Atuadores robóticos de 48 V: modelos, benefícios e restrições

Um barramento de 48 V não torna um atuador robótico mais forte. Entre os módulos CubeMars reunidos nesta plataforma, cada registro que publica simultaneamente uma classificação de 24 V e de 48 V indica o mesmo torque nominal e a mesma corrente nominal para ambos, e separa-se apenas na coluna da velocidade, onde o valor de 48 V é aproximadamente o dobro do de 24 V. Esse único padrão reorganiza todo o tema. Um barramento de 48 V é uma decisão elétrica ao nível da máquina, o que ele oferece é velocidade e margem de corrente de barramento em vez de torque, e as restrições que decidem se ele pode ser usado ficam fora do atuador, no driver, no pacote de baterias e no chicote. Dos vinte e um atuadores integrados atualmente listados nas categorias Atuadores robóticos e Atuadores de acionamento quase direto, dezesseis aceitam um barramento de 48 V, e os cinco registros que não aceitam limitam-se a 24 V. Este guia aborda quais modelos são compatíveis, o que o barramento mais alto muda numa junta, onde termina o benefício e como o sistema em torno dele tem de ser projetado.

Resposta rápida

Dos vinte e um atuadores integrados atualmente listados nesta plataforma, dezesseis aceitam um barramento de 48 V, distribuídos por duas categorias de produto. Nos registros CubeMars, operar um módulo de classificação dupla a 48 V eleva o teto de velocidade para aproximadamente o dobro do valor de 24 V e deixa o torque nominal, o torque de pico e a corrente nominal inalterados, porque o torque é definido pela corrente no enrolamento e o enrolamento conduz a mesma corrente para o mesmo torque em ambos os casos. O que um barramento mais alto também oferece é margem no topo da faixa de velocidade, onde a força contraeletromotriz (back-EMF) limitaria, de outra forma, quanta corrente o driver consegue fornecer. O que ele não oferece é torque contínuo, já que esse valor é limitado pelo caminho térmico do enrolamento e pelo ciclo de trabalho. As restrições são de nível de sistema e não de nível de módulo: a própria janela de entrada do driver, a forma como a energia devolvida é absorvida durante a desaceleração, as práticas de isolamento e de conectores, e o arranjo de pacote, carregador e gestão de bateria que alimenta o barramento. As seções abaixo seguem essa ordem: o que muda dentro do atuador, quanto vale a mudança, quanto custa acomodá-la, quais modelos são afetados e como combinar um deles a uma junta.

O que 48 V realmente muda dentro de um atuador robótico

O barramento não é uma propriedade do atuador. É uma propriedade da máquina, e o módulo é uma das suas cargas. Ler corretamente o registro de um atuador robótico de 48 V significa separar as duas colunas que um fabricante publica quando um modelo suporta mais de um barramento, e ser preciso quanto a quais valores se movem quando o barramento se move. Para um módulo integrado que reúne motor, estágio de redução, driver e feedback, a divisão é mais estreita do que parece à primeira vista.

O barramento é escolhido fora do módulo

Um atuador robótico vê um barramento CC e uma interface de controle. Nada na relação de redução, no arranjo dos rolamentos, no envelope ou no padrão de fixação depende de esse barramento estar a 48 V ou a um nível mais baixo. O que o barramento define é a tensão disponível para o driver e, por meio dele, a velocidade à qual uma dada corrente ainda pode ser conduzida para o enrolamento. A escolha pertence, portanto, ao arquiteto da máquina, junto com a topologia do pacote, a seleção do carregador e o orçamento térmico da carcaça em que o módulo ficará. Uma folha de dados de atuador que publica duas classificações de barramento não oferece dois produtos; reporta um produto em dois pontos de operação.

Um barramento, duas classificações publicadas: o que significa um registro de 24/48 V

Cinco dos atuadores integrados atualmente listados aqui trazem uma classificação de barramento dupla em vez de única: AK10-9 V2.0 KV60, AK60-6 V3.0 KV80, AK70-10 KV100, AK80-64 KV80 e AKA60-6 KV80. Seus registros publicam duas velocidades nominais e duas velocidades sem carga, separadas por uma barra, e em cada caso o par é o valor de 24 V seguido do valor de 48 V. Os mesmos registros publicam um único torque nominal, uma única corrente nominal e um único torque de pico. Essa assimetria é toda a história em uma linha de uma tabela de especificações: o trabalho elétrico que o módulo realiza é função da corrente, e a corrente necessária para um dado torque não muda com o barramento.

