Siłowniki robotyczne 48 V: modele, korzyści i ograniczenia systemu

Szyna 48 V nie czyni siłownika robotycznego mocniejszym. Wśród modułów CubeMars ujętych na tej platformie każdy rekord, który podaje zarówno wartość znamionową 24 V, jak i 48 V, wymienia ten sam moment znamionowy i ten sam prąd znamionowy dla obu, a różni się wyłącznie w kolumnie prędkości, gdzie wartość dla 48 V jest około dwukrotnością wartości dla 24 V. Ten jeden wzorzec porządkuje całe zagadnienie od nowa. Szyna 48 V to decyzja elektryczna na poziomie maszyny: kupuje ona prędkość i zapas prądu szyny, a nie moment obrotowy, natomiast ograniczenia, które rozstrzygają, czy w ogóle można jej użyć, leżą poza siłownikiem — w sterowniku, pakiecie akumulatorów i wiązce przewodów. Szesnaście z dwudziestu jeden zintegrowanych siłowników aktualnie wymienionych w kategoriach Siłowniki robotyczne i Siłowniki QDD przyjmuje szynę 48 V, a pięć rekordów, które tego nie robi, ogranicza się do 24 V. Ten przewodnik omawia, które modele są zgodne, co wyższa szyna zmienia w przegubie, gdzie korzyść się kończy oraz jak trzeba zaprojektować otaczający układ wokół niej.

Szybka odpowiedź

Szesnaście z dwudziestu jeden zintegrowanych siłowników aktualnie wymienionych na tej platformie przyjmuje szynę 48 V, rozłożonych na dwie kategorie produktów. W rekordach CubeMars praca modułu o podwójnej wartości znamionowej przy 48 V podnosi pułap prędkości do około dwukrotności wartości dla 24 V i pozostawia moment znamionowy, moment szczytowy oraz prąd znamionowy bez zmian, ponieważ moment obrotowy ustala prąd uzwojenia, a uzwojenie przenosi ten sam prąd dla tego samego momentu w obu przypadkach. Wyższa szyna daje też zapas na górnym końcu zakresu prędkości, gdzie w przeciwnym razie siła przeciwelektromotoryczna (back-EMF) ograniczałaby, ile prądu sterownik może dostarczyć. Nie daje natomiast momentu ciągłego, bo tę wartość wyznacza ścieżka termiczna uzwojenia i cykl pracy. Ograniczenia są na poziomie systemu, a nie modułu: okno wejściowe samego sterownika, sposób odbioru zwróconej energii podczas hamowania, praktyka w zakresie izolacji i złączy oraz rozwiązanie pakietu, ładowarki i zarządzania akumulatorem zasilających szynę. Kolejne sekcje idą w tej kolejności: co zmienia się wewnątrz siłownika, ile ta zmiana jest warta, ile kosztuje jej uwzględnienie, które modele są objęte oraz jak dopasować jeden z nich do przegubu.

Co szyna 48 V faktycznie zmienia wewnątrz siłownika robotycznego

Szyna nie jest właściwością siłownika. Jest właściwością maszyny, a moduł to jedno z jej obciążeń. Właściwy odczyt rekordu siłownika robotycznego 48 V polega na rozdzieleniu dwóch kolumn, które producent podaje, gdy model obsługuje więcej niż jedną szynę, oraz na precyzyjnym ustaleniu, które wartości zmieniają się wraz ze zmianą szyny. W zintegrowanym module łączącym silnik, stopień przekładni, sterownik i sprzężenie zwrotne podział ten jest węższy, niż się z początku wydaje.

Szynę wybiera się poza modułem

Siłownik robotyczny widzi szynę prądu stałego i interfejs sterowania. Nic w przełożeniu, układzie łożyskowania, gabarycie czy schemacie mocowania nie zależy od tego, czy ta szyna ma 48 V, czy niższy poziom. Szyna ustala napięcie dostępne dla sterownika, a za jego pośrednictwem prędkość, przy której dany prąd może jeszcze być wtłaczany do uzwojenia. Wybór należy więc do architekta maszyny, obok topologii pakietu, doboru ładowarki i budżetu termicznego obudowy, w której moduł będzie pracował. Karta danych siłownika podająca dwie wartości znamionowe szyny nie oferuje dwóch produktów; podaje jeden produkt w dwóch punktach pracy.

Jedna szyna, dwie opublikowane wartości znamionowe: co oznacza rekord 24/48 V

Pięć z zintegrowanych siłowników aktualnie tu wymienionych ma podwójną, a nie pojedynczą wartość znamionową szyny: AK10-9 V2.0 KV60, AK60-6 V3.0 KV80, AK70-10 KV100, AK80-64 KV80 oraz AKA60-6 KV80. Ich rekordy podają dwie prędkości znamionowe i dwie prędkości bez obciążenia, rozdzielone ukośnikiem, a w każdym przypadku para to wartość dla 24 V, po której następuje wartość dla 48 V. Te same rekordy podają pojedynczy moment znamionowy, pojedynczy prąd znamionowy i pojedynczy moment szczytowy. Ta asymetria to cała historia w jednym wierszu tabeli specyfikacji: praca elektryczna, którą wykonuje moduł, jest funkcją prądu, a prąd potrzebny do uzyskania danego momentu nie zmienia się wraz z szyną.

