Actuador rotativo armónico: controlador integrado frente a controlador externo: ¿cuál es el adecuado para su aplicación?

Introducción

En las articulaciones robóticas, la automatización de precisión, los equipos semiconductores, los ejes giratorios CNC y los sistemas de posicionamiento de alta precisión, el actuador rotativo armónico se está convirtiendo en una solución cada vez más integrada para el movimiento rotativo.

En comparación con la combinación tradicional de un servomotor, un reductor armónico y un accionamiento externo, un actuador rotativo armónico puede integrar funciones como el motor, la transmisión armónica, el encoder, los rodamientos y el controlador del motor en una unidad de movimiento más compacta. Esto puede simplificar tanto el diseño mecánico como el eléctrico del sistema.

Sin embargo, los ingenieros suelen enfrentarse a otra decisión importante al seleccionar un actuador rotativo armónico: ¿debe utilizar un controlador integrado o un controlador externo?

No se trata simplemente de decidir qué configuración ofrece un mejor rendimiento. Ambas configuraciones están diseñadas para diferentes arquitecturas de sistema. La elección adecuada depende de factores como el espacio de instalación, el cableado, la gestión térmica, la arquitectura de control, los requisitos de mantenimiento y la aplicación específica.

Dos configuraciones de accionamiento para actuadores rotativos armónicos

Por lo general, los actuadores rotativos armónicos pueden dividirse en dos configuraciones según la ubicación del controlador del motor: controlador integrado y controlador externo.

Actuador rotativo armónico con controlador integrado

En una configuración con controlador integrado, el controlador del motor está integrado directamente en el actuador.

Esto permite que el actuador combine el motor, la transmisión armónica, el encoder y el controlador en una unidad compacta, proporcionando una solución de movimiento rotativo altamente integrada.

Esta configuración es especialmente adecuada para aplicaciones en las que el espacio de instalación, el cableado y la integración general del sistema son factores críticos.

Entre las aplicaciones típicas se incluyen las articulaciones de robots humanoides, los robots colaborativos, los brazos robóticos compactos, las articulaciones robóticas con limitaciones de espacio y los equipos de automatización compactos.

Para los fabricantes de robots, el principal beneficio no consiste simplemente en eliminar un controlador independiente. Más importante aún, un actuador altamente integrado puede simplificar el diseño mecánico y eléctrico de todo el módulo de articulación.

Actuador rotativo armónico con controlador externo

En una configuración con controlador externo, el controlador se instala por separado del actuador.

El actuador se centra en el sistema de movimiento mecánico y la retroalimentación de posición, mientras que el controlador del motor se ubica en otra parte de la máquina o en el armario de control.

Esta configuración proporciona una mayor flexibilidad en la distribución del sistema y en la arquitectura eléctrica.

En equipos de automatización multieje, varios controladores pueden instalarse juntos en un armario de control o en un gabinete eléctrico, en lugar de colocar la electrónica de accionamiento dentro de cada actuador mecánico.

Esta configuración es especialmente adecuada para mesas giratorias CNC, equipos semiconductores, sistemas de posicionamiento de precisión, sistemas de automatización multieje y robots industriales.

¿Por qué es importante la ubicación del controlador para el diseño del sistema?

En un motor convencional, la ubicación del controlador puede parecer principalmente una consideración del diseño eléctrico.

Sin embargo, en un actuador rotativo armónico, la integración del controlador puede afectar directamente al tamaño total de la articulación, la disposición del cableado, la gestión térmica y la arquitectura del sistema.

Por este motivo, la selección del actuador no debe basarse únicamente en el par nominal.

Los ingenieros también deben considerar el espacio de instalación, el recorrido de los cables, la refrigeración del controlador, la arquitectura de control, la sincronización multieje, los requisitos de mantenimiento, la temperatura ambiente, la carga de funcionamiento, el ciclo de trabajo y las dimensiones del actuador.

Por ello, el mismo actuador rotativo armónico puede requerir una configuración de controlador diferente según el equipo en el que se instale.

¿Cuándo es mejor elegir un controlador integrado?

Espacio limitado dentro de la articulación robótica

Los robots humanoides, los robots colaborativos y los brazos robóticos compactos suelen disponer de un espacio muy limitado dentro de sus articulaciones.

Con una configuración convencional, el sistema debe alojar no solo el motor y la transmisión armónica, sino también el controlador externo y las conexiones eléctricas asociadas.

Un actuador rotativo armónico con controlador integrado puede incorporar más funciones en el propio módulo de articulación, ayudando a reducir el espacio total de instalación.

Esto es especialmente importante para los robots humanoides, en los que cada articulación debe equilibrar el par, la velocidad, el tamaño, el peso y la complejidad del cableado.