A classificação dupla não é simplesmente uma questão de idade ou versão. O AK10-9 V3.0 KV60, a revisão posterior, publica uma única classificação de 48 V, enquanto o anterior AK10-9 V2.0 KV60 traz ambas. A revisão posterior também publica um torque de pico mais alto, 53 Nm contra 48 Nm, sobre uma massa ligeiramente menor. O suporte a barramento e a revisão mecânica têm de ser lidos no registro, e não inferidos do número do modelo.

Torque e corrente ficam parados enquanto a coluna da velocidade se divide

Os pares publicados são suficientemente consistentes para enunciar o efeito como regra, e não como impressão. O AK10-9 V2.0 KV60 tem nominal de 109 rpm a 24 V e 228 rpm a 48 V, com velocidades sem carga de 160 rpm e 320 rpm. O AK70-10 KV100 passa de 148 rpm a 310 rpm nominais, e de 240 rpm a 480 rpm sem carga. O AK80-64 KV80, a unidade de 64:1, passa de 23 rpm a 48 rpm nominais e de 37 rpm a 75 rpm sem carga. O AKA60-6 KV80 dobra de 200 rpm a 400 rpm nominais e de 320 rpm a 640 rpm sem carga, e o AK60-6 V3.0 KV80 de 233 rpm a 490 rpm e de 320 rpm a 640 rpm. Nos cinco, o valor de 48 V fica entre cerca de duas e cerca de duas vezes e um décimo o valor de 24 V, tanto no ponto nominal quanto no ponto sem carga.

Em contrapartida, nenhum dos cinco altera seu torque nominal, seu torque de pico ou sua corrente nominal entre as duas colunas. O AK60-6 V3.0 KV80 tem nominal de 3 Nm e 3.8 A em ambos os barramentos e pico de 9 Nm nos dois; o par de corrente de pico é 10.3 A e 11.2 A, próximos o bastante para que a pequena diferença seja mais provavelmente uma convenção de medição ou de arredondamento do que um limite de enrolamento diferente. A consequência prática é que o enrolamento perde o mesmo calor a um dado torque em qualquer dos barramentos, a perda no cobre por newton-metro é inalterada, e o limite térmico do torque contínuo é, portanto, idêntico. Quem espera que um barramento de 48 V libere mais torque contínuo do mesmo módulo está lendo a coluna errada.

O que não se move: a relação de redução e o envelope

A tensão de barramento também deixa o registro mecânico intacto. Um atuador robótico de 48 V tem a mesma relação de redução, a mesma classe de folga, o mesmo diâmetro externo, o mesmo comprimento do empilhamento e a mesma massa que o mesmo módulo operado em um barramento mais baixo, porque nenhuma dessas grandezas tem referência elétrica. O AK80-8 KV60 permanece em 8:1 e 98 mm por 43.9 mm dos dois lados da decisão de barramento. O AKH70-48 V1.0 KV41 permanece em 48:1 dentro de um corpo de 90 mm de diâmetro e 81.5 mm de comprimento. Isso importa para a sequência de projeto: o envelope e a relação podem ser fixados antes de se definir a topologia do pacote, e uma mudança posterior de 24 V para 48 V não reabre o projeto mecânico.

Benefícios de desempenho de operar atuadores robóticos em um barramento de 48 V

O benefício de um barramento mais alto é muitas vezes descrito como eficiência, e esse enquadramento obscurece onde o ganho realmente aparece. Em um módulo integrado, a corrente no enrolamento é definida pelo torque que a junta é solicitada a produzir, e o estágio de redução e o driver ficam entre esse enrolamento e o barramento. O que o barramento controla é a velocidade à qual a corrente necessária ainda pode ser empurrada, e quanta corrente tem de percorrer a fiação da própria máquina para entregar uma dada potência mecânica.

O teto de velocidade escala com o barramento no mesmo KV

A velocidade no motor é definida pela constante de velocidade do enrolamento e pela tensão disponível para conduzir corrente nele. Dobrar o barramento mantendo o enrolamento eleva o teto sem carga, e o estágio de redução divide esse teto até a junta. Isso é visível diretamente nos pares publicados, e não por meio de qualquer cálculo: o AK10-9 V2.0 KV60 vai de 160 rpm a 320 rpm sem carga, o AK70-10 KV100 de 240 rpm a 480 rpm, o AKA60-6 KV80 de 320 rpm a 640 rpm. Na junta, um módulo com relação fixa vê, portanto, sua velocidade disponível dobrar. Para uma junta cujo regime é dominado pela velocidade de seguimento e não pelo torque de sustentação, essa é a diferença entre um módulo que atende ao requisito e um que não atende. É também a razão pela qual um módulo de classificação dupla pode ser especificado para uma plataforma que deve passar de um pacote de protótipo de tensão mais baixa para um pacote de produção de 48 V sem alterar o acionamento.