Podwójna wartość znamionowa nie jest po prostu kwestią wieku ani wersji. AK10-9 V3.0 KV60, późniejsza wersja, podaje jedną wartość znamionową 48 V, natomiast wcześniejszy AK10-9 V2.0 KV60 ma obie. Późniejsza wersja podaje także wyższy moment szczytowy, 53 Nm wobec 48 Nm, przy nieco niższej masie. Obsługę szyny i wersję mechaniczną trzeba odczytać z rekordu, a nie wywnioskować z numeru modelu.

Moment i prąd pozostają bez zmian, a dzieli się kolumna prędkości

Opublikowane pary są na tyle spójne, że pozwalają ująć ten efekt jako regułę, a nie wrażenie. AK10-9 V2.0 KV60 ma wartość znamionową 109 rpm przy 24 V i 228 rpm przy 48 V, przy prędkościach bez obciążenia 160 rpm i 320 rpm. AK70-10 KV100 przechodzi z 148 rpm na 310 rpm znamionowo oraz z 240 rpm na 480 rpm bez obciążenia. AK80-64 KV80, jednostka 64:1, przechodzi z 23 rpm na 48 rpm znamionowo oraz z 37 rpm na 75 rpm bez obciążenia. AKA60-6 KV80 podwaja się z 200 rpm na 400 rpm znamionowo i z 320 rpm na 640 rpm bez obciążenia, a AK60-6 V3.0 KV80 z 233 rpm na 490 rpm oraz z 320 rpm na 640 rpm. We wszystkich pięciu wartość dla 48 V mieści się między około dwukrotnością a około 2.1-krotnością wartości dla 24 V, zarówno w punkcie znamionowym, jak i bez obciążenia.

Na tym tle żaden z pięciu nie zmienia swojego momentu znamionowego, momentu szczytowego ani prądu znamionowego między tymi dwiema kolumnami. AK60-6 V3.0 KV80 ma wartość znamionową 3 Nm i 3.8 A na obu szynach i szczyt 9 Nm na obu; para prądów szczytowych to 10.3 A i 11.2 A — wystarczająco blisko, by niewielka różnica była raczej wynikiem konwencji pomiaru lub zaokrąglania niż odmiennego limitu uzwojenia. Praktyczna konsekwencja jest taka, że uzwojenie traci tyle samo ciepła przy danym momencie na obu szynach, strata w miedzi na niutonometr pozostaje bez zmian, a więc termiczny limit momentu ciągłego jest identyczny. Kto oczekuje, że szyna 48 V odblokuje więcej momentu ciągłego z tego samego modułu, czyta niewłaściwą kolumnę.

Co się nie zmienia: przełożenie i gabaryty

Napięcie szyny pozostawia też nietknięty zapis mechaniczny. Siłownik robotyczny 48 V ma to samo przełożenie, tę samą klasę luzu, tę samą średnicę zewnętrzną, tę samą długość pakietu i tę samą masę co ten sam moduł pracujący przy niższej szynie, ponieważ żadna z tych wielkości nie jest odniesiona elektrycznie. AK80-8 KV60 pozostaje przy 8:1 i 98 mm na 43.9 mm po obu stronach decyzji o szynie. AKH70-48 V1.0 KV41 pozostaje przy 48:1 w obudowie o średnicy 90 mm i długości 81.5 mm. Ma to znaczenie dla kolejności projektowania: gabaryt i przełożenie można ustalić, zanim rozstrzygnie się topologię pakietu, a późniejsze przejście z 24 V na 48 V nie otwiera ponownie projektu mechanicznego.

Korzyści z pracy siłowników robotycznych na szynie 48 V

Korzyść z wyższej szyny bywa opisywana jako sprawność, a takie ujęcie zaciemnia to, gdzie zysk faktycznie się pojawia. W zintegrowanym module prąd uzwojenia ustala moment obrotowy, którego wymaga się od przegubu, a stopień przekładni i sterownik znajdują się między tym uzwojeniem a szyną. Szyna steruje prędkością, przy której wymagany prąd może być jeszcze wtłaczany, oraz tym, ile prądu musi przejść przez własne okablowanie maszyny, aby dostarczyć daną moc mechaniczną.

Pułap prędkości skaluje się z szyną przy tym samym KV

Prędkość silnika ustala stała prędkości uzwojenia oraz napięcie dostępne do wtłaczania weń prądu. Podwojenie szyny przy zachowaniu tego samego uzwojenia podnosi pułap bez obciążenia, a stopień przekładni dzieli ten pułap w dół, do przegubu. Widać to bezpośrednio w opublikowanych parach, a nie w jakimkolwiek obliczeniu: AK10-9 V2.0 KV60 przechodzi z 160 rpm na 320 rpm bez obciążenia, AK70-10 KV100 z 240 rpm na 480 rpm, a AKA60-6 KV80 z 320 rpm na 640 rpm. Na przegubie moduł o ustalonym przełożeniu widzi więc podwojenie dostępnej prędkości. Dla przegubu, którego cykl pracy zdominowany jest przez prędkość śledzenia, a nie przez moment podtrzymania, to różnica między modułem pasującym do założeń a takim, który nie pasuje. Jest to także powód, dla którego moduł o podwójnej wartości znamionowej można przewidzieć dla platformy, która ma przejść z prototypowego pakietu o niższym napięciu na produkcyjny pakiet 48 V bez zmiany napędu.

