Qué buscar en un motor BLDC para un brazo de robot colaborativo

Un brazo de robot colaborativo comparte el volumen de trabajo con las personas, y esa única restricción cambia lo que tiene que hacer el motor que va dentro de cada articulación. Un brazo industrial puede dimensionarse en torno a la carga útil y el tiempo de ciclo y después delimitarse con una valla; un brazo colaborativo tiene que dimensionarse en torno a una carga útil, un tiempo de ciclo y una persona, lo que añade limitación de fuerza, guiado manual (hand guiding) y servicio continuo a una especificación que ya debía satisfacer par, velocidad y tamaño. Los motores que convienen a estas articulaciones son conjuntos sin carcasa —un estator y un rotor sin carcasa, sin rodamientos y sin etapa de reducción—, porque en un brazo colaborativo la geometría de la articulación, el recorrido del cable y el reductor son decisiones que toma quien integra y no propiedades del motor. Elegir motores BLDC para un brazo de robot colaborativo va, por tanto, de la articulación hacia atrás: primero se nombran el servicio y la etapa de reducción, y la referencia del modelo se fija al final.

Respuesta rápida

Una articulación colaborativa le pide al motor tres cosas que una articulación industrial no. La articulación tiene que poder empujarse con la mano, lo que da un valor especial a un par de retención bajo y a una inercia del rotor baja. Tiene que funcionar durante un turno y no durante un ciclo, lo que convierte el par continuo y la corriente continua en las cifras de trabajo en lugar de las de pico. Y la masa de la articulación se asienta sobre un eslabón junto al cual puede haber una persona, de modo que la masa en el extremo distal se paga en cada articulación situada por encima. Donde el mazo de cables tiene que cruzar la articulación, un orificio a través del eje elimina por completo el bucle de servicio de la envolvente. Un actuador de brazo de robot colaborativo se juzga, por tanto, por cómo se comporta a pares pequeños y durante un servicio largo, y solo después por la cifra de pico que puede alcanzar.

En ToBMS la aplicación Brazo de cobot reúne los conjuntos y las unidades integradas CubeMars que sirven a estas articulaciones. Esta guía lee siete de los conjuntos sin carcasa —las familias RI y RO, desde una unidad de 20 g hasta una unidad de 710 g— como un único conjunto de especificaciones, y plantea la etapa de reducción, que no aparece en ninguno de esos registros, como la elección que convierte un motor pequeño en una articulación colaborativa.

Qué le pide al motor una articulación colaborativa

Los requisitos que separan un brazo colaborativo de uno industrial no son funciones extra atornilladas a la misma especificación. Cambian el orden en que se escribe la especificación, porque desplazan la restricción que ata desde el tiempo de ciclo hacia el comportamiento a par bajo, el comportamiento durante un servicio largo y el comportamiento de la estructura en la que se monta el motor. Leídos en conjunto, son lo que separa los motores BLDC para un brazo de robot colaborativo de la misma clase de motor especificada para una celda industrial encerrada.

La ruta de carga discurre junto a una persona, no detrás de una valla

Un brazo que trabaja junto a una persona tiene que poder funcionar en un modo de limitación de fuerza en el que el par que puede aplicar está acotado y el par alcanzable debe poder ordenarse con precisión a valores pequeños. Para el motor eso significa dos propiedades: el par que produce para una corriente dada debe ser predecible hasta corrientes pequeñas, y el par que produce cuando no se aplica corriente alguna —el par de retención— debe ser lo bastante pequeño para que una articulación accionada a través de un reductor no dé saltos ni se agarrote al moverse despacio con la mano. Un conjunto sin carcasa, que no lleva carcasa ni rodamientos, no puede esconder esas propiedades detrás de un tren de engranajes, así que se leen directamente del registro del motor y del bobinado y el número de polos.

