkan cogging, sangat membantu pada sambungan penginderaan torsi kelas atas
  • Kombinasi slot/tiang yang dioptimalkan - desain slot pecahan untuk mematahkan simetri dan menyebarkan harmonisa
  • Pembentukan dan bentukan ujung gigi - penyesuaian lokal untuk mengurangi kejenuhan dan riak torsi pada rentang beban tertentu
  • Rasio aperture dan ID/OD - terutama pada motor tanpa rangka di mana gearbox atau sensor berada di dalam rotor

5. Robot industri vs cobot: prioritas laminasi yang berbeda

Robot pengelasan industri yang melemparkan percikan api di dalam sel berpagar memiliki profil risiko yang sangat berbeda dengan cobot yang merakit elektronik di samping operator manusia. Namun di dalam keduanya, tumpukan laminasi masih menentukan torsi, kehalusan, dan selubung termal yang dapat Anda gunakan.

Untuk robot industridesain laminasi cenderung memprioritaskan kepadatan torsi, efisiensi, dan biayaterutama dalam volume besar. Torsi cogging yang sedikit lebih tinggi sering kali dapat ditoleransi karena gearbox, struktur yang kaku, dan loop kontrol yang cerdas dapat menyembunyikan banyak hal.

Untuk cobot dan sistem bergaya eksoskeletonbackdrivability dan impedansi semu yang rendah adalah kuncinya. Motor sambungan dengan densitas torsi tinggi sering kali dipasangkan dengan rasio roda gigi rendah atau arsitektur penggerak semu; dalam rezim tersebut, setiap bit dari roda gigi dan gesekan diperkuat menjadi apa yang dirasakan manusia secara fisik.

• Apabila Anda mendesain tumpukan laminasi, perlakukan kedua kelas secara berbeda:
  • Sambungan robot industri
    • Dapat hidup dengan tumpukan yang saling bertautan atau dilas jika memangkas biaya dan meningkatkan hasil
    • Bertujuan untuk kinerja cogging yang baik tetapi tidak sempurna; drive dan gearbox membantu menutupi ketidaksempurnaan
    • Batas termal sering kali ditentukan oleh siklus kerja dan lingkungan sekitar, bukan kenyamanan manusia
  • Cobot dan robot yang dapat berinteraksi dengan manusia
    • Mendukung tumpukan berikat / berikat sendiri dan laminasi miring untuk torsi yang sangat halus
    • Mendorong laminasi yang lebih tipis dan lapisan yang lebih baik untuk mengurangi kehilangan dan penyimpangan suhu
    • Sangat peduli dengan ciri khas akustik dan kesan sentuhan saat digerakkan ke belakang

6. Realitas manufaktur: bagaimana toleransi muncul dalam perilaku robot

Di atas kertas, tumpukan laminasi hanyalah tumpukan bentuk yang sempurna. Di lantai pabrik, detail seperti tinggi duri, ketahanan lapisan, dan kesesuaian poros memberi motor Anda kepribadian yang sebenarnya.

Mesin cetak progresif berkecepatan tinggi dan mesin cetak cepat adalah pekerja keras dalam produksi laminasi, yang mampu menghasilkan jutaan cetakan per cetakan. Jika dilakukan dengan benar, mesin ini memberikan toleransi yang ketat dan faktor penumpukan yang tinggi; jika dilakukan dengan sembarangan, mesin ini meninggalkan gerinda yang menembus insulasi, meningkatkan kehilangan antar-laminasi dan kebisingan yang dapat didengar. Banyak pemasok melengkapi stamping dengan pemotongan laser, bentukan tunggal, dan bentukan putar untuk prototipe atau diameter besar, kemudian rakit tumpukan melalui interlocking, bonding, atau pengelasan in-line.

Selain itu, pemeriksaan - pemeriksaan CMM, sistem penglihatan, penguji rugi-rugi besi, dan uji resistensi antar-laminar Franklin - sangat penting untuk memastikan motor simulasi Anda adalah motor yang benar-benar Anda dapatkan.

• Pilihan manufaktur yang sangat mempengaruhi kinerja robot & cobot:
  • Kontrol duri - gerinda bawah melindungi lapisan dan menjaga kehilangan inti dan kebisingan
  • Pemilihan & aplikasi pelapisan - insulasi yang kuat dan seragam mempertahankan kehilangan yang rendah dan kemiringan yang stabil selama masa pakai motor
  • Stabilitas proses penumpukan dan penggabungan - tekanan, suhu, dan keselarasan yang konsisten menjaga backdrivability dan perilaku cogging tetap konsisten di seluruh batch
  • Koneksi poros-ke-tumpukan (misalnya, lubang dengan bentuk presisi, press fit, sisipan) - memengaruhi runout, getaran, dan keandalan sambungan dalam jangka panjang

7. Melampaui laminasi klasik: SMC, fluks aksial, dan sambungan robot masa depan

Meskipun baja listrik bertumpuk masih dominan, ada dorongan yang terus meningkat ke arah komposit magnetik lunak (SMC) dan arsitektur fluks aksial pada penggerak berkinerja tinggi, termasuk EV dan robotika. SMC menggunakan serbuk besi berinsulasi yang ditekan ke dalam bentuk 3D, sehingga memungkinkan untuk mendesain motor dengan jalur fluks tiga dimensi yang benar-benar tiga dimensi dan perakitan yang disederhanakan dibandingkan dengan laminasi tradisional.