Ten sam prąd przenosi większą moc

Moc mechaniczna to iloczyn momentu obrotowego i prędkości. Jeśli moduł utrzymuje dany prąd, a więc dany moment, do wyższej prędkości, moc mechaniczna dostępna z tego samego prądu rośnie proporcjonalnie. To uczciwa postać argumentu o sprawności: nie chodzi o to, że uzwojenie staje się sprawniejsze przy 48 V, lecz o to, że ten sam budżet termiczny, wyrażony jako prąd w uzwojeniu, zamienia się na większą moc wyjściową, ponieważ punkt pracy można przesunąć dalej wzdłuż osi prędkości, zanim sterownikowi skończy się napięcie. Tam, gdzie przegub potrzebuje jednocześnie momentu i prędkości, a nie jednego z nich, wyższa szyna podnosi pułap iloczynu obu.

Gdzie pojawia się oszczędność prądu: wiązka przewodów i pakiet

Oszczędność jest realna, ale pojawia się na poziomie maszyny, a nie wewnątrz modułu. Przy danej mocy mechanicznej szyna o dwukrotnie wyższym napięciu pobiera około połowy prądu, a to prąd szyny decyduje o doborze przewodów, złączy i ich zabezpieczeń. W maszynie z kilkoma siłownikami zasilanymi ze wspólnej szyny ta redukcja rozchodzi się przez wspólną wiązkę przewodów, płytkę rozdziału zasilania i własną ścieżkę rozładowania pakietu. Ma największe znaczenie tam, gdzie połączenia są długie albo gdzie wiele przegubów zasilanych jest z jednej szyny, a najmniejsze w krótkim stanowisku z jednym przegubem. Zmienia też kształt pakietu: ta sama energia jest dostarczana przy mniejszym prądzie na grupę ogniw, co rozprasza obciążenie wzdłuż łańcucha szeregowego, zamiast je koncentrować.

Zapas dla okna szczytowego na górnym końcu zakresu prędkości

Moment szczytowy to wartość okna krótkotrwałego, a osiągnięcie go przy dużej prędkości wymaga, by sterownik pokonał siłę przeciwelektromotoryczną generowaną przez wirujący silnik, zanim zacznie płynąć jakikolwiek prąd. Wyższa szyna zostawia na to więcej napięcia, dzięki czemu okno momentu szczytowego pozostaje osiągalne dalej w zakresie prędkości. To odrębna korzyść względem pułapu prędkości bez obciążenia i często jest praktycznym powodem, dla którego maszyna przechodzi na wyższą szynę: przegub nie musi kręcić się szybciej w stanie ustalonym, ale musi dostarczyć krótki impuls momentu, będąc już w szybkim ruchu. Moduł o podwójnej wartości znamionowej podaje ten sam moment szczytowy na obu szynach, a to wyższa szyna czyni tę wartość osiągalną na górnym końcu zakresu prędkości, a nie tylko w pobliżu zatrzymania.

Czego wyższa szyna nie daje

Szyna 48 V nie podnosi momentu znamionowego, nie zmienia przełożenia, nie zmniejsza ciepła wytwarzanego przy danym momencie wyjściowym ani nie zmienia klasy luzu czy wartości znamionowej łożyska. Nie zmienia też opublikowanego zakresu temperatury otoczenia pracy modułu, który jest taki sam w całej rodzinie. W cyklu pracy zdominowanym przez moment podtrzymania wbrew grawitacji przy niskiej prędkości moduł nie czerpie z wyższej szyny żadnej korzyści, a dodatkowa regulacja napięcia, zabezpieczenia i prace izolacyjne to koszt bez zwrotu. Decyzję o szynie należy podejmować na podstawie kształtu cyklu pracy w płaszczyźnie moment–prędkość, a nie założenia, że więcej woltów to ogólna poprawa.

Ograniczenia systemowe, które rozstrzygają o użyteczności 48 V

Ponieważ szyna należy do maszyny, ograniczenia jej użycia są w większości ograniczeniami maszyny. Część z nich jest opublikowana w rekordach produktów i można je odczytać bezpośrednio; inne zależą od dokumentacji samego sterownika oraz od konstrukcji pakietu i trzeba je potwierdzić na poziomie systemu. Poniższa lista rozdziela jedne od drugich.

Okno napięcia wejściowego sterownika

Sterownik modułu to element, który widzi szynę, więc dopuszczalne okno wejściowe tego sterownika jest pierwszą bramą. Rekordy produktów podają, że moduły mają wbudowane zabezpieczenia przed nadprądem, przepięciem i podnapięciem oraz przed nadmierną temperaturą, co oznacza, że sterownik monitoruje szynę, na której pracuje, a nie przyjmuje dowolnego napięcia z szerokiego zakresu. Wartość napięcia znamionowego w specyfikacji to punkt pracy, a nie dopuszczalne maksimum. Tam, gdzie zamiarem projektowym jest praca modułu na szczycie cyklu ładowania albo gdzie pakiet można ładować przy włączonej maszynie, dopuszczalne okno wejściowe i progi zabezpieczeń dla tego konkretnego modułu i oprogramowania układowego należy potwierdzić w aktualnej dokumentacji producenta, zanim określi się pakiet.