El guiado manual exige un motor honesto

La enseñanza por demostración, en la que una persona mueve el brazo a lo largo de una trayectoria y el controlador la registra, es una de las razones por las que se compran brazos colaborativos. Que una articulación pueda retroaccionarse (back-drive) lo decide sobre todo el reductor —una relación alta se resiste a un empuje externo—, pero el motor aporta la inercia del rotor que el reductor refleja a la salida, dividida por el cuadrado de la relación, y el par de retención que una persona percibe a través de la etapa. Una inercia del rotor baja y un bobinado suave hacen que el arrastre sea ligero y uniforme; un rotor grande lo hace sentir pesado e impreciso. En este conjunto las masas del rotor van de 20 g a 710 g, y las unidades del extremo pequeño son las que una articulación guiada a mano puede llevar como contribución directa a la sensación.

El servicio es continuo, no episódico

Una celda de soldadura ejecuta un ciclo corto y rápido y después espera. Un brazo colaborativo se gana el puesto trabajando junto a una persona durante un turno, y buena parte de ese tiempo se dedica a sostener una herramienta en una posición o a moverse despacio contra una carga. Eso es un servicio térmico y no dinámico, y convierte la cifra de par continuo en el número que dimensiona la articulación, con la cifra de pico reservada para el transitorio del inicio de un movimiento. También convierte la corriente continua en un número de sistema, porque una articulación que sostiene una postura contra la gravedad sigue consumiendo corriente y sigue convirtiéndola en calor dentro del bobinado. Un motor de articulación robótica elegido solo por el tiempo de ciclo se dimensiona para el servicio equivocado, y la carencia aparece como un bobinado que abandona la clase de aislamiento durante un sostenimiento prolongado.

La masa del propio brazo forma parte de la carga útil

Un brazo colaborativo suele estar especificado para unos pocos kilogramos de carga útil, y la masa del propio brazo es varias veces mayor. Cada gramo de motor y de estructura se acelera por tanto en cada movimiento y se carga a la cuenta de la carga útil aprovechable, y un motor situado en la muñeca es acelerado por la muñeca, el codo y el hombro por turnos. El par por unidad de masa es la cifra que conecta esta restricción con el registro del motor, y hay que leerla pensando en la etapa de reducción, porque un motor ligero detrás de una etapa grande produce más par de articulación por gramo que un motor pesado detrás de una etapa pequeña. Esa es la razón de que la comparación siguiente se haga por unidad de masa y no por unidad de par.

Cómo convierte un reductor un motor pequeño en una articulación de cobot

La etapa de reducción es la interfaz entre el registro del motor y el requisito de la articulación, y traslada cada magnitud del lado motor al lado de la articulación de una manera fija. Leer el registro del motor sin ese mapa es como una especificación acaba coincidiendo sobre el papel y comportándose mal en la articulación.

La relación pertenece a quien integra, y ninguno de estos registros la incluye

Los siete registros que se usan en esta guía incluyen tensión nominal, potencia nominal, par nominal y de pico, corriente nominal y de pico, velocidad nominal y en vacío, masa, diámetro exterior, longitud axial, pares de polos y KV; algunos incluyen además una cifra de Ke y un método de accionamiento. Ninguno incluye una relación de reducción, una cifra de juego ni un diámetro de eje. Eso no es un hueco en los registros de la plataforma: esas magnitudes pertenecen a la articulación en la que se monta el conjunto, y las elige quien integra. Es también la razón de que un proyecto de brazo colaborativo empiece por la articulación y no por la referencia del modelo: el mismo motor puede servir a un eje de muñeca rápido y de par bajo y a un eje de hombro lento y de par alto, y solo difiere la etapa situada entre él y la carga.

El par se multiplica por la relación y la velocidad se divide por ella

En el lado de la articulación de la etapa, el par es el par del motor multiplicado por la relación y por el rendimiento de la etapa, y la velocidad es la velocidad del motor dividida por la relación. De la relación se derivan dos efectos más. La inercia reflejada desde el rotor hasta la salida cae con el cuadrado de la relación, que es la razón de que una relación alta produzca una articulación fácil de gobernar y difícil de sentir. Y cada etapa de reducción añadida cuesta unos pocos por ciento de la potencia que la atraviesa y suma además una contribución propia al juego, así que la multiplicación es real pero no gratis. Una especificación de articulación tiene por tanto que indicar la relación que supone, porque un requisito de par y un requisito de velocidad no pueden leerse de un registro de motor con independencia de ella.

