Este artículo proporciona el análisis y la introducción más completos de las cuatro categorías principales de reductores de precisión y explica sus tendencias futuras de desarrollo, especialmente los motores de precisión.

Clasificación de los reductores de precisión

Los reductores de precisión se clasifican principalmente en reductores armónicos, reductores planetarios, reductores RV y reductores cicloidales de ruedas de pasadores.

Reductor armónico de precisión

Un reductor armónico es un nuevo tipo de mecanismo de reducción que logra la transmisión mediante deformación elástica. Se aparta del modo tradicional de transmisión mecánica rígida y utiliza componentes flexibles para realizar la transmisión de potencia mecánica. Un reductor armónico consta principalmente de tres componentes básicos: un generador de ondas, un engranaje rígido con perfil de diente interno (corona circular) y un engranaje flexible con perfil de diente externo (corona flexible).

El generador de ondas es un componente de leva cuyos dos extremos presionan firmemente contra la pared interior de la corona flexible. La corona flexible es un engranaje de pared delgada capaz de grandes deformaciones elásticas. Cuando el generador de ondas se inserta en la corona flexible, obliga a que la sección transversal de la corona flexible cambie de una forma circular a una forma elíptica. En los dos extremos del eje mayor, los dientes de la corona flexible engranan completamente con los dientes de la corona circular, mientras que cerca de los dos extremos del eje menor, los dientes se desenganchan completamente de la corona circular.

Los reductores armónicos se caracterizan por relaciones de reducción grandes, contornos compactos, un número reducido de componentes y una alta eficiencia de transmisión. Por lo general, se instalan en el antebrazo, la muñeca o la mano de los robots.

Los reductores armónicos logran la reducción de velocidad y la amplificación de par mediante el movimiento diferencial de los dientes. El principio de funcionamiento típico adopta una configuración en la que el generador de ondas es la entrada, la corona circular está fija y la corona flexible es la salida. El generador de ondas elíptico está conectado al eje del motor y se instala dentro de la corona flexible circular, forzando la deformación elástica. En el eje mayor, los dientes de la corona flexible engranan completamente con los dientes de la corona circular, mientras que en el eje menor están completamente desenganchados, con las regiones restantes en un estado de engranaje transitorio. A medida que el generador de ondas gira continuamente, la corona flexible se deforma repetidamente y produce un movimiento diferencial de los dientes. El estado de engranaje cambia continuamente a través del engranaje, el engranaje completo, el desenganche y el reenganche, lo que hace que la corona flexible gire lentamente en relación con la corona circular en la dirección opuesta al generador de ondas, transmitiendo así el movimiento.

Reductor planetario de precisión

Un reductor planetario de precisión consta principalmente de un engranaje solar, engranajes planetarios, un portador planetario y una corona. Su principio de reducción se basa en la transmisión por engranajes. Durante el funcionamiento, un servomotor u otro motor primario impulsa el engranaje solar para que gire. El engranaje entre el engranaje solar y los engranajes planetarios hace que estos últimos giren sobre sus propios ejes. Al mismo tiempo, los engranajes planetarios engranan con la corona interna fijada a la carcasa, lo que les hace rodar a lo largo de la corona mientras giran, formando un movimiento de "revolución" alrededor del engranaje solar.

Los engranajes planetarios transmiten el movimiento al portador planetario, que está conectado al eje de salida y entrega el par de salida. Por lo general, varios engranajes planetarios funcionan simultáneamente, compartiendo la carga y accionando conjuntamente la salida.

Los reductores planetarios de precisión están disponibles principalmente en estructuras de una etapa y múltiples etapas. Los reductores planetarios de múltiples etapas añaden múltiples etapas basadas en un diseño de una etapa, con cada etapa compuesta por un engranaje solar, engranajes planetarios y una corona, formando una estructura en cascada para reducir aún más la velocidad de salida y aumentar el par. Aunque varios engranajes planetarios distribuyen la carga y mejoran la capacidad de carga, cada engranaje adicional reduce la eficiencia de transmisión. Para mantener la compacidad, los reductores planetarios de múltiples etapas suelen compartir una corona común, que también sirve como carcasa.

Reductor RV de precisión

Un reductor RV es un sistema de reducción de dos etapas compuesto por un reductor planetario de primera etapa y un reductor cicloidal de ruedas de pasadores de segunda etapa.