Rekuperacja, stany przejściowe szyny i miejsce, do którego trafia zwrócona energia

Każdy przegub, który wyhamowuje obciążenie, napędza swój silnik od strony wyjścia, a silnik napędzany w ten sposób staje się prądnicą zwracającą energię do szyny, zamiast pobierać z niej energię. Na szynie zasilanej wyłącznie z akumulatora ta energia ma dokąd trafić. Na zasilaczu laboratoryjnym albo na szynie z długim odcinkiem przewodu i ograniczoną pojemnością zwrócona energia może podnieść szynę powyżej jej poziomu ustalonego na czas hamowania, a stan przejściowy staje się problemem projektu systemu, a nie modułu: dobór pojemności, rozwiązania hamowania i odpowiedź zasilacza wchodzą do obliczeń. Istotną wielkością nie jest znamionowe napięcie szyny, lecz energia, którą zwraca konkretny profil hamowania, zależna od bezwładności obciążenia, prędkości przegubu i cyklu pracy. Ten profil trzeba wyprowadzić z maszyny, a nie odczytać z rekordu siłownika.

Izolacja, złącza i granica 60 V DC

Ramy bezpieczeństwa elektrycznego zwykle traktują nominalną szynę 48 V DC jako mieszczącą się w zakresie obsługiwanym jako bezpieczne bardzo niskie napięcie, poniżej progu 60 V DC, który pojawia się w wielu normach krajowych i międzynarodowych — to jeden z powodów popularności tego napięcia w maszynach mobilnych. Obowiązująca norma i jej lokalne wdrożenie pozostają dokumentami rozstrzygającymi, a próg dotyczy rzeczywistego maksymalnego napięcia szyny, a nie wartości nominalnej. Wartości termiczne i prądowe na samych interfejsach modułu to odrębne kwestie, a praktyka w zakresie złączy i okablowania przewidziana dla maszyny powinna podążać za tym, co producent modułu publikuje dla danego interfejsu, a nie za ogólnym założeniem o klasie napięcia.

Konsekwencje dla pakietu, ładowarki i BMS

Nominalna szyna 48 V jest zwykle budowana z szeregowego łańcucha ogniw litowo-jonowych, a napięcie pełnego naładowania łańcucha leży powyżej wartości nominalnej, co jest właściwością chemii ogniw, a nie specyfikacją jakiegokolwiek siłownika. Wynikają z tego dwie konsekwencje. Po pierwsze, wszystko w dół od szyny musi tolerować górny koniec zakresu ładowania, a nie tylko poziom nominalny. Po drugie, system zarządzania akumulatorem w pakiecie, jego profil ładowania i odcięcie rozładowania określają to, co siłownik faktycznie widzi, również podczas krótkich wychyleń wywołanych przez hamujący przegub. Tam, gdzie dopuszczalne okno siłownika i zakres pracy pakietu są podane w różnych dokumentach, częścią wspólną jest okno projektowe i warto tę część wspólną zapisać, zamiast zakładać, że wartości nominalne są zgodne.

Zachowanie termiczne i cykl pracy

Termiczny limit momentu ciągłego należy do uzwojenia i do drogi, którą ciepło z niego uchodzi, i nie zmienia się wraz z szyną. Przegub, który był termicznie na granicy przy niższej szynie, pozostaje na granicy termicznej przy 48 V, ponieważ prąd, a więc i strata w miedzi przy danym momencie, nie zmieniają się. To, co zmienia wyższa szyna, to podział między stratą w miedzi a dostępną z niej mocą mechaniczną. W cyklu pracy z długimi fazami podtrzymania przy niskiej prędkości albo z dużym udziałem czasu blisko momentu znamionowego wiążącym ograniczeniem jest projekt termiczny, a decyzja o szynie ma znaczenie drugorzędne. W cyklu pracy zdominowanym przez szybki, słabo obciążony ruch wiążącym ograniczeniem jest natomiast pułap prędkości, a decyzja o szynie ma znaczenie pierwszorzędne.

Pytania, które opublikowana dokumentacja pozostawia otwarte

Nie każda liczba potrzebna do domknięcia projektu systemu pojawia się na stronie produktu. Dopuszczalne okno wejściowe i progi zabezpieczeń sterownika, zachowanie modułu przy konkretnym profilu hamowania, obniżenie momentu obowiązujące, gdy moduł pracuje na górze swojego zakresu prędkości przez dłuższy czas, oraz moment ciągły właściwy dla danego cyklu pracy to wszystko kwestie systemowe, a nie wartości opublikowane na stronie produktu. Są one rozstrzygalne, a właściwym źródłem jest dokumentacja sterowania i wsparcie aplikacyjne producenta, ale należy je potwierdzić, zanim pakiet i wiązka przewodów zostaną zamrożone. Traktowanie wartości napięcia znamionowego jako dopuszczalnej szyny, a wartości momentu szczytowego jako dostępnego momentu, to najczęstszy sposób błędnego zwymiarowania projektu 48 V.

Siłowniki robotyczne 48 V: macierz porównania specyfikacji

Poniższa tabela odczytuje każdy siłownik robotyczny 48 V aktualnie wymieniony w kategorii Siłowniki robotyczne jako jeden zestaw specyfikacji, uszeregowany według opublikowanego momentu znamionowego, tak aby przejście od lekkich przegubów do przenoszących obciążenie było widoczne w samej kolumnie. Każda wartość jest tą, którą producent publikuje dla danego modelu i którą ta platforma przechowuje w swoich rekordach produktów. Napięcie znamionowe pokazano tak, jak zostało opublikowane, więc rekord o podwójnej wartości znamionowej występuje z oboma poziomami.