Un mismo motor registrado detrás de dos etapas distintas

La aritmética se ve más fácilmente en una sola unidad registrada. El RI80 V2.0 KV75 pesa 411 g y publica 1.45 Nm de par nominal y 4.1 Nm de pico, con 1135 rpm nominales y 1480 rpm en vacío a la salida con una alimentación de 24 V, que son 6810 y 8880 grados por segundo antes de montar ninguna etapa. Detrás de una etapa de 10:1, y tratando la aritmética como aproximada, esas cifras pasan a ser unos 41 Nm de pico y 14.5 Nm de par nominal con hasta 888 grados por segundo de salida en vacío en la articulación; detrás de una etapa de 50:1 pasan a ser unos 205 Nm de pico y 72.5 Nm de par nominal con hasta 178 grados por segundo de salida en vacío. La segunda disposición equivale a un par de pico del lado de la articulación de unos 205 Nm, calculado a partir del par de pico publicado y de una relación de reducción supuesta, lo que queda en el mismo orden que los 222 Nm publicados para un actuador integrado de 1396 g: las dos no se miden sobre la misma base, ya que la primera es una cifra del lado motor llevada a través de una relación y la segunda es una cifra publicada para una articulación ensamblada, así que no deben compararse directamente. El motor es menos de un tercio de esa masa, porque el par vino de la relación y no del motor. Lo que la comparación no incluye son el juego, la rigidez y el trabajo de montaje que trae consigo un reductor, y esas son las razones por las que se compra una unidad integrada.

Siete especificaciones que deciden el motor de una articulación de cobot

Siete números del registro del motor de articulación robótica sostienen la decisión, y se leen en este orden, porque cada uno estrecha lo que tiene que entregar el siguiente. Ninguno de los siete es un máximo; cada uno es una afirmación sobre el comportamiento, que es lo que compra una aplicación colaborativa.

El par continuo, que es una afirmación térmica

El par nominal es el par que el motor puede sostener indefinidamente con el bobinado dentro de la clase de aislamiento, así que depende de cómo sale el calor del estator —hacia la estructura en la que va prensado o pegado, y lejos de la articulación—. En estos siete conjuntos el par nominal publicado va de 0.024 Nm en la unidad de 20 g a 4 Nm en la unidad de 710 g, un intervalo de más de dos órdenes de magnitud, y es la cifra que conviene comparar con la carga media de la articulación a lo largo de un turno y no con el peor caso de un movimiento. Para un actuador de brazo de robot colaborativo esa es la restricción que ata durante la mayor parte de la jornada, y es la única cifra del registro que la estructura circundante puede cambiar.

El par de pico, que es una ventana

El par de pico describe lo que el motor puede producir durante un intervalo corto sin superar el límite de corriente del variador ni desmagnetizar los imanes. Leído en las dos columnas publicadas, en este conjunto el múltiplo entre pico y nominal está cerca de tres en todas las unidades, entre unos 2.8 y unos 3.0, que es una banda más estrecha que la que muestra la familia de actuadores integrados recogida en ToBMS y significa que dos conjuntos con el mismo par nominal entregarán un transitorio muy parecido. La ventana sigue teniendo que definirla el fabricante —cuánto tiempo, con qué frecuencia y con qué refrigeración— antes de poder usarla para dimensionar nada.

La corriente continua, que es lo que cuesta una postura sostenida

Una articulación que está parada bajo carga no está ociosa desde el punto de vista del bobinado: el variador mantiene la posición con corriente en las fases, y la pérdida en el cobre es la misma que tendría moviéndose despacio. La corriente continua publicada en este conjunto va de 1.47 A en la unidad más pequeña a 20 A en la más grande, y en un brazo colaborativo ese consumo se paga con el presupuesto térmico del controlador y, en una plataforma móvil, con la autonomía. En una base alimentada por batería ese mismo consumo es una cifra de autonomía además de una cifra térmica, porque la postura que el brazo mantiene con más frecuencia es la que paga la batería.