Cableado interno complejo del robot

Los robots pueden contener un gran número de articulaciones controladas de forma independiente.

A medida que aumenta el número de grados de libertad, la gestión de las conexiones del motor, el encoder y el controlador puede volverse cada vez más compleja.

La integración del controlador en el actuador puede simplificar la arquitectura eléctrica de cada articulación y reducir la cantidad de cableado que debe tenderse a través de la estructura del robot.

Esto puede ser especialmente valioso para robots humanoides, robots colaborativos, brazos robóticos de seis ejes y otros sistemas con múltiples articulaciones.

Alto nivel de integración de la articulación

Si un fabricante de robots desea utilizar un módulo actuador de articulación robótica relativamente completo, en lugar de integrar por separado un motor, un reductor armónico, un controlador y un encoder, una configuración con controlador integrado puede ser una solución eficaz.

Una mayor integración puede reducir el trabajo de integración del sistema y acortar potencialmente el ciclo de desarrollo de las articulaciones robóticas.

¿Cuándo es mejor elegir un controlador externo?

Arquitectura de control centralizada

Los equipos de automatización industrial suelen utilizar un armario de control centralizado en el que se instalan conjuntamente varios servocontroladores.

Por ejemplo, una máquina multieje puede tener varios ejes giratorios controlados por accionamientos independientes ubicados en el mismo armario eléctrico.

En este tipo de arquitectura, un actuador rotativo armónico con controlador externo puede integrarse con mayor facilidad en el sistema de automatización existente.

Mayores requisitos de gestión térmica

Los controladores de motor generan calor durante el funcionamiento.

Cuando el controlador está integrado en el actuador, el sistema debe tener en cuenta la carga térmica combinada generada tanto por el motor como por el controlador.

Con un controlador externo, la electrónica de accionamiento puede instalarse en un gabinete más grande o en un entorno de refrigeración específico, lo que proporciona una mayor flexibilidad para la gestión térmica.

Esto puede resultar ventajoso para equipos que funcionan continuamente, soportan cargas elevadas, realizan aceleraciones y desaceleraciones frecuentes o contienen múltiples ejes.

Mantenimiento eléctrico flexible

Un controlador instalado externamente puede inspeccionarse, repararse o sustituirse de forma independiente del actuador mecánico.

En grandes sistemas de automatización industrial, esta arquitectura modular puede facilitar el mantenimiento y la resolución de problemas.

Por lo tanto, una mayor integración no significa necesariamente que un controlador integrado sea siempre la mejor solución.

Para los equipos industriales, la accesibilidad para el mantenimiento, la distribución del armario de control y la estandarización del sistema eléctrico pueden ser igualmente importantes.

Controlador integrado frente a controlador externo: ¿cómo elegir?

La elección debe basarse en la arquitectura general del sistema y no únicamente en el actuador.

Aplicación o requisito de diseño Configuración recomendada

No existe una única configuración ideal para todas las aplicaciones.

La opción más adecuada debe determinarse según la estructura mecánica, la arquitectura eléctrica, las condiciones térmicas y los requisitos de movimiento de la máquina completa.

¿Qué parámetros deben considerarse al seleccionar un actuador rotativo armónico?

Par de salida y velocidad de salida

El par nominal suele ser la primera especificación que consideran los ingenieros, pero siempre debe evaluarse junto con la velocidad de salida.

Las articulaciones robóticas suelen necesitar un equilibrio entre el par y la respuesta dinámica, mientras que los ejes giratorios de alta velocidad pueden dar mayor importancia al funcionamiento continuo a alta velocidad.

Por lo tanto, el actuador debe seleccionarse de acuerdo con el perfil de carga real y no únicamente con el par máximo.

Relación de reducción

La relación de reducción afecta al par de salida, la velocidad de salida, las condiciones de funcionamiento del motor y la respuesta dinámica.

Por lo tanto, debe seleccionarse de acuerdo con el punto de funcionamiento requerido del motor y la carga mecánica.

Inercia de carga

En articulaciones robóticas y sistemas de posicionamiento de alta velocidad, la inercia de carga afecta directamente al par requerido durante la aceleración y la desaceleración.

Por este motivo, la inercia de carga puede ser tan importante como el par nominal al seleccionar un actuador.

Configuración del encoder

Para el control de posición de alta precisión, los ingenieros deben considerar la resolución del encoder, la retroalimentación de una vuelta o de varias vueltas, la retroalimentación del lado del motor y la retroalimentación del lado de salida según los requisitos de la aplicación.

La configuración del encoder debe evaluarse junto con la precisión de posicionamiento requerida, la repetibilidad, la arquitectura de control y los requisitos de seguridad.