Napięcie znamionowe, moment znamionowy, moment szczytowy, przełożenie, masa i gabaryty zgodnie z publikacją producenta, dla modeli aktualnie wymienionych w kategorii Siłowniki robotyczne, które przyjmują szynę 48 V, uszeregowane według momentu znamionowego. Moment znamionowy to wartość ciągła w granicach termicznych uzwojenia; moment szczytowy to wartość okna krótkotrwałego. Pojedyncza wartość napięcia oznacza moduł o jednej szynie; podwójna oznacza, że moduł jest publikowany na obu poziomach, a odpowiadające im wartości prędkości i mocy są również podane osobno dla każdego z nich. Gabaryty podano jako średnicę zewnętrzną na długość korpusu i nie obejmują one wystających wału, przewodu i złącza.

Dwie rzeczy rzucają się w oczy, gdy macierz czyta się wzdłuż kolumny momentu, a nie w poprzek kolumny napięcia. Pierwsza to fakt, że moduły osiągające 48 V nie są odrębną rodziną produktów: rozciągają się od jednostki 3 Nm w korpusie 79 mm do jednostki 74 Nm przy masie 1396 g, a dwa moduły 6:1 leżą na dole tabeli, podczas gdy między rekordem 24 Nm a rekordem 48 Nm pojawia się skok momentu 24:1. Druga to fakt, że obsługa szyny jest w tej kategorii niemal powszechna. Z osiemnastu aktualnie wymienionych rekordów czternaście przyjmuje 48 V; cztery, które tego nie robią, znajdują się na lekkim końcu zakresu i każdy jest publikowany z jedną wartością znamionową 24 V. Maszyna zbudowana wokół 48 V ma więc szeroki wybór rozmiarów przegubów od jednego producenta, a nie wąską listę.

Odczytanie tabeli jako listy kandydatów pokazuje też, dlaczego samo napięcie jest słabym filtrem. AK60-6 V3.0 KV80 i AKA60-6 KV80 podają ten sam moment znamionowy i szczytowy, to samo przełożenie i tę samą obsługę szyny, a różnią się głównie obudową: jednostka AKA jest o 80 g cięższa i o 8.2 mm dłuższa, przy nieco mniejszej średnicy. AK10-9 V3.0 KV60 i AKA10-9 KV60 również podają identyczne wartości momentu i przełożenia, a różnią się o 120 g masy. Te wybory dotyczą konstrukcji i integracji, a nie szyny, i należy ich dokonywać na podstawie założeń mechanicznych.

Odczyt szesnastu według cyklu pracy, a nie napięcia

Ponieważ obsługa szyny jest w tej kategorii niemal powszechna, użytecznym sposobem zawężenia listy jest cykl pracy, do którego pasuje dany moduł. Poniższe grupy kierują się opublikowanym momentem i przełożeniem, a nie napięciem, ponieważ to według tych dwóch wartości zapisuje się wymaganie dla przegubu.

Para 6:1: AKA60-6 KV80 i AK60-6 V3.0 KV80

Oba moduły podają 3 Nm znamionowo i 9 Nm szczytowo przy przełożeniu 6:1, a oba przyjmują 48 V. Niskie przełożenie czyni je najszybszymi przegubami w grupie 48 V w stosunku do ich momentu wyjściowego: AK60-6 V3.0 KV80 podaje 320 rpm bez obciążenia przy 24 V i 640 rpm przy 48 V, a AKA60-6 KV80 podaje tę samą parę. Na szynie 48 V każda z tych jednostek osiąga na przegubie prędkość, do której nie zbliża się żaden moduł o wyższym przełożeniu z tabeli. Różnica między nimi to obudowa i masa: AK60-6 V3.0 KV80 jest lżejszy z dwóch, 380 g w korpusie 79 mm na 43 mm, natomiast AKA60-6 KV80 to 460 g w korpusie 80 mm na 51.2 mm. Oba pasują do osi dystalnej, która musi poruszać się szybko pod lekkim obciążeniem, a żaden nie pasuje do osi, która musi utrzymywać duży moment statyczny.

Środek zakresu przy 8:1, 9:1 i 10:1

Cztery moduły zajmują to pasmo przy 48 V, a rozrzut jest szerszy, niż sugerują liczby przełożeń. AK80-9 V3.0 KV100 podaje 9 Nm znamionowo i 22 Nm szczytowo przy 9:1 w korpusie 490 g, 98 mm na 38.5 mm. AK80-8 KV60 podaje 10 Nm i 25 Nm przy 8:1 w 570 g w korpusie 98 mm na 43.9 mm. AK70-10 KV100 podaje 8.3 Nm i 24.8 Nm przy 10:1 w korpusie 621 g, 89 mm na 50.25 mm, a AK70-9 V3.0 KV60 podaje 8.5 Nm i 29.2 Nm przy 9:1 w 540 g. Tak zbliżone przełożenia to zakres dostrajania, a nie zestaw odrębnych reżimów pracy, a wybór w tym paśmie zwykle zależy od gabarytu, masy oraz od tego, ile prędkości przegub potrzebuje na górze swojego zakresu. AK70-9 V3.0 KV60 jest tym, na który warto zwrócić uwagę, gdy moment szczytowy liczy się bardziej niż moment ciągły, ponieważ jego szczyt 29.2 Nm jest najwyższy w tym paśmie przy najniższej masie z czterech.