KV y la tensión de alimentación detrás de la velocidad del lado motor

El KV es la constante del lado motor: la velocidad a la que gira el rotor por voltio de tensión de bus aplicada, antes de cualquier reducción. Multiplicado por la tensión de alimentación nominal da la velocidad del lado motor: 600 multiplicado por 16 V da 9600 rpm para el RI20 KV600, 260 multiplicado por 24 V da 6240 rpm para el RI30 KV260, y 115 multiplicado por 48 V da 5520 rpm para el RO60 KV115 Standard. La relación entre el KV y la velocidad en vacío también depende de la definición del bobinado y de las condiciones de ensayo, así que las velocidades de salida en vacío y nominales que publica el fabricante son los valores con los que hay que diseñar, y la tensión de alimentación es una decisión de sistema que debe fijarse antes de elaborar la preselección, ya que la unidad de 20 g funciona a 16 V y las unidades más grandes funcionan a 48 V.

El diámetro exterior y el orificio que lo acompaña

El diámetro exterior determina cuánto material de estator e imanes cabe dentro de la articulación, y en estos siete va de 25 mm a 113.5 mm. En un brazo colaborativo el diámetro suele ser la más difícil de las dos dimensiones de la envolvente, porque la sección de un eslabón la fija la estructura que tiene que soportar la carga, mientras que la longitud axial a menudo puede absorberse dentro del eslabón. El diámetro es también donde vive el orificio. El texto de características del fabricante nombra un eje hueco con una abertura de Ø17 mm para el RI30 KV260 y un gran eje hueco para el RO50 KV108 Lite, el RO60 KV115 Standard y el RO100 KV55 Standard; los otros tres conjuntos de este grupo no incluyen esa característica en la descripción publicada. Donde una articulación tiene que pasar alimentación y cableado de sensores por el propio eje, el orificio es lo que aparta el cable de las piezas que pueden fallar, y en los motores BLDC para un brazo de robot colaborativo el diámetro y el orificio se leen juntos por esa razón.

La longitud del paquete y el presupuesto axial

La longitud axial de estos conjuntos va de 14 mm a 36.2 mm, y compite por el espacio con la etapa de reducción que se atornillará al mismo eje. Un paquete largo y delgado encaja dentro de un eslabón; un paquete corto y ancho se asienta mejor en el exterior de un soporte. Como el reductor, la disposición de rodamientos y el encoder tienen que caber en la misma línea de centros, el presupuesto axial se suele gastar más rápido de lo que sugiere el primer boceto, y un conjunto de 14 mm de largo deja más margen que uno de 36 mm de largo.

La masa en el eslabón distal

La masa es el último número que se lee y el que hay que leer atendiendo a la posición. Un motor en la muñeca se transporta en cada movimiento del brazo, así que el coste se paga en cada articulación entre él y la base, mientras que la misma masa en el hombro se paga una sola vez. El par de pico publicado por unidad de masa en estos siete conjuntos sube de unos 3.6 Nm/kg en la unidad de 20 g a unos 16.9 Nm/kg en la unidad de 710 g, y el par nominal por unidad de masa de unos 1.2 Nm/kg a unos 5.6 Nm/kg, ambas aritmética a partir de las columnas registradas, y ambas bastante más bajas que las de la familia de actuadores integrados recogida en ToBMS, porque todavía no se ha contado ninguna etapa de reducción.

Siete motores CubeMars RI y RO como un único conjunto de especificaciones

La tabla siguiente lee siete conjuntos sin carcasa CubeMars como un único conjunto de especificaciones, ordenados por masa, porque la masa es el eje a lo largo del cual se diseña un brazo colaborativo: la escala va de una unidad de 20 g para un eje de mano o muñeca a una unidad de 710 g para un eje de hombro o próximo a la base. Cada cifra es el valor publicado por el fabricante, y cada cifra derivada del texto circundante se etiqueta como aritmética.

