Attuatori robotici a 48 V: modelli, vantaggi e vincoli

Un bus a 48 V non rende più potente un attuatore robotico. Tra i moduli CubeMars presenti su questa piattaforma, ogni record che pubblica sia un valore nominale a 24 V sia uno a 48 V riporta la stessa coppia nominale e la stessa corrente nominale per entrambi, e si divide soltanto nella colonna della velocità, dove il valore a 48 V è circa il doppio di quello a 24 V. Questo singolo schema riorganizza l'intero argomento. Un bus a 48 V è una decisione elettrica a livello di macchina: ciò che offre è velocità e margine di corrente di bus, non coppia, e i vincoli che decidono se sia utilizzabile o meno stanno fuori dall'attuatore, nel driver, nel pacco batteria e nel fascio di cavi. Sedici dei ventuno attuatori integrati attualmente elencati nelle categorie Attuatori robotici e Attuatori QDD accettano un bus a 48 V, e i cinque record che non lo fanno sono limitati a 24 V. Questa guida illustra quali modelli sono compatibili, che cosa cambia il bus più alto in un giunto, dove finisce il vantaggio e come il sistema circostante debba essere progettato di conseguenza.

Risposta rapida

Sedici dei ventuno attuatori integrati attualmente elencati su questa piattaforma accettano un bus a 48 V, distribuiti su due categorie di prodotto. Nei record CubeMars, far funzionare un modulo a doppia tensione a 48 V porta il tetto di velocità a circa il doppio del valore a 24 V e lascia invariati coppia nominale, coppia di picco e corrente nominale, perché la coppia è determinata dalla corrente nell'avvolgimento e l'avvolgimento assorbe la stessa corrente per la stessa coppia in entrambi i casi. Ciò che un bus più alto offre in più è il margine in cima all'intervallo di velocità, dove altrimenti la forza controelettromotrice (back-EMF) limiterebbe quanta corrente il driver può erogare. Ciò che non offre è coppia continua, poiché quel valore è limitato dal percorso termico dell'avvolgimento e dal ciclo di lavoro. I vincoli sono a livello di sistema e non di modulo: la finestra di ingresso del driver stesso, il modo in cui l'energia restituita viene assorbita durante la decelerazione, le pratiche di isolamento e connettori, e la configurazione di pacco, caricabatterie e gestione della batteria che alimenta il bus. Le sezioni seguenti seguono quest'ordine: che cosa cambia dentro l'attuatore, quanto vale il cambiamento, quanto costa accoglierlo, quali modelli ne sono interessati e come abbinarne uno a un giunto.

Che cosa cambia davvero un 48 V dentro un attuatore robotico

Il bus non è una proprietà dell'attuatore. È una proprietà della macchina, e il modulo è uno dei suoi carichi. Leggere correttamente il record di un attuatore robotico a 48 V significa separare le due colonne che un produttore pubblica quando un modello supporta più di un bus, ed essere precisi su quali valori cambiano quando cambia il bus. Per un modulo integrato che riunisce motore, stadio di riduzione, driver e feedback, la separazione è più stretta di quanto sembri a prima vista.

Il bus si sceglie fuori dal modulo

Un attuatore robotico vede un bus DC e un'interfaccia di controllo. Nulla del rapporto di riduzione, della disposizione dei cuscinetti, dell'ingombro o dello schema di montaggio dipende dal fatto che quel bus sia a 48 V o a un livello inferiore. Ciò che il bus fissa è la tensione disponibile per il driver e, attraverso il driver, la velocità alla quale una data corrente può ancora essere spinta nell'avvolgimento. La scelta appartiene quindi all'architetto della macchina, insieme alla topologia del pacco, alla scelta del caricabatterie e al budget termico dell'involucro in cui il modulo andrà alloggiato. Una scheda tecnica che pubblica due valori di bus non offre due prodotti: riporta un solo prodotto in due punti di funzionamento.

Un solo bus, due valori pubblicati: che cosa significa un record 24/48 V

Cinque degli attuatori integrati attualmente elencati qui riportano una doppia tensione di bus anziché una sola: AK10-9 V2.0 KV60, AK60-6 V3.0 KV80, AK70-10 KV100, AK80-64 KV80 e AKA60-6 KV80. I loro record pubblicano due velocità nominali e due velocità a vuoto, separate da una barra, e in ogni caso la coppia è costituita dal valore a 24 V seguito da quello a 48 V. Gli stessi record pubblicano una sola coppia nominale, una sola corrente nominale e una sola coppia di picco. Quell'asimmetria racchiude l'intera vicenda in una riga di una tabella di specifiche: il lavoro elettrico che il modulo compie è funzione della corrente, e la corrente richiesta per una data coppia non cambia con il bus.

