Chọn tỷ số truyền là một trong vài quyết định định hình toàn bộ tính cách của một khớp robot. Có công thức để bắt đầu, nhưng phần khó là cân nhắc những thứ công thức không nói.
Tính từ yêu cầu
Quy trình cơ bản.
Bước một — xác định mô-men khớp cần. Trọng lực ở tư thế bất lợi nhất, cộng quán tính khi tăng tốc, cộng ma sát, nhân hệ số an toàn.
Bước hai — xác định tốc độ khớp cần. Từ yêu cầu về thời gian chu kỳ. Khớp phải quay bao nhiêu độ trong bao nhiêu giây.
Bước ba — nhân hai số đó. Được công suất cơ học yêu cầu. Đây là con số quyết định cỡ động cơ, độc lập với tỷ số.
Bước bốn — chọn động cơ đủ công suất. Với dư địa cho tổn hao trong hộp số.
Bước năm — tính tỷ số. Bằng tốc độ định mức động cơ chia tốc độ khớp cần. Kiểm lại xem mô-men đạt được có đủ không.
Điểm hay bỏ sót. Kiểm cả hai điều kiện — mô-men đủ và tốc độ đủ. Thoả một mà không thoả kia là chọn sai, và phải quay lại chọn động cơ khác chứ không phải chỉnh tỷ số.
Những gì công thức không nói
Khả năng cảm nhận lực. Tỷ số càng cao thì lực bên ngoài càng khó truyền ngược tới động cơ. Với robot cần cảm nhận tiếp xúc, đây thường là ràng buộc quan trọng hơn cả mô-men.
Ngưỡng thực tế. Dưới tỷ số khoảng mười thì cảm nhận lực qua dòng động cơ khá tốt. Trên năm mươi thì gần như không dùng được và phải có cảm biến lực riêng.
Chịu va đập. Tỷ số cao khuếch đại lực va đập lên răng hộp số. Robot chân và robot làm việc trong môi trường không kiểm soát cần tỷ số thấp hơn.
Hiệu suất năng lượng. Tỷ số cao cho hiệu suất tốt khi giữ tải tĩnh — động cơ cần dòng nhỏ hơn. Tỷ số thấp tốn điện hơn khi đứng yên.
Băng thông điều khiển. Quán tính quy đổi lớn làm hệ phản ứng chậm. Với vòng điều khiển tần số cao thì tỷ số thấp có lợi.
Tự hãm. Tỷ số rất cao khiến khớp không tự tụt khi mất điện. Có thể là ưu điểm an toàn hoặc nhược điểm nếu cần đẩy robot bằng tay khi khẩn cấp.
Ba kiểu thiết kế điển hình
Ba điểm trên phổ, tương ứng ba loại robot.
Tỷ số rất cao, từ một trăm trở lên. Cánh tay công nghiệp. Ưu tiên độ cứng, độ chính xác vị trí, giữ tải nặng. Không cần cảm nhận lực vì làm việc theo vị trí đã dạy. Đây là thiết kế đã chín và tối ưu cho mục đích của nó.
Tỷ số trung bình, từ hai mươi tới năm mươi. Robot cộng tác làm việc cạnh người. Cân bằng giữa mô-men đủ dùng và khả năng cảm nhận va chạm. Thường kèm cảm biến lực hoặc đo mô-men ở khớp.
Tỷ số thấp, dưới mười. Robot chân và robot hình người. Ưu tiên chịu va đập và cảm nhận lực. Chấp nhận động cơ lớn hơn và tốn điện hơn khi đứng.
Điều đáng chú ý. Ba nhóm này không phải ba mức độ hoàn thiện mà là ba lựa chọn tối ưu cho ba bài toán khác nhau. Cánh tay công nghiệp không phải kém tiên tiến hơn robot hình người.
Khi thiết kế. Xác định robot của mình thuộc nhóm nào trước, rồi mới tính. Nhầm nhóm thì mọi tính toán sau đều đi sai hướng.
Sai lầm thường gặp
Chọn tỷ số quá cao cho chắc. Được mô-men dư nhưng khớp chậm, robot không đạt thời gian chu kỳ, và mất khả năng cảm nhận lực. Sai lầm phổ biến nhất.
Tính mô-men chỉ ở tư thế trung bình. Phải tính ở tư thế bất lợi nhất mà robot sẽ vào.
Quên tải mang. Cánh tay tính đủ cho chính nó nhưng thiếu khi cầm vật.
Quên khối lượng của các khớp phía sau. Khớp gốc phải mang toàn bộ khối lượng của tất cả khớp phía ngoài nó cộng động cơ và hộp số của chúng. Đây là lý do khớp gốc luôn lớn nhất.
Không kiểm tốc độ. Tính mô-men kỹ rồi phát hiện robot quá chậm khi đã lắp xong.
Bỏ qua hiệu suất hộp số. Đặc biệt với hộp số vít me hiệu suất thấp, mất mát có thể tới một nửa.
Cách tránh. Lập bảng tính cho mọi khớp, tính cả trường hợp xấu nhất, và kiểm lại bằng cách đo dòng thật sau khi lắp. Chênh lệch giữa tính toán và thực tế thường lộ ra một giả định sai.
Thay đổi tỷ số trên hệ đã có
Tình huống thực tế khi robot không đạt yêu cầu.
Robot thiếu mô-men. Tăng tỷ số là cách rẻ nhất, nhưng sẽ chậm hơn. Kiểm xem thời gian chu kỳ có còn chấp nhận được không trước khi đổi.
Robot quá chậm. Giảm tỷ số, nhưng phải kiểm mô-men còn đủ không. Thường không đủ, và khi đó phải đổi động cơ.
Robot rung hoặc dao động. Có thể do quán tính quy đổi quá lớn. Giảm tỷ số hoặc chỉnh lại hệ số điều khiển.
Robot không cảm nhận được va chạm. Tỷ số quá cao. Giải pháp thực tế thường là thêm cảm biến lực thay vì đổi hộp số, vì đổi hộp số kéo theo thiết kế lại cơ khí.
Ràng buộc lắp lẫn. Hộp số cùng tỷ số khác nhau thường khác kích thước lắp. Đổi tỷ số ít khi là việc thay một linh kiện.
Lời khuyên. Tính kỹ ở giai đoạn thiết kế. Sửa tỷ số sau khi đã chế tạo hầu như luôn tốn hơn nhiều so với dành thêm một ngày tính toán ban đầu.
Câu hỏi thường gặp
Quy trình cơ bản để chọn tỷ số truyền?
Xác định mô-men và tốc độ khớp cần, nhân ra công suất để chọn động cơ, rồi tính tỷ số bằng tốc độ động cơ chia tốc độ khớp — và kiểm lại cả hai điều kiện mô-men và tốc độ.
Tỷ số ảnh hưởng thế nào tới khả năng cảm nhận lực?
Dưới tỷ số khoảng mười thì cảm nhận lực qua dòng động cơ khá tốt; trên năm mươi thì gần như không dùng được và phải có cảm biến lực riêng.
Sai lầm phổ biến nhất khi chọn tỷ số?
Chọn quá cao cho chắc. Được mô-men dư nhưng khớp chậm, không đạt thời gian chu kỳ, và mất khả năng cảm nhận lực.
Vì sao khớp gốc luôn lớn nhất?
Vì nó phải mang toàn bộ khối lượng của tất cả khớp phía ngoài cộng động cơ và hộp số của chúng, ngoài tải mang ở đầu tay.
Đọc thêm trong Động cơ & actuator và Vật liệu & kết cấu.