A mesma corrente transporta mais potência

A potência mecânica é o produto do torque pela velocidade. Se um módulo mantém uma dada corrente, e portanto um dado torque, a uma velocidade mais alta, a potência mecânica disponível a partir dessa mesma corrente sobe em proporção. Essa é a forma honesta do argumento de eficiência: não é que o enrolamento se torne mais eficiente a 48 V, é que o mesmo orçamento térmico, expresso como corrente no enrolamento, é convertido em mais potência de saída porque o ponto de operação pode ser empurrado mais adiante no eixo da velocidade antes de o driver esgotar a tensão. Onde uma junta precisa tanto de torque quanto de velocidade, e não de um ou de outro, o barramento mais alto eleva o teto do produto dos dois.

Onde aparece a economia de corrente: o chicote e o pacote

A economia é real, mas aparece ao nível da máquina, e não dentro do módulo. Para uma dada potência mecânica, um barramento com o dobro da tensão consome cerca de metade da corrente, e é a corrente de barramento que dimensiona os cabos, os conectores e a proteção em torno deles. Em uma máquina com vários atuadores alimentados por um barramento comum, essa redução propaga-se pelo chicote compartilhado, pela placa de distribuição e pelo próprio caminho de descarga do pacote. Isso importa mais onde os trechos são longos ou onde muitas juntas são alimentadas por um único barramento, e menos em uma montagem de bancada curta e de junta única. Também muda a forma do pacote: a mesma energia é entregue com menos corrente por grupo de células, o que distribui a carga ao longo de uma cadeia em série em vez de concentrá-la.

Margem para a janela de pico no topo da faixa de velocidade

O torque de pico é um valor de janela curta, e alcançá-lo em velocidade exige que o driver supere a força contraeletromotriz (back-EMF) que o motor em rotação gera antes que qualquer corrente possa fluir. Um barramento mais alto deixa mais tensão para isso, de modo que a janela de torque de pico permanece alcançável mais acima na faixa de velocidade. Esse é um benefício distinto do teto de velocidade sem carga e é muitas vezes a razão prática pela qual uma máquina muda para um barramento mais alto: a junta não precisa girar mais rápido em regime permanente, mas precisa entregar um curto surto de torque já em movimento rápido. Um módulo de classificação dupla reporta o mesmo torque de pico em ambos os barramentos, e o barramento mais alto é o que torna esse valor atingível na extremidade superior da faixa de velocidade, e não apenas perto do bloqueio.

O que o barramento mais alto não oferece

Um barramento de 48 V não eleva o torque nominal, não altera a relação de redução, não reduz o calor gerado a um dado torque de saída e não altera a classe de folga nem a classificação dos rolamentos. Tampouco altera a faixa de temperatura ambiente de operação publicada do módulo, que é a mesma afirmação em toda a família. Em um regime dominado pelo torque de sustentação contra a gravidade em baixa velocidade, o módulo não obtém benefício algum do barramento mais alto, e o trabalho adicional de regulação de tensão, proteção e isolamento é custo sem retorno. A decisão de barramento deve ser tomada com base na forma do regime torque-velocidade, e não na suposição de que mais volts é uma melhoria geral.

Restrições de sistema que decidem se 48 V é utilizável

Como o barramento pertence à máquina, as restrições ao seu uso são em sua maioria restrições da máquina. Algumas delas são publicadas nos registros de produto e podem ser lidas diretamente; outras dependem da documentação do próprio driver e do projeto do pacote, e têm de ser confirmadas ao nível do sistema. A lista abaixo separa as duas.

A janela de tensão de entrada do driver

O driver do módulo é o componente que vê o barramento, de modo que a janela de entrada admissível desse driver é o primeiro portão. Os registros de produto indicam que os módulos trazem proteção integrada contra sobrecorrente, sobretensão e subtensão, e contra sobretemperatura, o que significa que o driver monitora o barramento em que está, em vez de aceitar qualquer tensão dentro de uma faixa ampla. O valor de tensão nominal na especificação é um ponto de operação, não um máximo admissível. Quando a intenção de projeto é operar um módulo no topo de um ciclo de carga, ou quando o pacote pode ser carregado com a máquina energizada, a janela de entrada admissível e os limites de proteção desse módulo e firmware específicos devem ser confirmados junto à documentação atual do fabricante antes de o pacote ser especificado.