Ciclo de trabajo y condiciones térmicas

La carga térmica de un actuador puede ser muy diferente durante el funcionamiento continuo y durante una operación de pico de corta duración.

Por lo tanto, la selección real debe considerar conjuntamente el ciclo de trabajo, el par continuo, el par máximo, la velocidad de funcionamiento y la temperatura ambiente.

Esto es especialmente importante para los actuadores integrados compactos, ya que el motor y el controlador pueden compartir el mismo espacio de instalación limitado.

¿Cómo elegir la configuración de accionamiento adecuada para diferentes aplicaciones?

Robots humanoides y articulaciones robóticas compactas

En los robots humanoides y las articulaciones robóticas compactas, el espacio de instalación y el cableado suelen ser importantes limitaciones de diseño.

Un actuador rotativo armónico con controlador integrado puede proporcionar una solución de articulación altamente integrada y ayudar a reducir el espacio necesario para la electrónica de accionamiento externa.

Robots colaborativos y brazos robóticos

Los robots colaborativos y los brazos robóticos compactos requieren una combinación de alta densidad de par, posicionamiento preciso, dimensiones compactas e integración eficiente del sistema.

Una configuración con controlador integrado puede resultar especialmente atractiva cuando el actuador debe integrarse directamente en un módulo de articulación compacto.

Mesas giratorias CNC

Las mesas giratorias CNC suelen funcionar como parte de una arquitectura de control centralizada de la máquina.

En estas aplicaciones, un controlador externo puede proporcionar una mayor flexibilidad para la integración en el armario de control, la gestión térmica y el mantenimiento eléctrico.

Equipos de fabricación de semiconductores

Los equipos semiconductores suelen requerir una alta precisión de posicionamiento, un funcionamiento estable, un diseño mecánico compacto y unas condiciones térmicas controladas.

Por lo tanto, la elección entre un controlador integrado y uno externo debe basarse en el espacio de instalación disponible en el equipo, la arquitectura de control, el ciclo de funcionamiento y los requisitos térmicos.

Sistemas de automatización multieje

En las máquinas multieje, la arquitectura eléctrica adquiere una importancia cada vez mayor a medida que aumenta el número de actuadores.

Una configuración con controlador externo puede ser ventajosa cuando es necesario organizar y gestionar varios controladores de forma centralizada dentro de un sistema de control común.

¿Por qué es importante la selección basada en la aplicación?

Un proceso práctico de selección de un actuador rotativo armónico debe comenzar con los requisitos de la aplicación.

En primer lugar, los ingenieros deben definir los requisitos mecánicos, incluidos la carga, la velocidad, el par, la inercia, el ciclo de funcionamiento y las limitaciones de instalación. A continuación, la configuración de accionamiento adecuada puede seleccionarse según la arquitectura eléctrica y las condiciones térmicas de la máquina.

Solo después de establecer estos factores deben definirse el tamaño del actuador, la configuración del encoder, la interfaz de comunicación y demás especificaciones.

El objetivo no es simplemente seleccionar un actuador rotativo armónico con el mayor par nominal.

Para las articulaciones robóticas compactas, un controlador integrado puede ofrecer ventajas en términos de integración, cableado y aprovechamiento del espacio.

Para los equipos de automatización industrial con sistemas de control centralizados, un controlador externo puede proporcionar una mayor flexibilidad para la integración eléctrica, la refrigeración y el mantenimiento.

Soluciones de actuadores rotativos armónicos de HONPINE

HONPINE ofrece dos configuraciones de actuadores rotativos armónicos para responder a diferentes requisitos de los sistemas mecánicos y eléctricos: actuadores rotativos armónicos con controladores integrados y actuadores rotativos armónicos con controladores externos.

Las dos configuraciones permiten a los diseñadores de equipos seleccionar la arquitectura del actuador de acuerdo con los requisitos de la máquina completa, en lugar de estar limitados a una única configuración de accionamiento.

Para robots y módulos de movimiento altamente integrados, una configuración con controlador integrado puede ayudar a reducir el espacio de instalación y simplificar el cableado.

Para sistemas CNC, equipos semiconductores, sistemas de automatización multieje y máquinas que utilizan arquitecturas de control centralizadas, una configuración con controlador externo puede proporcionar una mayor flexibilidad para la integración eléctrica y la gestión térmica.

En última instancia, el objetivo no es determinar si un controlador integrado o externo es universalmente mejor. La elección adecuada es la configuración que mejor se adapte a la estructura mecánica, la arquitectura eléctrica, las condiciones térmicas y los requisitos de movimiento de la aplicación.