Ciężkie przeguby: AK60-39 V3.0 KV80, AK80-64 KV80, AKA10-9 KV60 i AK10-9 V3.0 KV60

Powyżej 18 Nm znamionowo tabela rozdziela się na dwa podejścia. AK10-9 V3.0 KV60 i AKA10-9 KV60 obierają drogę wysokiego przełożenia przy 9:1 i podają 18 Nm znamionowo ze szczytem 53 Nm, przy masie odpowiednio 940 g i 1060 g; to wyższa szyna czyni przełożenie 9:1 użytecznym przy danej prędkości na przegubie, ponieważ wartość 320 rpm bez obciążenia przy 48 V jest tym, co moduł 9:1 może zaoferować. AK60-39 V3.0 KV80 i AK80-64 KV80 obierają drugą drogę, wymieniając prędkość na moment przez stopień przekładni: 39:1 daje 24 Nm znamionowo i 72 Nm szczytowo w 750 g, a 64:1 daje 48 Nm znamionowo i 120 Nm szczytowo w 850 g przy prędkości bez obciążenia 37 rpm na 24 V i 75 rpm na 48 V. Tam, gdzie przegub musi utrzymywać obciążenie wbrew grawitacji przez długie okresy, mechanizmem działającym jest ten moment na jednostkę prądu, kupiony przełożeniem, a nie szyną.

Wał drążony: AKH70-16 V1.0 KV41 i AKH70-48 V1.0 KV41

Dwa moduły z wałem drążonym rozróżnia przełożenie, a nie szyna, a ich numery modeli zachęcają do błędnego odczytu, który warto wyjaśnić. Liczba „48” w oznaczeniu AKH70-48 V1.0 KV41 to przełożenie 48:1, a nie wartość znamionowa 48 V; ten sam moduł jest publikowany przy 48 V, podobnie jak AKH70-16 V1.0 KV41 przy 16:1. Oba pracują na tym samym uzwojeniu 41 KV. AKH70-16 V1.0 KV41 podaje 26 Nm znamionowo i 78 Nm szczytowo przy masie 879 g, a AKH70-48 V1.0 KV41 podaje 74 Nm i 222 Nm przy masie 1396 g i długości korpusu 81.5 mm. Tym, co wyróżnia tę parę, jest otwór: wał drążony prowadzi kable przez przegub, co zmienia architekturę wiązki przewodów w kończynie o wielu przegubach, a nie moment obrotowy przegubu. Jednostka 48:1 to aktualnie wymieniony tu moduł 48 V o najwyższym momencie, a jednostka 16:1 to krok pośredni dla przegubu, który potrzebuje otworu, ale bez bardzo niskiej prędkości wyjściowej, jaka wiąże się z przełożeniem 48:1.

Dwa moduły quasi direct drive: AKE80-8 KV30 i AKE90-8 KV35

Druga kategoria, która wnosi do tego porównania moduły 48 V, to Siłowniki QDD, a jej dwa elementy 48 V zachowują się inaczej niż seria AK w sposób istotny dla projektu systemu. AKE80-8 KV30 podaje 12 Nm znamionowo i 30 Nm szczytowo przy 8:1 w 570 g w korpusie 87 mm na 32 mm, a AKE90-8 KV35 podaje 55 Nm znamionowo i 170 Nm szczytowo przy 8:1 w 1400 g w korpusie 107.5 mm na 43.5 mm. Oba są zbudowane wokół przełożenia 8:1, które jest cechą definiującą tę rodzinę i powodem, dla którego grupa jest traktowana osobno: niskie przełożenie utrzymuje przegub responsywnym i podatnym na napędzanie wsteczne, a moment pochodzi z silnika, a nie z głębokiego stopnia przekładni. Trzeci element rodziny, AKE60-8 KV80, jest publikowany wyłącznie przy 24 V, dlatego nie pojawia się w porównaniu 48 V, mimo że należy do tej samej kategorii.

Istotny dla projektu systemu jest fakt, że tabela porównawcza producenta wymienia moduły AKE bez płytki sterownika, natomiast moduły AK i AKH są wymienione z nią, a zestaw akcesoriów do AKE80-8 KV30 zawiera osobny magnes czujnika, a nie elektronikę napędu. To różnica na poziomie systemu, a nie różnica możliwości: moduł nadal podaje metodę napędu FOC i taką samą integrację przykręcaną, ale napęd i jego okno napięciowe znajdują się poza modułem, w elektronice samej maszyny, więc okno wejściowe, rozwiązanie zabezpieczeń i wiązkę przewodów musi określić integrator. Tam, gdzie seria AK przychodzi ze sterownikiem wewnątrz gabarytu, seria AKE przenosi tę decyzję do maszyny. Rozwiązanie dla konkretnego modułu, w tym oczekiwaną przezeń elektronikę sprzężenia zwrotnego, należy potwierdzić w aktualnej dokumentacji producenta, zanim architektura elektryczna zostanie zamrożona.