Regeneração, transientes de barramento e para onde vai a energia devolvida

Qualquer junta que desacelera uma carga faz retroacionar seu motor, e um motor retroacionado torna-se um gerador que devolve energia ao barramento em vez de consumi-la. Em um barramento alimentado apenas por uma bateria, essa energia tem para onde ir. Em uma fonte de bancada, ou em um barramento com trecho de cabo longo e capacitância limitada, a energia devolvida pode empurrar o barramento acima do seu nível permanente durante a desaceleração, e o transiente torna-se um problema de projeto de sistema, e não de módulo: dimensionamento de capacitância, arranjos de frenagem e a resposta da fonte entram todos no cálculo. O valor relevante não é a tensão nominal do barramento, mas a energia que um perfil de desaceleração específico devolve, que depende da inércia da carga, da velocidade da junta e do ciclo de trabalho. Esse perfil tem de ser derivado da máquina, e não lido do registro do atuador.

Isolamento, conectores e a linha de 60 V CC

As estruturas de segurança elétrica costumam tratar um barramento CC nominal de 48 V como dentro da faixa tratada como tensão extrabaixa de segurança (SELV), abaixo do limiar de 60 V CC que aparece em várias normas nacionais e internacionais, o que é uma razão pela qual essa tensão é popular em máquinas móveis. A norma aplicável e sua implementação local continuam sendo os documentos que prevalecem, e o limiar aplica-se à tensão máxima real do barramento, e não ao valor nominal. As classificações térmicas e de corrente nas próprias interfaces do módulo são questões separadas, e as práticas de conector e de fiação especificadas para uma máquina devem seguir o que o fabricante do módulo publica para essa interface, e não uma suposição geral sobre a classe de tensão.

Consequências para o pacote, o carregador e o BMS

Um barramento nominal de 48 V normalmente é construído a partir de uma cadeia em série de células de íons de lítio, e a tensão de plena carga da cadeia fica acima do valor nominal, o que é uma propriedade da química das células e não uma especificação de qualquer atuador. Duas consequências decorrem disso. Primeiro, tudo a jusante tem de tolerar o topo da faixa de carga e não apenas o nível nominal. Segundo, o sistema de gestão de bateria do pacote, seu perfil de carga e seu corte de descarga definem todos o que o atuador realmente vê, inclusive durante as breves excursões que uma junta em desaceleração produz. Onde a janela admissível de um atuador e a faixa de operação de um pacote são publicadas em documentos diferentes, a interseção é a janela de projeto, e vale a pena anotar essa interseção em vez de supor que os valores nominais coincidem.

Comportamento térmico e ciclo de trabalho

O limite térmico do torque contínuo pertence ao enrolamento e ao caminho por onde o calor sai dele, e não se move com o barramento. Uma junta que era termicamente marginal no barramento mais baixo continua termicamente marginal a 48 V, porque a corrente e, portanto, a perda no cobre a um dado torque são inalteradas. O que o barramento mais alto muda é a divisão entre a perda no cobre e a saída mecânica disponível a partir dela. Em um regime com longas fases de sustentação em baixa velocidade, ou com alta proporção de tempo próximo do torque nominal, o projeto térmico é a restrição determinante e a decisão de barramento é secundária. Em um regime dominado por movimento rápido e pouco carregado, o teto de velocidade é que é determinante, e a decisão de barramento é primária.

As questões que a documentação publicada deixa em aberto

Nem todo número necessário para fechar um projeto de sistema aparece em uma página de produto. A janela de entrada admissível e os limites de proteção do driver, o comportamento do módulo sob um perfil de desaceleração específico, a redução de torque que se aplica quando o módulo opera no topo de sua faixa de velocidade por um período prolongado, e o torque contínuo específico do regime são todos questões de sistema, e não valores publicados em uma página de produto. Eles são respondíveis, e a documentação de controle e o suporte de aplicação do fabricante são a fonte correta, mas devem ser confirmados antes de o pacote e o chicote serem congelados. Tratar o valor de tensão nominal como o barramento admissível e o valor de torque de pico como um torque disponível é a forma mais comum de um projeto de 48 V ser mal dimensionado.

Atuadores robóticos de 48 V: matriz de comparação de especificações

A tabela abaixo lê cada atuador robótico de 48 V atualmente listado na categoria Atuadores robóticos como um único conjunto de especificações, ordenado pelo torque nominal publicado, de modo que a transição das juntas leves para as que suportam carga seja visível na própria coluna. Cada valor é o que o fabricante publica para esse modelo e que esta plataforma mantém em seus registros de produto. A tensão nominal é mostrada como publicada, de modo que um registro de classificação dupla aparece com ambos os níveis.