Par nominal y de pico, tensión de alimentación, masa y envolvente según lo publicado por el fabricante. El par nominal es la cifra continua dentro de los límites térmicos del motor; el par de pico es una cifra de ventana corta. Los registros de estos conjuntos no incluyen una relación de reducción, una cifra de juego ni un diámetro de eje, porque esos datos pertenecen a la articulación en la que se monta el conjunto.

Leídos como un solo conjunto, los siete modelos describen una escala de par que va de 0.072 Nm a 12 Nm de par de pico publicado en un intervalo de masa de 20 g a 710 g y, a diferencia de la familia de actuadores integrados recogida en ToBMS, donde el orden por masa deja de seguir el par por encima de la gama media, aquí el orden se mantiene hasta arriba. El par de pico por unidad de masa sube de forma sostenida desde unos 3.6 Nm/kg en la unidad de 20 g hasta unos 16.9 Nm/kg en la unidad de 710 g. La forma monótona es consecuencia del reductor ausente: al no haber ninguna etapa en las cifras, lo que separa a estos motores es cuánto material de estator e imanes lleva cada uno, y eso escala con la envolvente.

Lo segundo que muestra la tabla es cuánto queda la densidad de par de un conjunto desnudo por debajo de lo que necesita una articulación. Cada cifra de la tabla es una cifra del lado motor, y cada requisito de articulación es un requisito del lado de salida, así que la relación entre las dos es la etapa que quien integra todavía no ha elegido. Es la razón de que una unidad de 20 g pueda accionar un eje de muñeca y una unidad de 710 g pueda accionar un hombro: no porque el motor más grande sea mejor en esencia, sino porque la etapa que hay detrás de cada uno se dimensiona para la articulación. Una preselección extraída de esta tabla es, por tanto, una preselección de motores que pueden sobrevivir al requisito de par, velocidad y térmico de una articulación una vez supuesta una etapa, y la etapa tiene que suponerse antes de elaborar la preselección. Una comparación de motores BLDC para un brazo de robot colaborativo que se salta ese paso compara cifras del lado motor con un requisito del lado de la articulación.

Lo tercero que muestra la tabla es cómo se mueve la tensión de alimentación con el tamaño. La unidad más pequeña funciona a 16 V y la más grande a 48 V, y el RI50 KV100 y el RI80 V2.0 KV75 publican una velocidad nominal y una velocidad en vacío para cada una de 24 V, 36 V y 48 V: 1090, 1860 y 2600 rpm nominales para el RI50, y 2004, 3006 y 4008 rpm en vacío para la misma unidad. Esos registros de tres puntos hacen visible el efecto del bus en una sola fila, y son la razón de que una decisión de tensión de sistema corresponda antes de la comparación de motores y no después. Una arquitectura de 48 V y una de 24 V seleccionan de forma distinta a partir de la misma tabla.

Leer los siete de la muñeca a la base

Un brazo colaborativo es una cadena que va de los ejes distales de la mano y la muñeca al hombro y la base, y el requisito se desplaza a lo largo de ella: el par sube, el presupuesto de masa sube y la velocidad necesaria en la articulación baja. Los siete conjuntos siguientes dividen esa cadena en tres grupos, y la división sigue la masa publicada.

El extremo de 20 g y 40 g: ejes de mano y muñeca

Los dos conjuntos más pequeños asumen los servicios de par bajo y velocidad alta. El RI20 KV600 pesa 20 g en una envolvente de 25 mm de diámetro y 14.5 mm de largo, gira con una alimentación de 16 V para 0.024 Nm nominales y 0.072 Nm de pico, y publica 1.47 A de corriente continua con 7452 rpm nominales y 9600 rpm en vacío sobre 7 pares de polos. Un KV alto y una envolvente pequeña convienen a un eje que tiene que moverse deprisa y llevar muy poco, lo que en un brazo colaborativo significa una mano o un giro de muñeca accionado a través de una etapa grande. El RI30 KV260 es la misma idea con más material y un bobinado más lento: 40 g en una envolvente de 38 mm de diámetro y 14 mm de largo, 0.076 Nm nominales y 0.23 Nm de pico a 24 V, 1.98 A de corriente continua, 4110 rpm nominales y 6240 rpm en vacío, y la descripción del fabricante nombra un eje hueco de Ø17 mm para el paso de cables. Ese orificio es lo que lo hace utilizable en una muñeca, donde el mazo tiene que cruzar el eje, y es la única característica que lo separa del RI20.

