Động cơ điện làm việc hiệu quả nhất ở tốc độ cao và mô-men thấp. Khớp robot cần đúng ngược lại. Hộp số làm phép đổi đó, và mọi lựa chọn về hộp số đều là đánh đổi giữa vài đại lượng.
Phép đổi cơ bản
Tỷ số truyền. Động cơ quay một trăm vòng, khớp quay một vòng — đó là tỷ số một trăm.
Mô-men nhân lên. Về lý thuyết, mô-men ở khớp bằng mô-men động cơ nhân tỷ số. Thực tế nhân thêm hiệu suất, thường tám mươi tới chín mươi phần trăm với hộp số tốt.
Tốc độ chia xuống. Khớp quay chậm hơn động cơ đúng bằng tỷ số.
Quán tính quy đổi. Đây là điểm ít người để ý. Quán tính của rotor nhìn từ phía khớp bị nhân với bình phương tỷ số. Với tỷ số một trăm thì rotor nhỏ trở thành quán tính rất lớn ở khớp.
Hệ quả của điều đó. Hộp số tỷ số cao làm khớp khó bị đẩy từ bên ngoài. Tốt cho việc giữ vị trí, xấu cho việc cảm nhận lực và cho chịu va đập.
Chọn tỷ số. Đủ để đạt mô-men cần thiết, không hơn. Tỷ số cao quá thì tốc độ khớp không đủ và robot chậm.
Hộp số harmonic
Loại phổ biến nhất trong cánh tay robot công nghiệp.
Nguyên lý. Một vành răng mềm bị biến dạng bởi một cam hình elip, ăn khớp với vành răng cứng có số răng chênh nhau ít. Mỗi vòng cam quay làm vành mềm dịch vài răng.
Điểm mạnh. Tỷ số rất cao trong một tầng — từ năm mươi tới hơn ba trăm. Gọn nhẹ. Gần như không có độ rơ, đây là ưu điểm quyết định với robot cần chính xác.
Điểm mạnh thứ hai. Đồng trục, nghĩa là trục vào và trục ra cùng đường tâm. Rất tiện cho thiết kế khớp.
Điểm yếu. Đắt. Vành răng mềm chịu biến dạng liên tục nên có tuổi thọ mỏi hữu hạn. Không chịu tải va đập tốt.
Điểm yếu thứ hai. Có độ đàn hồi xoắn — chịu tải thì xoắn một chút. Với ứng dụng chính xác cao thì phải tính tới.
Hỏng thế nào. Răng vành mềm mòn dần rồi nứt. Biểu hiện trước đó là độ rơ tăng và tiếng khác lạ.
Hộp số cycloidal và hành tinh
Cycloidal. Đĩa có biên dạng cong lăn lệch tâm trong vành có chốt. Tỷ số cao, chịu tải va đập rất tốt vì lực phân bố trên nhiều điểm tiếp xúc cùng lúc.
Chỗ dùng. Khớp gốc của robot công nghiệp lớn, nơi tải nặng và có va đập. Bền hơn harmonic đáng kể.
Nhược điểm. Nặng hơn, có độ rơ nhiều hơn harmonic, và chuyển động có gợn nhỏ do nguyên lý lệch tâm.
Hộp số hành tinh. Bánh răng trung tâm, các bánh răng hành tinh, vành răng ngoài. Tỷ số vừa phải mỗi tầng, ghép nhiều tầng để tăng.
Điểm mạnh. Rẻ hơn nhiều. Hiệu suất cao. Chịu tải tốt. Có sẵn ở mọi kích cỡ.
Điểm yếu. Có độ rơ, và độ rơ cộng dồn qua các tầng. Loại độ rơ thấp thì đắt lên đáng kể.
Chọn thế nào. Cần chính xác cao và gọn thì harmonic. Cần bền và chịu va đập thì cycloidal. Cần rẻ và chấp nhận độ rơ thì hành tinh. Ba lựa chọn này bao phủ phần lớn thiết kế thực tế.
Đai, xích và vít me
Các cách truyền động khác, dùng khi hình học yêu cầu.
Đai răng. Truyền chuyển động qua khoảng cách. Cho phép đặt động cơ xa khớp, giảm khối lượng ở đầu chi. Êm, rẻ, không cần bôi trơn.
Nhược điểm của đai. Giãn theo thời gian nên phải căng lại. Có độ đàn hồi. Có thể trượt răng khi quá tải.
Xích. Chịu tải lớn hơn đai, không trượt. Ồn, cần bôi trơn, nặng. Ít dùng trong robot chính xác.
Vít me bi. Đổi chuyển động quay thành chuyển động thẳng với hiệu suất cao. Dùng cho trục thẳng trong máy và robot kiểu Cartesian.
Vít me thường. Rẻ hơn nhiều, hiệu suất thấp, nhưng có tính tự hãm — không bị đẩy ngược khi mất điện. Có lúc đó là ưu điểm an toàn.
Thanh răng và bánh răng. Cho hành trình dài, ví dụ robot chạy trên ray. Đơn giản và bền.
Lưu ý chung. Mỗi khâu truyền động thêm vào đều thêm ma sát, độ rơ và một thứ nữa có thể hỏng. Thiết kế ít khâu hơn thường bền hơn.
Độ rơ và hệ quả thực tế
Khái niệm ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng robot.
Độ rơ là gì. Khoảng chết khi đổi chiều quay — động cơ quay một chút mà khớp chưa nhúc nhích.
Hệ quả một. Sai số vị trí phụ thuộc hướng tiếp cận. Robot tới một điểm từ bên trái và từ bên phải cho hai vị trí hơi khác nhau.
Hệ quả hai. Dao động trong điều khiển. Vòng phản hồi gặp khoảng chết thì dễ dao động quanh vị trí đích.
Hệ quả ba. Va đập trong hộp số khi đổi chiều tải, đẩy nhanh quá trình mòn.
Cách sống chung. Luôn tiếp cận điểm đích từ cùng một hướng. Đơn giản và hiệu quả, dùng rộng rãi trong máy công cụ.
Cách giảm. Dùng hộp số độ rơ thấp. Dùng cơ cấu tạo tải trước. Đặt cảm biến vị trí ở phía sau hộp số để vòng điều khiển thấy vị trí thật.
Theo dõi theo thời gian. Độ rơ tăng dần là chỉ báo mòn tốt nhất. Đo bằng cách khoá động cơ rồi lắc khớp và đo dịch chuyển.
Câu hỏi thường gặp
Hộp số ảnh hưởng gì tới quán tính?
Quán tính rotor nhìn từ phía khớp bị nhân với bình phương tỷ số truyền. Vì thế hộp số tỷ số cao làm khớp khó bị đẩy từ bên ngoài — tốt cho giữ vị trí, xấu cho cảm nhận lực.
Vì sao hộp số harmonic phổ biến trong cánh tay robot?
Vì nó cho tỷ số rất cao trong một tầng, gọn nhẹ, đồng trục và gần như không có độ rơ. Đổi lại là đắt, tuổi thọ mỏi hữu hạn và không chịu va đập tốt.
Khi nào chọn hộp số cycloidal?
Khi tải nặng và có va đập, thường ở khớp gốc robot công nghiệp lớn. Nó phân bố lực trên nhiều điểm tiếp xúc nên bền hơn harmonic đáng kể.
Cách đơn giản nhất để sống chung với độ rơ?
Luôn tiếp cận điểm đích từ cùng một hướng. Đơn giản, hiệu quả và được dùng rộng rãi trong máy công cụ.
Đọc thêm trong Động cơ & actuator và Vật liệu & kết cấu.