Tensão nominal, torque nominal, torque de pico, relação de redução, massa e dimensões conforme publicados pelo fabricante, para os modelos atualmente listados na categoria Atuadores robóticos que aceitam um barramento de 48 V, ordenados por torque nominal. O torque nominal é o valor contínuo dentro dos limites térmicos do enrolamento; o torque de pico é um valor de janela curta. Um único valor de tensão significa um módulo de barramento único; um valor duplo significa que o módulo é publicado em ambos os níveis, com os valores correspondentes de velocidade e potência também publicados separadamente para cada um. As dimensões são dadas como diâmetro externo por comprimento do corpo e excluem a saliência do eixo, do cabo e do conector.

Duas coisas se destacam quando a matriz é lida na coluna do torque, e não na coluna da tensão. A primeira é que os módulos que alcançam 48 V não são uma família de produto distinta: vão de uma unidade de 3 Nm em um corpo de 79 mm a uma unidade de 74 Nm com 1396 g, e os dois módulos de 6:1 ficam na base da tabela, enquanto um degrau de torque de 24:1 aparece entre o registro de 24 Nm e o de 48 Nm. A segunda é que o suporte a barramento é quase universal nesta categoria. Dos dezoito registros atualmente listados, catorze aceitam 48 V; os quatro que não aceitam estão todos na extremidade leve da faixa, e cada um é publicado com uma única classificação de 24 V. Uma máquina construída em torno de 48 V tem, portanto, uma ampla escolha de tamanhos de junta de um único fabricante, e não uma lista restrita.

Ler a tabela como uma lista de candidatos também mostra por que a tensão isolada é um filtro ruim. O AK60-6 V3.0 KV80 e o AKA60-6 KV80 publicam o mesmo torque nominal e de pico, a mesma relação e o mesmo suporte a barramento, e diferem principalmente no acondicionamento: a unidade AKA é 80 g mais pesada e 8.2 mm mais longa, em um diâmetro ligeiramente menor. O AK10-9 V3.0 KV60 e o AKA10-9 KV60 publicam igualmente valores idênticos de torque e relação, e diferem em 120 g de massa. Essas escolhas dizem respeito à estrutura e à integração, e não ao barramento, e devem ser tomadas com base no requisito mecânico.

Ler os dezesseis por regime, e não por tensão

Como o suporte a barramento é quase universal em toda a categoria, a forma útil de estreitar a lista é pelo regime que cada módulo atende. Os grupos abaixo seguem o torque e a relação publicados, e não a tensão, já que são esses dois valores que o requisito de uma junta toma como referência.

O par de 6:1: AKA60-6 KV80 e AK60-6 V3.0 KV80

Ambos os módulos publicam 3 Nm nominais e 9 Nm de pico em uma relação de 6:1, e ambos aceitam 48 V. A relação baixa faz deles as juntas mais rápidas do grupo de 48 V em relação ao seu torque de saída: o AK60-6 V3.0 KV80 publica 320 rpm sem carga a 24 V e 640 rpm a 48 V, e o AKA60-6 KV80 publica o mesmo par. Em um barramento de 48 V, qualquer das unidades alcança uma velocidade do lado da junta que nenhum módulo de relação mais alta na tabela se aproxima. A diferença entre eles é o acondicionamento e a massa: o AK60-6 V3.0 KV80 é o mais leve dos dois, com 380 g em um corpo de 79 mm por 43 mm, enquanto o AKA60-6 KV80 tem 460 g em um corpo de 80 mm por 51.2 mm. Ambos servem a um eixo distal que tem de se mover rápido sob carga leve, e nenhum deles serve a um eixo que tem de sustentar um grande torque estático.

O meio da faixa de 8:1, 9:1 e 10:1

Quatro módulos ocupam esta faixa a 48 V, e a dispersão é maior do que os valores de relação sugerem. O AK80-9 V3.0 KV100 publica 9 Nm nominais e 22 Nm de pico em 9:1, em um corpo de 490 g e 98 mm por 38.5 mm. O AK80-8 KV60 publica 10 Nm e 25 Nm em 8:1, com 570 g, em um corpo de 98 mm por 43.9 mm. O AK70-10 KV100 publica 8.3 Nm e 24.8 Nm em 10:1, em um corpo de 621 g e 89 mm por 50.25 mm, e o AK70-9 V3.0 KV60 publica 8.5 Nm e 29.2 Nm em 9:1, com 540 g. Relações tão próximas são uma faixa de ajuste fino, e não um conjunto de regimes de operação distintos, e a escolha dentro da faixa costuma depender do envelope, da massa e de quanta velocidade a junta precisa no topo de sua faixa. O AK70-9 V3.0 KV60 é o que merece atenção onde o torque de pico importa mais do que o torque contínuo, já que seus 29.2 Nm de pico são o mais alto da faixa sobre a menor massa dos quatro.