La doppia tensione non è semplicemente una questione di età o di versione. AK10-9 V3.0 KV60, la revisione più recente, pubblica un unico valore a 48 V, mentre la precedente AK10-9 V2.0 KV60 riporta entrambi. La revisione più recente pubblica anche una coppia di picco più alta, 53 Nm contro 48 Nm, su una massa leggermente inferiore. Il supporto del bus e la revisione meccanica vanno letti dal record, non dedotti dal numero di modello.

Coppia e corrente restano ferme mentre si divide la colonna della velocità

Le coppie pubblicate sono abbastanza coerenti da enunciare l'effetto come una regola anziché come un'impressione. AK10-9 V2.0 KV60 è nominale a 109 rpm a 24 V e 228 rpm a 48 V, con velocità a vuoto di 160 rpm e 320 rpm. AK70-10 KV100 passa da 148 rpm a 310 rpm nominali, e da 240 rpm a 480 rpm a vuoto. AK80-64 KV80, l'unità 64:1, passa da 23 rpm a 48 rpm nominali e da 37 rpm a 75 rpm a vuoto. AKA60-6 KV80 raddoppia da 200 rpm a 400 rpm nominali e da 320 rpm a 640 rpm a vuoto, e AK60-6 V3.0 KV80 da 233 rpm a 490 rpm e da 320 rpm a 640 rpm. Su tutti e cinque, il valore a 48 V si colloca tra circa due e circa due volte e un decimo il valore a 24 V sia al punto nominale sia a quello a vuoto.

Al contrario, nessuno dei cinque cambia la propria coppia nominale, la propria coppia di picco o la propria corrente nominale tra le due colonne. AK60-6 V3.0 KV80 è nominale a 3 Nm e 3.8 A su entrambi i bus e ha un picco di 9 Nm su entrambi; la coppia di correnti di picco è 10.3 A e 11.2 A, abbastanza vicine perché la piccola differenza sia più probabilmente una convenzione di misura o di arrotondamento che un diverso limite dell'avvolgimento. La conseguenza pratica è che l'avvolgimento dissipa lo stesso calore a una data coppia su entrambi i bus, la perdita nel rame per newton metro è invariata e il limite termico sulla coppia continua è quindi identico. Chi si aspetta che un bus a 48 V sblocchi più coppia continua dallo stesso modulo sta leggendo la colonna sbagliata.

Che cosa non cambia: il rapporto di riduzione e l'ingombro

Anche la tensione di bus lascia intatto il record meccanico. Un attuatore robotico a 48 V ha lo stesso rapporto di riduzione, la stessa classe di gioco, lo stesso diametro esterno, la stessa lunghezza del pacco e la stessa massa dello stesso modulo alimentato a un bus inferiore, perché nessuna di quelle grandezze è riferita all'elettrico. AK80-8 KV60 resta a 8:1 e 98 mm per 43.9 mm su entrambi i lati della decisione sul bus. AKH70-48 V1.0 KV41 resta a 48:1 dentro un corpo da 90 mm di diametro e 81.5 mm di lunghezza. Questo conta per la sequenza di progetto: ingombro e rapporto si possono fissare prima che la topologia del pacco sia definita, e un passaggio successivo da 24 V a 48 V non riapre il progetto meccanico.

Vantaggi prestazionali di un attuatore robotico su un bus a 48 V

Il vantaggio di un bus più alto viene spesso descritto come efficienza, e quell'inquadramento nasconde dove il guadagno si manifesta davvero. In un modulo integrato la corrente nell'avvolgimento è fissata dalla coppia che si chiede al giunto di produrre, e lo stadio di riduzione e il driver si trovano tra quell'avvolgimento e il bus. Ciò che il bus controlla è la velocità alla quale la corrente richiesta può ancora essere spinta, e quanta corrente deve percorrere il cablaggio della macchina stessa per erogare una data potenza meccanica.

Il tetto di velocità scala con il bus a parità di KV

La velocità al motore è fissata dalla costante di velocità dell'avvolgimento e dalla tensione disponibile per spingervi la corrente. Raddoppiare il bus mantenendo lo stesso avvolgimento alza il tetto a vuoto, e lo stadio di riduzione riduce quel tetto fino al giunto. Questo è visibile direttamente nelle coppie pubblicate, non attraverso un calcolo: AK10-9 V2.0 KV60 passa da 160 rpm a 320 rpm a vuoto, AK70-10 KV100 da 240 rpm a 480 rpm, AKA60-6 KV80 da 320 rpm a 640 rpm. Al giunto, un modulo con rapporto fisso vede quindi raddoppiare la propria velocità disponibile. Per un giunto il cui ciclo di lavoro è dominato dalla velocità di inseguimento più che dalla coppia di mantenimento, è la differenza tra un modulo che soddisfa i requisiti e uno che non li soddisfa. È anche il motivo per cui un modulo a doppia tensione può essere specificato per una piattaforma che si prevede passi da un pacco prototipo a bassa tensione a un pacco di produzione a 48 V senza cambiare l'azionamento.