El tramo medio de 105 g a 248 g: ejes de antebrazo y codo

El centro del conjunto es donde se sitúan las articulaciones de antebrazo y codo, y es la parte de un brazo colaborativo en la que la carga útil y la masa del propio brazo están más cerca en magnitud. El RO50 KV108 Lite es la opción útil más ligera, con 105 g en una envolvente de 61.7 mm de diámetro y 14.5 mm de largo, y produce 0.3 Nm nominales y 0.9 Nm de pico a 24 V con 2100 rpm nominales y 2600 rpm en vacío a la salida, 3.4 A de corriente continua y 14 pares de polos; el texto de características nombra un gran eje hueco y el registro nombra FOC como método de accionamiento. El RI50 KV100 pesa 180.8 g en una envolvente de 54 mm de diámetro y 27 mm de largo y acepta 24 V, 36 V o 48 V, produciendo 0.58 Nm nominales y 1.67 Nm de pico con 4.8 A de corriente continua; el registro de velocidad de tres puntos es la fila más útil de la tabla para planificar una tensión de bus. El RO60 KV115 Standard pasa a 248 g en una envolvente de 73.8 mm de diámetro y 23 mm de largo para 0.8 Nm nominales y 2.4 Nm de pico a 48 V, con 4200 rpm nominales, 5520 rpm en vacío, 8.5 A de corriente continua, 14 pares de polos y un gran eje hueco nombrado en el texto de características. Lo que estos tres comparten es un orificio a través del eje y suficiente par continuo para sostener un antebrazo más una carga útil contra la gravedad sin gastar la reserva transitoria, que es el servicio que un codo colaborativo desempeña durante la mayor parte de un turno.

El extremo de 411 g y 710 g: ejes de hombro y próximos a la base

La parte alta de la tabla corresponde a las articulaciones que soportan el brazo. El RI80 V2.0 KV75 pesa 411 g en una envolvente de 85 mm de diámetro y 27 mm de largo y admite 24 V, 36 V o 48 V, produciendo 1.45 Nm nominales y 4.1 Nm de pico con 9.4 A de corriente continua, 1135, 1785 y 2430 rpm nominales y 1480, 2220 y 2960 rpm en vacío en las tres tensiones, sobre 8 pares de polos, con FOC nombrado en el registro. El RO100 KV55 Standard es el conjunto más grande de aquí, con 710 g en una envolvente de 113.5 mm de diámetro y 36.2 mm de largo, y produce 4 Nm nominales y 12 Nm de pico a 48 V con 2000 rpm nominales y 2550 rpm en vacío a la salida, 20 A de corriente continua, 21 pares de polos y un gran eje hueco nombrado en el texto de características. Un KV bajo de 55 es lo que quiere una articulación de hombro: a una tensión de bus dada el rotor gira despacio con más par por amperio, que es la disposición que mantiene baja la corriente continua, y por tanto la pérdida en el cobre, en un eje que se pasa la vida sosteniendo el brazo. El RI80 V2.0 KV75 tiene un par de pico unas 2.8 veces el nominal, y su corriente de pico de 27.6 A es unas 2.9 veces la corriente nominal de 9.4 A; el RI20 KV600 lleva su entrada de Ke junto al KV y a la tensión de alimentación en el mismo registro. Las condiciones de ensayo detrás de estas cifras no constan en el registro, por lo que conviene confirmar sus definiciones y ventanas de servicio con el fabricante durante la revisión de especificación.

Brazos fabricados, manipuladores móviles (mobile manipulator) y celdas de laboratorio

Cada conjunto de esta tabla está asociado en ToBMS a la misma aplicación, lo que refleja lo estrecho del servicio: la aplicación Brazo de cobot cubre máquinas cuyas articulaciones se construyen en torno a un volumen de trabajo compartido y no a una celda cercada. Los tres entornos siguientes son aquellos en los que más se recurre a este conjunto y en los que un actuador de brazo de robot colaborativo tiene que justificar la masa.