As juntas pesadas: AK60-39 V3.0 KV80, AK80-64 KV80, AKA10-9 KV60 e AK10-9 V3.0 KV60

Acima de 18 Nm nominais, a tabela divide-se em duas abordagens. O AK10-9 V3.0 KV60 e o AKA10-9 KV60 tomam ambos o caminho de relação alta em 9:1 e publicam 18 Nm nominais com um pico de 53 Nm, em 940 g e 1060 g, respectivamente; o barramento mais alto é o que torna a relação de 9:1 utilizável em uma velocidade do lado da junta, já que o valor sem carga de 320 rpm a 48 V é o que um módulo de 9:1 pode oferecer. O AK60-39 V3.0 KV80 e o AK80-64 KV80 tomam o outro caminho, trocando velocidade por torque através do estágio de redução: 39:1 dá 24 Nm nominais e 72 Nm de pico em 750 g, e 64:1 dá 48 Nm nominais e 120 Nm de pico em 850 g, com uma velocidade sem carga de 37 rpm a 24 V e 75 rpm a 48 V. Onde uma junta tem de sustentar uma carga contra a gravidade por longos períodos, esse torque por unidade de corrente, obtido com a relação e não com o barramento, é o mecanismo em ação.

Eixo vazado: AKH70-16 V1.0 KV41 e AKH70-48 V1.0 KV41

Os dois módulos de eixo vazado distinguem-se por suas relações de redução, e não pelo barramento, e os números de modelo convidam a uma leitura equivocada que vale a pena esclarecer. O "48" em AKH70-48 V1.0 KV41 é uma relação de redução de 48:1, e não uma classificação de 48 V; o mesmo módulo é publicado a 48 V, e o AKH70-16 V1.0 KV41 também, em 16:1. Ambos operam com o mesmo enrolamento de 41 KV. O AKH70-16 V1.0 KV41 publica 26 Nm nominais e 78 Nm de pico com 879 g, e o AKH70-48 V1.0 KV41 publica 74 Nm e 222 Nm com 1396 g e 81.5 mm de comprimento do corpo. O que torna o par distinto é o furo: o eixo vazado conduz cabos através da junta, o que muda a arquitetura do chicote de um membro de várias juntas, e não o torque da junta. A unidade de 48:1 é o módulo de 48 V de maior torque atualmente listado aqui, e a unidade de 16:1 é o degrau intermediário para uma junta que precisa do furo sem a velocidade de saída muito baixa que acompanha uma relação de 48:1.

Os dois módulos de acionamento quase direto: AKE80-8 KV30 e AKE90-8 KV35

A outra categoria que contribui com módulos de 48 V para esta comparação é Atuadores de acionamento quase direto, e seus dois integrantes de 48 V comportam-se de forma diferente da série AK, de um modo que importa para o projeto de sistema. O AKE80-8 KV30 publica 12 Nm nominais e 30 Nm de pico em 8:1, com 570 g, em um corpo de 87 mm por 32 mm, e o AKE90-8 KV35 publica 55 Nm nominais e 170 Nm de pico em 8:1, com 1400 g, em um corpo de 107.5 mm por 43.5 mm. Ambos são construídos em torno de uma relação de 8:1, que é a característica definidora da família e a razão pela qual o grupo é tratado separadamente: a relação baixa mantém a junta responsiva e retroacionável, e o torque vem do motor, e não de um estágio de redução profundo. O terceiro integrante da família, o AKE60-8 KV80, é publicado apenas a 24 V, razão pela qual não aparece na comparação de 48 V, apesar de estar na mesma categoria.

O ponto de projeto de sistema é que a tabela de comparação do fabricante lista os módulos AKE sem uma placa de driver, enquanto os módulos AK e AKH são listados com uma, e o pacote de acessórios do AKE80-8 KV30 contém um ímã de sensoriamento separado em vez de eletrônica de acionamento. Essa é uma diferença ao nível do sistema, e não uma diferença de capacidade: o módulo ainda publica um método de acionamento FOC e a mesma integração por parafusos, mas o acionamento e sua janela de tensão ficam fora do módulo, na eletrônica da própria máquina, de modo que a janela de entrada, o arranjo de proteção e o chicote têm todos de ser especificados pelo integrador. Onde a série AK chega com seu driver dentro do envelope, a série AKE transfere essa decisão para a máquina. O arranjo para um módulo específico, incluindo a eletrônica de feedback que ele espera, deve ser confirmado junto à documentação atual do fabricante antes de a arquitetura elétrica ser congelada.