La stessa corrente trasporta più potenza

La potenza meccanica è il prodotto di coppia e velocità. Se un modulo mantiene una data corrente, e quindi una data coppia, fino a una velocità superiore, la potenza meccanica disponibile da quella stessa corrente cresce in proporzione. Questa è la forma onesta dell'argomento sull'efficienza: non è che l'avvolgimento diventi più efficiente a 48 V, è che lo stesso budget termico, espresso come corrente nell'avvolgimento, viene convertito in più potenza in uscita perché il punto di funzionamento può essere spinto più avanti lungo l'asse della velocità prima che il driver esaurisca la tensione. Dove un giunto ha bisogno sia di coppia sia di velocità anziché dell'una o dell'altra, il bus più alto innalza il tetto sul prodotto delle due.

Dove compare il risparmio di corrente: il fascio di cavi e il pacco

Il risparmio è reale, ma compare a livello di macchina e non dentro il modulo. A parità di potenza meccanica, un bus a tensione doppia assorbe circa la metà della corrente, e la corrente di bus è ciò che dimensiona cavi, connettori e la protezione che li circonda. Su una macchina con più attuatori alimentati da un bus comune, quella riduzione si propaga attraverso il fascio di cavi condiviso, la scheda di distribuzione e il percorso di scarica del pacco stesso. Conta di più dove i collegamenti sono lunghi o dove molti giunti sono alimentati da un unico bus, e di meno in un allestimento da banco corto con un solo giunto. Cambia anche la forma del pacco: la stessa energia viene erogata con meno corrente per gruppo di celle, il che distribuisce il carico lungo una stringa in serie anziché concentrarlo.

Margine per la finestra di picco in cima all'intervallo di velocità

La coppia di picco è un valore di breve durata, e raggiungerla in velocità richiede che il driver vinca la forza controelettromotrice (back-EMF) generata dal motore in rotazione prima che qualsiasi corrente possa fluire. Un bus più alto lascia più tensione per questo, quindi la finestra di coppia di picco resta raggiungibile più in alto lungo l'intervallo di velocità. È un vantaggio distinto da quello del tetto di velocità a vuoto ed è spesso la ragione pratica per cui una macchina passa a un bus più alto: il giunto non deve girare più veloce a regime, ma deve erogare un breve impulso di coppia mentre è già in movimento rapido. Un modulo a doppia tensione riporta la stessa coppia di picco su entrambi i bus, e il bus più alto è ciò che rende quel valore raggiungibile all'estremo superiore dell'intervallo di velocità anziché solo vicino allo stallo.

Che cosa il bus più alto non offre

Un bus a 48 V non alza la coppia nominale, non cambia il rapporto di riduzione, non riduce il calore generato a una data coppia in uscita e non cambia la classe di gioco né il valore dei cuscinetti. Non cambia nemmeno l'intervallo di temperatura ambiente operativa pubblicato del modulo, che è la stessa dichiarazione per tutta la famiglia. Su un ciclo di lavoro dominato dalla coppia di mantenimento contro la gravità a bassa velocità, il modulo non trae alcun vantaggio dal bus più alto, e il lavoro aggiuntivo di regolazione di tensione, protezione e isolamento è un costo senza ritorno. La decisione sul bus va presa in base alla forma del ciclo coppia-velocità, non sul presupposto che più volt siano un miglioramento generale.

Vincoli di sistema che decidono se un 48 V è utilizzabile

Poiché il bus appartiene alla macchina, i vincoli sul suo utilizzo sono per lo più vincoli di macchina. Alcuni sono pubblicati sui record di prodotto e si possono leggere direttamente; altri dipendono dalla documentazione del driver stesso e dal progetto del pacco, e vanno confermati a livello di sistema. Quanto segue distingue i due casi.

La finestra di tensione in ingresso del driver

Il driver del modulo è il componente che vede il bus, quindi la finestra di ingresso ammissibile di quel driver è il primo filtro. I record di prodotto dichiarano che i moduli hanno protezioni integrate contro sovracorrente, sovratensione e sottotensione, e contro sovratemperatura, il che significa che il driver monitora il bus su cui si trova anziché accettare qualsiasi tensione entro un ampio intervallo. Il valore di tensione nominale nella specifica è un punto di funzionamento, non un massimo ammissibile. Dove l'intento di progetto è far funzionare un modulo al culmine di un ciclo di carica, o dove il pacco può essere caricato mentre la macchina è alimentata, la finestra di ingresso ammissibile e le soglie di protezione per quello specifico modulo e firmware vanno confermate con la documentazione aggiornata del produttore prima di specificare il pacco.