Brazos colaborativos fabricados y ensamblados

Cuando el brazo se construye con eslabones, rodamientos y un reductor en lugar de comprarse como módulo articular, el motor se elige al final y la etapa se elige primero, y los siete registros anteriores son la entrada de esa elección. El patrón que aparece con más frecuencia es un conjunto pequeño en la muñeca por velocidad y masa ligera, un conjunto de gama media en el codo por par de sostenimiento y paso de cables, y un conjunto de KV bajo en el hombro por par continuo a corriente baja. Un brazo de cobot construido así tiene el juego, la rigidez y el trabajo de montaje repartidos entre tres o más reductores, que es el intercambio que acepta quien fabrica a cambio del control sobre la geometría de la articulación.

Manipuladores móviles y plataformas de inspección

Montar un brazo sobre una base en movimiento cambia el presupuesto de masa más que ninguna otra decisión. La base tiene que llevar el brazo, el brazo tiene que llevar la carga útil, y toda la cadena funciona con batería, así que la corriente continua se convierte en una cifra de autonomía además de una cifra térmica. Un conjunto de KV bajo en el hombro consume menos corriente por unidad de par de sostenimiento que uno de KV alto al que se pide el mismo trabajo a través de una etapa distinta, y un conjunto con orificio mantiene el mazo fuera de las piezas que se mueven. El mismo razonamiento se aplica a un brazo de cobot montado en una plataforma de inspección, donde el brazo es un accesorio de una máquina que ya tiene un problema de masa propio.

Celdas de laboratorio, bancos de enseñanza y equipos de investigación

Los equipos de investigación y enseñanza se construyen para instrumentarse y rehacerse, así que favorecen conjuntos cuyo comportamiento pueda predecirse a partir del registro sin una campaña de ensayos: un bobinado suave, una corriente continua publicada y una masa lo bastante pequeña para que el brazo pueda moverse con la mano para comprobar un controlador. Los sistemas que se enseñan por demostración también necesitan que el arrastre de la articulación sea bajo y uniforme, que es la restricción que convierte el par de retención y la inercia del rotor en los números que hay que leer primero cuando se ensambla un brazo para un laboratorio y no para una celda de producción.

Una secuencia de dimensionamiento para una articulación de cobot

Tres pasos, en este orden, y el orden importa más que el detalle de cualquiera de ellos, porque cada paso estrecha lo que tiene que considerar el siguiente.

Fijar primero el par continuo y el servicio

Establecer el par que sostiene la articulación en la postura en la que el brazo pasa la mayor parte del tiempo, sumar el par necesario para acelerar el eslabón y la carga útil durante un movimiento, y estimar qué fracción de un turno se pasa en cada una. El primer número dimensiona el caso térmico y por tanto el par nominal; el segundo dimensiona la declaración de pico; y la relación entre ambos decide cuánto de la reserva de pico se gasta en la gravedad y cuánto queda para el transitorio. Nada del modelo puede decidirse antes de esto, porque el mismo par de articulación puede cubrirse con un conjunto pequeño detrás de una etapa grande o con un conjunto grande detrás de una etapa pequeña, y las dos disposiciones se comportan de forma distinta cuando una persona empuja el brazo.

Fijar en segundo lugar la alimentación, el orificio y la envolvente de montaje

La tensión de bus sigue la arquitectura de potencia de la máquina y no el motor, así que conviene tratarla como una restricción fija: en este conjunto la alimentación va de 16 V en el conjunto más pequeño a 48 V en el más grande, y un conjunto especificado para 48 V no puede usarse en una plataforma de 16 V por bien que encaje el par. La envolvente sigue al eslabón —primero el diámetro exterior, después la longitud axial—, y donde el mazo tiene que cruzar la articulación, el orificio forma parte de la misma decisión. Una preselección que sobrevive a estos dos filtros suele ser lo bastante corta para compararla como es debido.