Projektowanie jednego przegubu na 24 V i 48 V

Pięć modułów o podwójnej wartości znamionowej udostępnia konkretną opcję inżynierską, którą warto przedstawić dokładnie. Maszynę można zaprojektować wokół modułu, którego uzwojenie jest publikowane na obu poziomach, a następnie pracować przy niższej szynie w fazie prototypu i przy wyższej szynie w produkcji, przez cały czas z tym samym przełożeniem, tym samym gabarytem, tą samą masą i tym samym momentem znamionowym. Zmieniają się tylko pułap prędkości i moc dostępna przy danym prądzie. Poniższa tabela przedstawia opublikowane pary prędkości dla tych pięciu modułów, co stanowi pełny obraz tej zmiany.

Prędkość znamionowa, prędkość bez obciążenia i przełożenie zgodnie z publikacją producenta dla modułów o podwójnej wartości znamionowej aktualnie wymienionych w kategorii Siłowniki robotyczne, z wartościami dla 24 V i 48 V pokazanymi w osobnych kolumnach. Prędkość znamionowa to wartość po stronie wyjścia przy momencie znamionowym; prędkość bez obciążenia to pułap po stronie wyjścia. W każdym rekordzie obie kolumny dzielą jeden moment znamionowy, jeden moment szczytowy i jeden prąd znamionowy, co czyni tę parę użyteczną jako jedna specyfikacja mechaniczna z dwoma elektrycznymi punktami pracy.

Dopasowanie siłownika robotycznego 48 V do przegubu

Sekwencja, która pozwala uniknąć przeróbek, jest krótka i zaczyna się, zanim pojawi się jakikolwiek numer modelu. Szyna to jedna z ostatnich decyzji, a nie pierwsza, ponieważ zmienia jedynie elektryczny punkt pracy modułu, którego rola mechaniczna jest już ustalona.

Ustalić cykl pracy przed szyną

Wymaganie dla przegubu to prędkość i moment obrotowy, każde z przypisanym czasem trwania. Moment ciągły wbrew grawitacji, krótkie okno na złapanie albo lądowanie oraz prędkość przegubu, której profil ruchu potrzebuje na górze swojego zakresu, to trzy odrębne liczby, a moduł wybiera się na podstawie wszystkich trzech. Dopiero po ich zapisaniu decyzja o szynie staje się rozstrzygalna: jeśli o wyborze decyduje wartość momentu ciągłego, pracę wykonują przełożenie i ścieżka termiczna, a szyna ma znaczenie drugorzędne; jeśli założenia są napięte w zakresie prędkości na górze zakresu, dźwignią jest szyna, a moduł o podwójnej wartości znamionowej utrzymuje opcję otwartą. Zapisanie wartości momentu szczytowego bez czasu jej trwania to najczęstszy sposób przewymiarowania przegubu, ponieważ moment szczytowy to wartość okna krótkotrwałego, a nie dostępny moment.

Następnie ustalić otwór i gabaryt mocowania

Gdy cykl pracy jest ustalony, o wyborze między kandydatami o podobnym momencie decydują założenia mechaniczne. Dwa moduły o identycznych wartościach momentu znamionowego i szczytowego mogą różnić się o ponad sto gramów i o kilka milimetrów długości korpusu, a w kończynie o wielu przegubach ta różnica jest płacona ponownie na każdym przegubie bliżej podstawy. Tam, gdzie kable muszą przechodzić przez przegub, a nie wokół niego, opcja wału drążonego zmienia architekturę wiązki przewodów całej kończyny, a istotnym wymiarem jest otwór 7 mm w modułach AKH, a nie ich moment. Masa, gabaryt i otwór są ustalane na podstawie założeń mechanicznych i nie zależą od szyny, dlatego rozstrzygnięcie ich jako pierwszych pozostawia decyzję o napięciu wolną.

Potwierdzić wartości, których opublikowana dokumentacja nie zawiera

Gdy lista kandydatów zawęzi się do jednego lub dwóch, pozostaje krótki zestaw pytań, które należą do producenta, a nie do tabeli specyfikacji. Dopuszczalne okno napięcia wejściowego sterownika i jego progi zabezpieczeń, moment, który można utrzymać na górze zakresu prędkości przez czas faktycznie wymagany przez cykl pracy, zachowanie modułu przy profilu hamowania, jaki wytworzy maszyna, oraz rozwiązanie sprzężenia zwrotnego, którego oczekuje moduł bez zintegrowanego sterownika. Rekordy na tej platformie zawierają wartości opublikowane, a producent pozostaje źródłem wiarygodnych danych dla wszystkiego poza nimi.

Gdzie stosuje się siłowniki robotyczne 48 V

Szyna 48 V pojawia się zwykle tam, gdzie maszyna jest zasilana z akumulatora i gdzie więcej niż jeden przegub zasilany jest ze wspólnego źródła. Ten wzorzec warto odczytywać jako architekturę elektryczną, a nie jako kategorię produktów, ponieważ ten sam moduł występuje w kilku typach maszyn.