Rigenerazione, transitori di bus e dove va l'energia restituita

Qualsiasi giunto che decelera un carico retroaziona il proprio motore, e un motore retroazionato diventa un generatore che restituisce energia al bus anziché assorbirne. Su un bus alimentato solo da una batteria, quell'energia ha dove andare. Su un alimentatore da banco, o su un bus con una lunga tratta di cavo e capacità limitata, l'energia restituita può spingere il bus sopra il suo livello stazionario per la durata della decelerazione, e il transitorio diventa un problema di progetto del sistema anziché del modulo: dimensionamento della capacità, dispositivi di frenatura e risposta dell'alimentatore entrano tutti nel calcolo. Il valore pertinente non è la tensione di bus nominale, ma l'energia che un determinato profilo di decelerazione restituisce, che dipende dall'inerzia del carico, dalla velocità del giunto e dal ciclo di lavoro. Quel profilo va ricavato dalla macchina, non letto dal record dell'attuatore.

Isolamento, connettori e la soglia dei 60 V DC

I quadri di sicurezza elettrica considerano di norma un bus DC nominale a 48 V compreso nell'intervallo gestito come bassissima tensione di sicurezza (safety extra-low voltage), al di sotto della soglia di 60 V DC che compare in diverse norme nazionali e internazionali, il che è una delle ragioni per cui questa tensione è diffusa sulle macchine mobili. La norma applicabile e la sua attuazione locale restano i documenti di riferimento, e la soglia si applica alla tensione di bus massima effettiva e non al valore nominale. I valori termici e di corrente alle interfacce del modulo sono questioni separate, e la pratica di connettori e cablaggio specificata per una macchina dovrebbe seguire quanto il produttore del modulo pubblica per quell'interfaccia anziché un presupposto generale sulla classe di tensione.

Conseguenze su pacco, caricabatterie e BMS

Un bus nominale a 48 V è di norma costruito con una stringa in serie di celle agli ioni di litio, e la tensione di piena carica della stringa si colloca sopra il valore nominale, il che è una proprietà della chimica delle celle e non una specifica di un attuatore. Ne discendono due conseguenze. Primo, tutto ciò che sta a valle deve tollerare il culmine dell'intervallo di carica e non solo il livello nominale. Secondo, il sistema di gestione della batteria del pacco, il suo profilo di carica e la sua soglia di scarica definiscono ciò che l'attuatore vede effettivamente, comprese le brevi escursioni prodotte da un giunto in decelerazione. Dove la finestra ammissibile di un attuatore e l'intervallo operativo di un pacco sono pubblicati in documenti diversi, l'intersezione è la finestra di progetto, e vale la pena scrivere quell'intersezione anziché presumere che i valori nominali coincidano.

Comportamento termico e ciclo di lavoro

Il limite termico sulla coppia continua appartiene all'avvolgimento e al percorso che il calore compie per uscirne, e non cambia con il bus. Un giunto che era termicamente al limite con il bus inferiore resta termicamente al limite a 48 V, perché la corrente e quindi la perdita nel rame a una data coppia sono invariate. Ciò che il bus più alto cambia è la ripartizione tra perdita nel rame e potenza meccanica disponibile da essa. Su un ciclo di lavoro con lunghe fasi di mantenimento a bassa velocità, o con un'elevata proporzione di tempo vicino alla coppia nominale, il progetto termico è il vincolo determinante e la decisione sul bus è secondaria. Su un ciclo dominato da movimenti rapidi e poco caricati, è invece il tetto di velocità a essere determinante, e la decisione sul bus è primaria.

Le domande che la documentazione pubblicata lascia aperte

Non tutti i numeri necessari a chiudere un progetto di sistema compaiono su una pagina di prodotto. La finestra di ingresso ammissibile e le soglie di protezione del driver, il comportamento del modulo con un determinato profilo di decelerazione, la riduzione di coppia (derating) che si applica quando il modulo funziona al culmine del suo intervallo di velocità per un periodo prolungato, e la coppia continua specifica del ciclo di lavoro sono tutte questioni di sistema anziché valori pubblicati su una pagina di prodotto. Sono risolvibili, e la documentazione di controllo e l'assistenza applicativa del produttore sono la fonte giusta, ma vanno confermate prima di congelare pacco e fascio di cavi. Trattare il valore di tensione nominale come bus ammissibile e il valore di coppia di picco come coppia disponibile è il modo più comune in cui un progetto a 48 V viene dimensionato male.

Attuatori robotici a 48 V: matrice di confronto delle specifiche

La tabella seguente legge ogni attuatore robotico a 48 V attualmente elencato nella categoria Attuatori robotici come un unico insieme di specifiche, ordinato per coppia nominale pubblicata, così che il passaggio dai giunti leggeri a quelli portanti sia visibile nella colonna stessa. Ogni valore è quello che il produttore pubblica per quel modello e che questa piattaforma conserva nei propri record di prodotto. La tensione nominale è mostrata come pubblicata, quindi un record a doppia tensione compare con entrambi i livelli.