Projetar uma única junta para 24 V e 48 V

Os cinco módulos de classificação dupla disponibilizam uma opção de engenharia específica, e vale a pena enunciá-la com precisão. Uma máquina pode ser especificada em torno de um módulo cujo enrolamento é publicado em ambos os níveis, e então operada no barramento mais baixo durante o protótipo e no barramento mais alto em produção, com a mesma relação de redução, o mesmo envelope, a mesma massa e o mesmo torque nominal ao longo de tudo. Apenas o teto de velocidade e a potência disponível a uma dada corrente mudam. A tabela abaixo apresenta os pares de velocidade publicados para esses cinco, que é a mudança em sua totalidade.

Velocidade nominal, velocidade sem carga e relação de redução conforme publicados pelo fabricante para os módulos de classificação dupla atualmente listados na categoria Atuadores robóticos, com os valores de 24 V e 48 V mostrados em colunas separadas. A velocidade nominal é o valor do lado da saída no torque nominal; a velocidade sem carga é o teto do lado da saída. Em cada registro, as duas colunas compartilham um único torque nominal, um único torque de pico e uma única corrente nominal, o que torna o par utilizável como uma única especificação mecânica com dois pontos de operação elétricos.

Combinar um atuador robótico de 48 V com a junta

A sequência que evita retrabalho é curta, e começa antes de qualquer número de modelo aparecer. O barramento é uma das últimas decisões, e não a primeira, porque ele altera apenas o ponto de operação elétrico de um módulo cujo papel mecânico já está fixado.

Fixar o regime antes do barramento

O requisito da junta é uma velocidade e um torque, cada um com uma duração associada. O torque contínuo contra a gravidade, uma janela curta para uma captura ou um pouso, e a velocidade da junta que o perfil de movimento precisa no topo de sua faixa são três números separados, e um módulo é escolhido com base nos três. Só depois de eles serem anotados a decisão de barramento passa a ter resposta: se o valor de torque contínuo conduz a escolha, a relação e o caminho térmico fazem o trabalho e o barramento é secundário; se é a velocidade no topo da faixa que aperta o requisito, o barramento é a alavanca e um módulo de classificação dupla mantém a opção aberta. Anotar o valor de torque de pico sem sua duração é a forma mais comum de superespecificar uma junta, porque o torque de pico é uma classificação de janela curta, e não um torque disponível.

Fixar o furo e o envelope de montagem em seguida

Depois de o regime estar fixado, o requisito mecânico decide entre candidatos que publicam torque semelhante. Dois módulos com valores idênticos de torque nominal e de pico podem diferir em mais de cem gramas e em vários milímetros de comprimento do corpo, e em um membro de várias juntas essa diferença é paga novamente em cada junta mais próxima da base. Onde os cabos têm de passar através da junta, e não em torno dela, a opção de eixo vazado muda a arquitetura do chicote de todo o membro, e o furo de 7 mm dos módulos AKH é a dimensão relevante, e não o seu torque. Massa, envelope e furo são decididos a partir do requisito mecânico e não são afetados pelo barramento, razão pela qual resolvê-los primeiro deixa a decisão de tensão livre.

Confirmar os valores que a documentação publicada não traz

Um pequeno conjunto de perguntas permanece quando a lista de candidatos se reduz a um ou dois, e elas pertencem ao fabricante, e não a uma tabela de especificações. A janela de tensão de entrada admissível do driver e seus limites de proteção, o torque que pode ser sustentado no topo da faixa de velocidade pela duração que o regime realmente exige, o comportamento do módulo sob o perfil de desaceleração que a máquina produzirá, e o arranjo de feedback que um módulo sem driver integrado espera. Os registros nesta plataforma trazem os valores publicados, e o fabricante permanece a fonte de referência para tudo além deles.

Onde os atuadores robóticos de 48 V são usados

Um barramento de 48 V tende a aparecer onde quer que a máquina seja alimentada por bateria e onde mais de uma junta seja alimentada por uma fonte comum. Vale a pena ler o padrão como uma arquitetura elétrica, e não como uma categoria de produto, porque o mesmo módulo aparece em vários tipos de máquina.