Kroczące i kołowe platformy zasilane z akumulatora

Platformy kroczące i kołowe podstawy mobilne noszą własną energię i rozdzielają ją do kilku przegubów. Zarówno oszczędność prądu we wspólnej wiązce przewodów, jak i prędkość, którą wyższa szyna udostępnia na przegubie, są warte zachodu, a hamująca noga zwraca energię do tej samej szyny, która zasila pozostałe, dlatego pakiet i rozwiązanie zabezpieczeń wokół niego są częścią projektu, a nie dodatkiem. Moduły 48 V ze środkowego i ciężkiego pasma macierzy to te zwykle brane pod uwagę dla osi biodra i kolana, a para 6:1 obsługuje szybsze, lżejsze przeguby.

Ramiona współpracujące i manipulatory

Ramię współpracujące skupia kilka modułów w krótkim łańcuchu kinematycznym, w którym masa na końcu dystalnym jest naliczana ponownie przy każdym przegubie powyżej. Oszczędność prądu ma tu mniejsze znaczenie niż pułap prędkości, ponieważ cykl pracy ramienia zdominowany jest przez śledzenie i sięganie, a nie przez długie fazy podtrzymania przy wysokim momencie. Moduły z wałem drążonym zmieniają architekturę wiązki przewodów tego łańcucha, prowadząc kable przez przeguby, a nie wokół nich. Właściwym porównaniem dla tej klasy maszyn jest Na co zwrócić uwagę w silniku BLDC do ramienia robota współpracującego.

Egzoszkielety i sprzęt rehabilitacyjny

Sprzęt noszony dodaje wymaganie, które nie pojawia się w rekordzie siłownika: przegub musi zachowywać się akceptowalnie, gdy napędza go wstecznie człowiek, a nie gdy wykonuje polecenie. To czyni przełożenie i zachowanie modułu przy napędzaniu wstecznym kluczowymi, dlatego rodzina quasi direct drive 8:1 jest brana pod uwagę dla tej klasy obok niskoprzełożeniowego końca serii AK i dlatego decyzja o szynie podąża za zachowaniem wobec osoby noszącej, a nie je wyprzedza. Szerszy wybór przedstawiono w Silniki BLDC do egzoszkieletu: bezramowy silnik momentowy czy zintegrowany siłownik.

Manipulacja mobilna i sprzęt terenowy

Tam, gdzie maszyna łączy mobilną podstawę z ramieniem, szyna musi obsłużyć przeguby o bardzo różnych rozmiarach i cyklach pracy z jednego źródła, a prąd pobierany przez największy przegub wyznacza dobór wspólnej ścieżki. To sytuacja, w której oszczędność prądu z wyższej szyny jest warta najwięcej i w której zestaw ograniczeń z poprzedniej sekcji — od okna wejściowego sterownika przez pakiet i ładowarkę po rozwiązanie zabezpieczeń — trzeba rozstrzygnąć dla całej maszyny, a nie w obrębie jednego modułu.

Najczęściej zadawane pytania

Zasoby oficjalne

CubeMars publikuje oficjalną stronę produktu dla każdego siłownika, z pełną specyfikacją, rysunkiem i dokumentacją sterowania, i te strony pozostają źródłem wiarygodnych danych dla każdej cytowanej tu wartości – na przykład strona produktu AK70-10 KV100, strona produktu AK80-64 KV80 oraz strona produktu AKH70-48 V1.0 KV41. Szczegóły, których strona produktu nie zawiera, w tym dopuszczalne okno wejściowe sterownika, jego progi zabezpieczeń i obniżenie momentu obowiązujące w danym cyklu pracy, należy potwierdzić w aktualnej dokumentacji producenta, zanim określi się pakiet. Ta platforma przechowuje opublikowane wartości w swoich rekordach produktów i utrzymuje je w formie możliwej do odkrycia i porównania; producent pozostaje źródłem wiarygodnych danych dla projektu.

Co dalej

Gdy celem jest tworzenie listy kandydatów, a nie lektura, trzy narzędzia na platformie wykonują tę pracę po kolei. Pełna kategoria Siłowniki robotyczne pozwala zobaczyć każdy model i jego specyfikację obok siebie, narzędzie Dobór służy do zawężenia według momentu, napięcia i masy, a następnie kandydatów umieszcza się w narzędziu Porównanie produktów. Tam, gdzie przegub ma być z założenia podatny, a nie sztywny, naturalnym kolejnym krokiem jest kategoria Siłowniki QDD, a argument o przełożeniu stojący za tą rodziną przedstawiono w Siłowniki QDD: co daje przełożenie 8:1.

Dwa kolejne artykuły obejmują te części zagadnienia, których decyzja o szynie nie rozstrzyga. Siłowniki robotyczne: jak dobrać zintegrowany siłownik do stawów robota omawia wewnętrzną budowę zintegrowanego modułu oraz osie specyfikacji, które decydują o wyborze. Jak wybrać moduł stawu: pięć siłowników CubeMars od 190 g do 1.4 kg prowadzi te same moduły według pozycji przegubu, od nadgarstka aż po ciężkie biodro, i jest właściwym towarzyszem tam, gdzie założenia mechaniczne są ustalone, ale rozmiar przegubu nie.

Krótka wersja: najpierw ustalić cykl pracy przegubu, po drugie ustalić otwór i gabaryt, a następnie zdecydować o szynie na podstawie wartości, której cyklowi pracy faktycznie brakuje. Szyna 48 V kupuje prędkość i zapas prądu, pozostawiając moment na tym samym poziomie, a wszystko poza tym — od okna sterownika po pakiet — to decyzja systemowa, którą należy zapisać, zanim zamówi się sprzęt.