Tensione nominale, coppia nominale, coppia di picco, rapporto di riduzione, massa e ingombro come pubblicati dal produttore, per i modelli attualmente elencati nella categoria Attuatori robotici che accettano un bus a 48 V, ordinati per coppia nominale. La coppia nominale è il valore continuo entro i limiti termici dell'avvolgimento; la coppia di picco è un valore di breve durata. Un unico valore di tensione indica un modulo a bus singolo; una coppia di valori indica che il modulo è pubblicato a entrambi i livelli, con i corrispondenti valori di velocità e potenza anch'essi pubblicati separatamente per ciascuno. L'ingombro è indicato come diametro esterno per lunghezza del corpo ed esclude albero, cavo e sporgenza dei connettori.

Due cose risaltano quando la matrice si legge lungo la colonna della coppia anziché trasversalmente a quella della tensione. La prima è che i moduli che arrivano a 48 V non sono una famiglia di prodotto distinta: vanno da un'unità da 3 Nm in un corpo da 79 mm a un'unità da 74 Nm a 1396 g, e i due moduli 6:1 si collocano in fondo alla tabella mentre un salto di coppia di 24:1 appare tra il record da 24 Nm e quello da 48 Nm. La seconda è che il supporto del bus è quasi universale in questa categoria. Degli diciotto record attualmente elencati, quattordici accettano 48 V; i quattro che non lo fanno sono tutti all'estremità leggera della gamma, e ciascuno è pubblicato con un unico valore a 24 V. Una macchina costruita attorno ai 48 V ha quindi un'ampia scelta di dimensioni di giunto da un solo produttore anziché una rosa ristretta.

Leggere la tabella come una rosa di candidati mostra anche perché la sola tensione sia un filtro scadente. AK60-6 V3.0 KV80 e AKA60-6 KV80 pubblicano la stessa coppia nominale e di picco, lo stesso rapporto e lo stesso supporto del bus, e differiscono soprattutto nella configurazione: l'unità AKA è 80 g più pesante e 8.2 mm più lunga, in un diametro leggermente inferiore. Anche AK10-9 V3.0 KV60 e AKA10-9 KV60 pubblicano valori di coppia e rapporto identici, e differiscono di 120 g di massa. Quelle scelte riguardano la struttura e l'integrazione, non il bus, e vanno prese sul capitolato meccanico.

Leggere i sedici per ciclo di lavoro, non per tensione

Poiché il supporto del bus è quasi universale in tutta la categoria, il modo utile per restringere la rosa è il ciclo di lavoro adatto a ciascun modulo. I gruppi seguenti seguono la coppia e il rapporto pubblicati anziché la tensione, poiché sono quei due valori quelli su cui si scrive un requisito di giunto.

La coppia 6:1: AKA60-6 KV80 e AK60-6 V3.0 KV80

Entrambi i moduli pubblicano 3 Nm nominali e 9 Nm di picco con un rapporto 6:1, ed entrambi accettano 48 V. Il rapporto basso li rende i giunti più veloci del gruppo a 48 V in rapporto alla loro coppia in uscita: AK60-6 V3.0 KV80 pubblica 320 rpm a vuoto a 24 V e 640 rpm a 48 V, e AKA60-6 KV80 pubblica la stessa coppia di valori. Su un bus a 48 V ciascuna delle due unità raggiunge una velocità lato giunto che nessun modulo a rapporto più alto della tabella si avvicina a eguagliare. La differenza tra loro è nella configurazione e nella massa: AK60-6 V3.0 KV80 è il più leggero dei due con 380 g in un corpo da 79 mm per 43 mm, mentre AKA60-6 KV80 pesa 460 g in un corpo da 80 mm per 51.2 mm. Entrambi si adattano a un asse distale che deve muoversi rapidamente sotto carico leggero, e nessuno dei due si adatta a un asse che deve mantenere una grande coppia statica.

Il centro della gamma a 8:1, 9:1 e 10:1

Quattro moduli occupano questa fascia a 48 V, e la dispersione è più ampia di quanto suggeriscano i valori di rapporto. AK80-9 V3.0 KV100 pubblica 9 Nm nominali e 22 Nm di picco a 9:1 in un corpo da 490 g, 98 mm per 38.5 mm. AK80-8 KV60 pubblica 10 Nm e 25 Nm a 8:1 in 570 g in un corpo da 98 mm per 43.9 mm. AK70-10 KV100 pubblica 8.3 Nm e 24.8 Nm a 10:1 in un corpo da 621 g, 89 mm per 50.25 mm, e AK70-9 V3.0 KV60 pubblica 8.5 Nm e 29.2 Nm a 9:1 in 540 g. Rapporti così vicini costituiscono un intervallo di messa a punto più che un insieme di regimi di funzionamento distinti, e la scelta all'interno della fascia dipende di solito dall'ingombro, dalla massa e da quanta velocità il giunto necessita al culmine del suo intervallo. AK70-9 V3.0 KV60 è quello da tenere d'occhio dove la coppia di picco conta più della coppia continua, poiché il suo picco di 29.2 Nm è il più alto della fascia sulla massa più bassa dei quattro.