Plataformas com pernas e sobre rodas alimentadas por bateria

Plataformas com pernas e bases móveis sobre rodas carregam sua própria energia e a distribuem para várias juntas. Tanto a economia de corrente ao longo de um chicote compartilhado quanto a velocidade que o barramento mais alto disponibiliza na junta valem a pena, e uma perna em desaceleração devolve energia ao mesmo barramento que alimenta as outras, razão pela qual o pacote e o arranjo de proteção em torno dele fazem parte do projeto, e não são um detalhe posterior. Os módulos de 48 V nas faixas média e pesada da matriz são os habitualmente pré-selecionados para eixos de quadril e joelho, com o par de 6:1 servindo juntas mais rápidas e leves.

Braços colaborativos e manipuladores

Um braço colaborativo concentra vários módulos em uma cadeia cinemática curta, onde a massa na extremidade distal é cobrada novamente em cada junta acima dela. A economia de corrente importa menos aqui do que o teto de velocidade, porque o regime de um braço é dominado pelo seguimento e pelo alcance, e não por longas fases de sustentação em alto torque. Os módulos de eixo vazado mudam a arquitetura do chicote dessa cadeia ao conduzir os cabos através das juntas, em vez de em torno delas. A comparação relevante para essa classe de máquina é O que procurar num motor BLDC para um braço de robô colaborativo.

Exoesqueletos e equipamentos de reabilitação

Equipamentos vestíveis acrescentam um requisito que não aparece no registro do atuador: a junta tem de se comportar de forma aceitável quando é retroacionada por uma pessoa, e não comandada. Isso torna centrais a relação e o comportamento de retroacionamento do módulo, razão pela qual a família de acionamento quase direto de 8:1 é pré-selecionada para essa classe, ao lado da extremidade de relação baixa da linha AK, e pela qual a decisão de barramento segue o comportamento voltado ao usuário, em vez de conduzi-lo. A escolha mais ampla é apresentada em Motores BLDC para exoesqueleto: motor de torque sem carcaça vs atuador integrado.

Manipulação móvel e equipamentos de campo

Quando uma máquina combina uma base móvel com um braço, o barramento tem de servir, a partir de uma única fonte, juntas de tamanhos e regimes muito diferentes, e a corrente consumida pela maior junta define o dimensionamento do caminho compartilhado. É essa a situação em que a economia de corrente de um barramento mais alto mais vale, e em que o conjunto de restrições da seção anterior, da janela de entrada do driver ao pacote e ao carregador até o arranjo de proteção, tem de ser resolvido em toda a máquina, e não dentro de um único módulo.

Perguntas frequentes

Recursos oficiais

A CubeMars publica uma página de produto oficial para cada atuador, com sua especificação completa, desenho e documentação de controle, e essas páginas permanecem a fonte de referência para cada valor citado aqui - por exemplo a página do produto AK70-10 KV100, a página do produto AK80-64 KV80 e a página do produto AKH70-48 V1.0 KV41. Detalhes que uma página de produto não traz, incluindo a janela de entrada admissível do driver, seus limites de proteção e a redução de torque que se aplica sob um regime específico, devem ser confirmados junto à documentação atual do fabricante antes de o pacote ser especificado. Esta plataforma mantém os valores publicados em seus registros de produto e os mantém descobríveis e comparáveis; o fabricante permanece a fonte de referência para o projeto.

Para onde ir em seguida

Para pré-selecionar em vez de ler, três ferramentas da plataforma fazem o trabalho em sequência. Explorar a categoria completa Atuadores robóticos para ver cada modelo e sua especificação lado a lado, usar Seleção para filtrar por torque, tensão e massa, e depois colocar os candidatos em Comparar produtos. Onde a junta tem de permanecer complacente por projeto, e não rígida, a categoria Atuadores de acionamento quase direto é o próximo passo natural, e o argumento da relação por trás dessa família está exposto em Atuadores de acionamento quase direto: o que a relação 8:1 oferece.

Dois outros artigos cobrem as partes deste tema que uma decisão de barramento não resolve. Atuadores robóticos: como escolher o atuador integrado para juntas de robô percorre a estrutura interna de um módulo integrado e os eixos de especificação que decidem uma escolha. Como escolher um módulo de junta: cinco atuadores CubeMars de 190 g a 1.4 kg acompanha os mesmos módulos por posição de junta, do punho ao quadril pesado, e é o complemento certo quando o requisito mecânico está definido, mas o tamanho da junta não.

A versão curta: fixar primeiro o regime da junta, fixar em segundo o furo e o envelope, e depois decidir o barramento a partir do valor que realmente falta ao regime. O barramento de 48 V oferece velocidade e margem de corrente e deixa o torque onde estava, e tudo além disso, da janela do driver ao pacote, é uma decisão de sistema que deve ser anotada antes de o hardware ser encomendado.