Pedir al fabricante las cifras que el registro omite

Los registros publicados de esta clase de conjunto son sólidos en par, velocidad, masa y envolvente, y más escasos en los números que deciden cómo se comporta una articulación y no cómo rinde un motor. El conjunto de preguntas que hay que llevar al fabricante es corto y concreto.

• La relación de reducción y el juego que la articulación llevará de verdad, y quién es dueño de esa especificación: es una decisión de integración y no una cifra del motor.
• La ventana de servicio asociada a la cifra de par de pico: cuánto tiempo, con qué frecuencia y con qué refrigeración.
• Si la corriente continua se cita para la disposición de montaje que usa la articulación, ya que la ruta térmica es la estructura.
• Para el RI80 V2.0 KV75, las condiciones de ensayo y la ventana de servicio detrás de la cifra de corriente de pico: el registro indica una corriente de pico de 27.6 A, unas 2.9 veces la corriente nominal de 9.4 A.
• Para el RI20 KV600, las condiciones de medición detrás de la entrada de Ke: el registro da una potencia nominal de 18 W, y el Ke, el KV y la tensión de alimentación aparecen todos en la tabla de especificaciones.
• Un método de accionamiento declarado y un diámetro de eje para las unidades cuyos registros no indican ninguno.

Cuando una cifra falta en el registro, corresponde al margen de diseño y no a una suposición, y la valoración debe quedar por escrito antes de pedir la articulación.

Preguntas frecuentes

Recursos oficiales

CubeMars publica documentación de producto de los conjuntos sin carcasa reunidos en la sección Recursos de la plataforma, y cada modelo tiene una página oficial con la especificación completa, la curva de rendimiento y el plano de montaje: la gama de productos del fabricante es el punto de entrada, y los siete conjuntos de esta guía están documentados individualmente, incluidos el RI80 V2.0 KV75 y el RO100 KV55 Standard. El fabricante sigue siendo la fuente de verdad para las curvas de par, los valores térmicos, la base del juego y la configuración del accionamiento; ToBMS mantiene la capa de descubrimiento con capacidad de búsqueda y comparación, y las cifras usadas en esta guía son los valores publicados que se guardan en los registros de producto de la plataforma.

A dónde ir después

El equivalente a nivel de categoría de esta guía es Motores de par sin carcasa: elección del kit de estátor y rótor, que lee las familias RI y RO como componentes y compara doce de ellos, y Cómo elegir un módulo de articulación: cinco actuadores CubeMars de 190 g a 1.4 kg, que toma la articulación ensamblada como unidad de diseño. Esta guía parte en cambio del volumen de trabajo compartido: llega a la misma clase de motor por la vía de la limitación de fuerza, el guiado manual y el servicio continuo, que es la ruta que hay que tomar cuando la pregunta es qué necesita un brazo de cobot y no qué conjunto es más grande. Estrechar la elección de motores BLDC para un brazo de robot colaborativo en un proyecto nuevo sigue el mismo orden.

Dos rutas adyacentes merece la pena seguir cuando cambia la arquitectura. Cuando la elección es entre un conjunto desnudo y un módulo sellado, Motores BLDC para exoesqueleto: motor de par sin carcasa frente a actuador integrado plantea esa comparación directamente frente a la gama de Actuadores robóticos. Cuando la articulación pertenece a una plataforma con patas o humanoide y no a un brazo, Motores BLDC para robot humanoide: cómo casar par, velocidad y tamaño recorre el mismo intercambio a lo largo de una cadena de articulaciones que además tiene que equilibrarse.

Para el contexto más amplio de cómo se relacionan las clases de motor, Motores BLDC: guía completa de tipos, especificaciones y selección sitúa el conjunto sin carcasa entre las demás categorías. Para preseleccionar en lugar de investigar, los candidatos pueden filtrarse por par, tensión, masa y envolvente en Selección y después confrontarse unos frente a otros en Comparar productos; las clases de articulación relacionadas se agrupan en las aplicaciones Módulo articular, Robot humanoide, Exoesqueleto, Robot cuadrúpedo y Robot de rehabilitación. La categoría Motores par sin carcasa contiene los siete conjuntos comparados aquí, y la página de CubeMars reúne el resto de la gama.