I giunti pesanti: AK60-39 V3.0 KV80, AK80-64 KV80, AKA10-9 KV60 e AK10-9 V3.0 KV60

Oltre i 18 Nm nominali la tabella si divide in due approcci. AK10-9 V3.0 KV60 e AKA10-9 KV60 seguono entrambi la via del rapporto alto a 9:1 e pubblicano 18 Nm nominali con un picco di 53 Nm, rispettivamente in 940 g e 1060 g; il bus più alto è ciò che rende utilizzabile il rapporto 9:1 a una velocità lato giunto, poiché il valore a vuoto di 320 rpm a 48 V è ciò che un modulo 9:1 può offrire. AK60-39 V3.0 KV80 e AK80-64 KV80 seguono l'altra via, barattando velocità per coppia attraverso lo stadio di riduzione: 39:1 dà 24 Nm nominali e 72 Nm di picco in 750 g, e 64:1 dà 48 Nm nominali e 120 Nm di picco in 850 g a una velocità a vuoto di 37 rpm a 24 V e 75 rpm a 48 V. Dove un giunto deve mantenere un carico contro la gravità per lunghi periodi, quella coppia per unità di corrente, comprata con il rapporto anziché con il bus, è il meccanismo in gioco.

Albero cavo: AKH70-16 V1.0 KV41 e AKH70-48 V1.0 KV41

I due moduli ad albero cavo si distinguono per i loro rapporti di riduzione anziché per il bus, e i numeri di modello invitano a una lettura errata che vale la pena chiarire. Il "48" in AKH70-48 V1.0 KV41 è un rapporto di riduzione 48:1, non un valore di 48 V; lo stesso modulo è pubblicato a 48 V, e così AKH70-16 V1.0 KV41 a 16:1. Entrambi funzionano sullo stesso avvolgimento a 41 KV. AKH70-16 V1.0 KV41 pubblica 26 Nm nominali e 78 Nm di picco in 879 g, e AKH70-48 V1.0 KV41 pubblica 74 Nm e 222 Nm in 1396 g con 81.5 mm di lunghezza del corpo. Ciò che rende distintiva la coppia è l'alesaggio: l'albero cavo porta i cavi attraverso il giunto, il che cambia l'architettura del fascio di cavi di un arto a più giunti anziché la coppia del giunto. L'unità 48:1 è il modulo a 48 V con la coppia più alta attualmente elencato qui, e l'unità 16:1 è il gradino intermedio per un giunto che ha bisogno dell'alesaggio senza la velocità di uscita molto bassa che accompagna un rapporto 48:1.

I due moduli quasi direct drive: AKE80-8 KV30 e AKE90-8 KV35

L'altra categoria che contribuisce moduli a 48 V a questo confronto è Attuatori QDD, e i suoi due membri a 48 V si comportano diversamente dalla serie AK in un modo che conta per il progetto del sistema. AKE80-8 KV30 pubblica 12 Nm nominali e 30 Nm di picco a 8:1 in 570 g in un corpo da 87 mm per 32 mm, e AKE90-8 KV35 pubblica 55 Nm nominali e 170 Nm di picco a 8:1 in 1400 g in un corpo da 107.5 mm per 43.5 mm. Entrambi sono costruiti attorno a un rapporto 8:1, che è la caratteristica distintiva della famiglia e la ragione per cui il gruppo è trattato separatamente: il rapporto basso mantiene il giunto reattivo e retroazionabile, e la coppia proviene dal motore anziché da uno stadio di riduzione profondo. Il terzo membro della famiglia, AKE60-8 KV80, è pubblicato solo a 24 V, ed è per questo che non compare nel confronto a 48 V pur trovandosi nella stessa categoria.

Il punto di progetto del sistema è che la tabella di confronto del produttore elenca i moduli AKE senza scheda driver, mentre i moduli AK e AKH sono elencati con una, e il kit di accessori per AKE80-8 KV30 contiene un magnete di rilevamento separato anziché l'elettronica di azionamento. È una differenza a livello di sistema e non una differenza di capacità: il modulo pubblica comunque un metodo di azionamento FOC e la stessa integrazione a bulloni, ma l'azionamento e la sua finestra di tensione stanno fuori dal modulo, nell'elettronica della macchina stessa, quindi finestra di ingresso, configurazione delle protezioni e fascio di cavi vanno tutti specificati dall'integratore. Dove la serie AK arriva con il proprio driver dentro l'ingombro, la serie AKE sposta quella decisione nella macchina. La configurazione per uno specifico modulo, compresa l'elettronica di feedback che si aspetta, va confermata con la documentazione aggiornata del produttore prima di congelare l'architettura elettrica.