Untuk robotika dan cobot, hal itu membuka pintu untuk sambungan yang lebih rata dan seperti pancakejalur pendinginan terintegrasi, dan topologi yang sulit atau tidak mungkin dilakukan dengan lembaran bertumpuk sederhana. Namun, SMC membawa trade-off mereka sendiri dalam hal biaya material, kepadatan fluks yang dapat dicapai, dan kematangan proses, sehingga banyak desain akan terus mengandalkan tumpukan laminasi yang dioptimalkan dengan hati-hati untuk masa mendatang.

• Jika Anda ingin melakukan sesuatu yang lebih, pertimbangkanlah:
  • Inti hibrida - menggabungkan laminasi klasik di wilayah aktif dengan SMC atau pemandu fluks mesin di mana jalur 3D membantu
  • Desain servo fluks aksial - diaktifkan oleh laminasi aksial yang dilubangi dengan hati-hati atau inti SMC, menawarkan kepadatan torsi tinggi dalam panjang aksial yang pendek
  • Pelapis canggih dan paduan amorf - untuk mencukur kehilangan inti lebih jauh dan menjaga suhu sambungan tetap rendah pada lengan yang dikemas dengan rapat

8. Daftar periksa praktis: merancang robot atau tumpukan laminasi cobot Anda berikutnya

Pada titik ini, mudah sekali merasa kewalahan - ada banyak kenop yang harus diputar. Agar tetap membumi, berikut ini adalah daftar periksa desain tingkat manusia Anda dapat menelusuri saat berikutnya Anda menentukan tumpukan laminasi untuk sambungan robotik.

• 1. Mulailah dari interaksinya, bukan dari lembar data.
  • Tanyakan: Seperti apa rasanya sendi ini ketika manusia mendorongnya? Hal ini menunjukkan betapa agresifnya Anda dalam hal torsi, kebisingan, dan kemampuan backdrive.
• 2. Tentukan anggaran kerugian dan suhu Anda secara eksplisit.
  • Dengan frekuensi drive dan siklus kerja Anda, secara kasar anggarkan kehilangan inti vs kehilangan tembaga. Gunakan itu untuk menentukan ketebalan laminasi dan kelas baja.
• 3. Pilih metode penggabungan yang sesuai dengan target "rasa" Anda.
  • Cobot dan kapak presisi: condong ke arah tumpukan yang diikat sendiri atau direkatkan.
  • Sambungan industri berat: saling mengunci atau pengelasan mungkin dapat diterima jika diuji.
• 4. Tentukan lebih awal apakah akan melakukan skewing.
  • Kemiringan membutuhkan pilihan perkakas dan perubahan proses penumpukan. Tentukan pada tahap spesifikasi laminasi, bukan setelah Anda membuat prototipe.
• 5. Mengunci toleransi yang dapat diproduksi, bukan toleransi fantasi.
  • Bekerjasamalah dengan pemasok laminasi Anda untuk menyesuaikan kemampuan die, batas duri, dan sistem pelapisan dengan model kinerja Anda.
• 6. Prototipe dengan nyata proses penggabungan & penumpukan.
  • Prototipe yang dipotong dengan laser dan dibaut berperilaku berbeda dari tumpukan produksi yang saling bertautan atau terikat. Validasi dengan sesuatu yang mendekati proses akhir.
• 7. Mengukur apa yang akan dirasakan manusia.
  • Jangan hanya mengukur efisiensi; plotkan torsi cogging, riak torsi, torsi backdrive, dan spektrum akustik. Itulah yang sebenarnya dialami oleh operator dan pengguna akhir.

Jika Anda memperlakukan tumpukan laminasi sebagai komponen strategis alih-alih item baris, robot dan cobot Anda akan bergerak secara berbeda - lebih halus, lebih tenang, lebih mudah diprediksi, dan lebih aman.

Dan lain kali ketika seseorang memuji betapa "alami" sambungan cobot Anda, Anda akan tahu bahwa itu dimulai dengan tumpukan potongan baja yang sangat tipis dan disambung dengan sangat hati-hati.