Progettare un solo giunto per 24 V e 48 V

I cinque moduli a doppia tensione rendono disponibile un'opzione ingegneristica specifica, e vale la pena enunciarla con precisione. Una macchina può essere specificata attorno a un modulo il cui avvolgimento è pubblicato a entrambi i livelli, per poi funzionare al bus inferiore durante la prototipazione e al bus superiore in produzione, con lo stesso rapporto di riduzione, lo stesso ingombro, la stessa massa e la stessa coppia nominale per tutto il tempo. Cambiano solo il tetto di velocità e la potenza disponibile a una data corrente. La tabella seguente espone le coppie di velocità pubblicate per quei cinque, che è il cambiamento nella sua interezza.

Velocità nominale, velocità a vuoto e rapporto di riduzione come pubblicati dal produttore per i moduli a doppia tensione attualmente elencati nella categoria Attuatori robotici, con i valori a 24 V e 48 V mostrati in colonne separate. La velocità nominale è il valore lato uscita alla coppia nominale; la velocità a vuoto è il tetto lato uscita. In ogni record le due colonne condividono una sola coppia nominale, una sola coppia di picco e una sola corrente nominale, ed è ciò che rende la coppia utilizzabile come un'unica specifica meccanica con due punti di funzionamento elettrici.

Abbinare un attuatore robotico a 48 V al giunto

La sequenza che evita rilavorazioni è breve, e inizia prima che compaia qualsiasi numero di modello. Il bus è una delle ultime decisioni anziché la prima, perché cambia solo il punto di funzionamento elettrico di un modulo il cui ruolo meccanico è già fissato.

Fissare il ciclo di lavoro prima del bus

Il requisito di un giunto è una velocità e una coppia, ciascuna con una durata associata. La coppia continua contro la gravità, una breve finestra per una presa o un atterraggio, e la velocità di giunto che il profilo di moto richiede al culmine del suo intervallo sono tre numeri distinti, e un modulo si sceglie su tutti e tre. Solo dopo che sono stati scritti la decisione sul bus diventa risolvibile: se è il valore di coppia continua a guidare la scelta, sono il rapporto e il percorso termico a fare il lavoro e il bus è secondario; se è la velocità di punta dell'intervallo a essere il punto stretto del capitolato, il bus è la leva e un modulo a doppia tensione mantiene aperta l'opzione. Scrivere il valore di coppia di picco senza la sua durata è il modo più comune di sovradimensionare un giunto, perché la coppia di picco è un valore di breve durata e non una coppia disponibile.

Fissare poi l'alesaggio e l'ingombro di montaggio

Una volta fissato il ciclo di lavoro, è il capitolato meccanico a decidere tra candidati che pubblicano coppia simile. Due moduli con valori identici di coppia nominale e di picco possono differire di più di un centinaio di grammi e di diversi millimetri di lunghezza del corpo, e in un arto a più giunti quella differenza si paga di nuovo a ogni giunto più vicino alla base. Dove i cavi devono passare attraverso il giunto anziché attorno a esso, l'opzione ad albero cavo cambia l'architettura del fascio di cavi dell'intero arto, e l'alesaggio di 7 mm dei moduli AKH è la dimensione pertinente anziché la loro coppia. Massa, ingombro e alesaggio si decidono dal capitolato meccanico e non sono influenzati dal bus, ed è per questo che definirli per primi lascia libera la decisione sulla tensione.

Confermare i valori che la documentazione pubblicata non riporta

Resta un breve insieme di domande quando la rosa si riduce a uno o due candidati, e appartengono al produttore anziché a una tabella di specifiche. La finestra di tensione di ingresso ammissibile del driver e le sue soglie di protezione, la coppia che può essere mantenuta al culmine dell'intervallo di velocità per la durata effettivamente richiesta dal ciclo di lavoro, il comportamento del modulo con il profilo di decelerazione che la macchina produrrà, e la configurazione di feedback che un modulo privo di driver integrato si aspetta. I record su questa piattaforma riportano i valori pubblicati, e il produttore resta la fonte di verità per tutto ciò che va oltre.

Dove si impiegano gli attuatori robotici a 48 V

Un bus a 48 V tende a comparire ovunque la macchina sia alimentata a batteria e dove più di un giunto sia alimentato da una fonte comune. Vale la pena leggere lo schema come un'architettura elettrica anziché come una categoria di prodotto, perché lo stesso modulo compare in diversi tipi di macchina.

Piattaforme a zampe e su ruote alimentate a batteria

Le piattaforme a zampe e le basi mobili su ruote portano la propria energia e la distribuiscono a più giunti. Sia il risparmio di corrente lungo un fascio di cavi condiviso sia la velocità che il bus più alto rende disponibile al giunto valgono la pena, e una gamba in decelerazione restituisce energia allo stesso bus che alimenta le altre, ed è per questo che il pacco e la configurazione di protezione attorno a esso fanno parte del progetto anziché essere un ripensamento. I moduli a 48 V nelle fasce centrale e pesante della matrice sono quelli di norma preselezionati per gli assi di anca e ginocchio, con la coppia 6:1 che serve giunti più veloci e leggeri.

Bracci collaborativi e manipolatori

Un braccio collaborativo concentra diversi moduli in una catena cinematica corta, dove la massa all'estremità distale si paga di nuovo a ogni giunto a monte. Qui il risparmio di corrente conta meno del tetto di velocità, perché il ciclo di lavoro di un braccio è dominato dall'inseguimento e dal raggiungimento anziché da lunghe fasi di mantenimento ad alta coppia. I moduli ad albero cavo cambiano l'architettura del fascio di cavi di quella catena portando i cavi attraverso i giunti anziché attorno a essi. Il confronto pertinente per questa classe di macchine è Che cosa valutare in un motore BLDC per un braccio robotico collaborativo.

Esoscheletri e dispositivi riabilitativi

Il dispositivo indossabile aggiunge un requisito che non compare nel record dell'attuatore: il giunto deve comportarsi in modo accettabile quando è retroazionato da una persona anziché comandato. Questo rende centrale il rapporto e il comportamento di retroazionamento del modulo, ed è per questo che la famiglia quasi direct drive a 8:1 è preselezionata per questa classe accanto all'estremità a basso rapporto della gamma AK, e che la decisione sul bus segue il comportamento rivolto a chi lo indossa anziché precederlo. La scelta più ampia è esposta in Motori BLDC per esoscheletro: motore coppia frameless o attuatore integrato.

Manipolazione mobile e hardware sul campo

Dove una macchina combina una base mobile con un braccio, il bus deve servire giunti di dimensioni e cicli di lavoro molto diversi da un'unica fonte, e la corrente assorbita dal giunto più grande fissa il dimensionamento del percorso condiviso. È la situazione in cui il risparmio di corrente di un bus più alto vale di più, e in cui l'insieme di vincoli della sezione precedente, dalla finestra di ingresso del driver passando per il pacco e il caricabatterie fino alla configurazione delle protezioni, va risolto sull'intera macchina anziché all'interno di un singolo modulo.

Domande frequenti

Risorse ufficiali

CubeMars pubblica una pagina prodotto ufficiale per ogni attuatore con la specifica completa, il disegno e la documentazione di controllo, e quelle pagine restano la fonte di verità per ogni valore qui citato - per esempio la pagina prodotto AK70-10 KV100, la pagina prodotto AK80-64 KV80 e la pagina prodotto AKH70-48 V1.0 KV41. I dettagli che una pagina prodotto non riporta, compresa la finestra di ingresso ammissibile del driver, le sue soglie di protezione e la riduzione di coppia (derating) che si applica con un determinato ciclo di lavoro, vanno confermati con la documentazione aggiornata del produttore prima di specificare un pacco. Questa piattaforma conserva i valori pubblicati nei propri record di prodotto e li mantiene individuabili e confrontabili; il produttore resta la fonte di verità per il progetto.

Dove andare dopo

Per preselezionare anziché leggere, tre strumenti della piattaforma svolgono il lavoro in sequenza. Esplorare l'intera categoria Attuatori robotici per vedere ogni modello e la sua specifica affiancati, usare Selezione per filtrare per coppia, tensione e massa, quindi inserire i candidati in Confronto prodotti. Dove il giunto deve restare cedevole per progetto anziché rigido, la categoria Attuatori QDD è la tappa successiva naturale, e l'argomento sul rapporto alla base di quella famiglia è esposto in Attuatori QDD: cosa offre un rapporto 8:1.

Due altri articoli trattano le parti di questo argomento che una decisione sul bus non risolve. Attuatori robotici: scegliere l’attuatore integrato per giunti robotici esamina la struttura interna di un modulo integrato e gli assi di specifica che decidono una scelta. Come scegliere un modulo articolare: cinque attuatori CubeMars da 190 g a 1.4 kg segue gli stessi moduli per posizione del giunto, dal polso fino all'anca pesante, ed è il giusto complemento dove il capitolato meccanico è definito ma la dimensione del giunto non lo è.

In sintesi: fissare prima il ciclo di lavoro del giunto, poi l'alesaggio e l'ingombro, quindi decidere il bus in base al valore di cui il ciclo di lavoro è effettivamente carente. Il bus a 48 V compra velocità e margine di corrente e lascia la coppia dov'era, e tutto ciò che va oltre, dalla finestra del driver al pacco, è una decisione di sistema da mettere per iscritto prima di ordinare l'hardware.