Reducción de primera etapa: el engranaje solar está conectado al motor, y el motor impulsa el engranaje solar para que gire. El engranaje solar impulsa los engranajes planetarios, que están conectados a un cigüeñal cuyos extremos delantero y trasero están conectados a los engranajes planetarios y a los engranajes RV (discos cicloidales). A medida que los engranajes planetarios giran, el cigüeñal gira a la misma velocidad. Debido al mayor número de dientes de los engranajes planetarios, su velocidad de rotación es menor que la del engranaje de entrada, logrando la reducción de primera etapa.

Reducción de segunda etapa: el eje de entrada es el cigüeñal de la primera etapa. Dos discos cicloidales (engranajes RV) están montados en la parte excéntrica del cigüeñal mediante rodamientos de agujas. El número de pasadores en el anillo de pasadores de la carcasa es uno más que el número de dientes en los discos cicloidales. Cuando el cigüeñal gira una revolución, los discos cicloidales completan un ciclo de movimiento excéntrico y giran un diente en la dirección opuesta al cigüeñal, logrando una mayor reducción.

Reductor cicloidal de ruedas de pasadores

El reductor cicloidal de ruedas de pasadores adopta la tecnología de transmisión cicloidal de precisión, propuesta por primera vez por el ingeniero alemán Lorenz Braren en 1926. Es una transmisión planetaria de pequeña diferencia de dientes que utiliza un perfil de diente epicicloidal. Debido a que sus componentes clave son discos cicloidales y ruedas de pasadores, se conoce como reductor cicloidal de ruedas de pasadores y es un tipo de reductor RV.

Específicamente, "cicloidal" se refiere al perfil real del disco cicloidal, que es una curva equidistante de una epicicloide corta. Según el método de rodadura interna, un círculo de rodadura rueda sin deslizamiento dentro de un círculo base fijo, creando una trayectoria cicloidal. Un punto fijo al círculo de rodadura traza una epicicloide corta durante el rodamiento. Al dibujar círculos de radio igual centrados en puntos a lo largo de esta trayectoria, la envolvente de estos círculos forma el perfil de diente real del disco cicloidal.

Características y escenarios de aplicación de diferentes reductores

Los reductores RV se caracterizan por su alta precisión, grandes relaciones de reducción, alta rigidez, fuerte capacidad de sobrecarga, larga vida útil y alta resistencia a la fatiga, con baja vibración, bajo ruido y bajo consumo de energía. Se utilizan comúnmente en articulaciones de robots con grandes requisitos de par, como las articulaciones de las piernas, la cintura y los codos, y en robots industriales de carga pesada. Los ejes primero, segundo y tercero suelen utilizar reductores RV. Debido a su amplio rango de relaciones de reducción, precisión estable, alta resistencia a la fatiga y alta rigidez y capacidad de par, los reductores RV son particularmente ventajosos en posiciones de carga pesada como brazos y bases de robots.

Los reductores armónicos se caracterizan por relaciones de reducción grandes y flexibles, alta precisión, tamaño compacto, peso ligero, transmisión suave, bajo ruido y la capacidad de transmitir movimiento en espacios sellados. En comparación con los reductores convencionales, los reductores armónicos logran el mismo par de salida con un tamaño más pequeño y un peso más bajo, lo que les da ventajas en los antebrazos, muñecas y manos de los robots. Sin embargo, su precisión de movimiento disminuye con el tiempo, por lo que generalmente se utilizan en robots industriales de carga ligera o en los ejes terminales de robots grandes, así como en equipos aeroespaciales, mecanizado de precisión y equipos médicos.

Los reductores planetarios se utilizan ampliamente en sistemas de accionamiento de servomotores, motores paso a paso y motores de corriente continua debido a su tamaño compacto y larga vida útil. Sin embargo, los reductores planetarios de una etapa tienen relaciones de reducción limitadas, y para lograr un par alto se requieren configuraciones de múltiples etapas, lo que aumenta el tamaño y el peso. Las aplicaciones incluyen robots móviles, equipos de energía renovable, máquinas herramienta de alta gama y transporte inteligente. El robot Optimus de Tesla utiliza reductores planetarios en manos diestras, mientras que algunos fabricantes de robots aplican reductores planetarios en piernas y articulaciones de cadera.

Los reductores cicloidales de ruedas de pasadores ofrecen alta capacidad de carga, precisión de transmisión relativamente alta, tamaño compacto, peso ligero y transmisión suave debido al engranaje múltiple. Aunque su estructura es compleja y su precisión es ligeramente inferior a la de los reductores armónicos, su alta capacidad de carga les da un fuerte potencial para su uso en articulaciones de alta carga como cinturas y caderas de robots humanoides.

Comparación de diferentes reductores de precisión

Reductor armónico: el principio de funcionamiento implica el movimiento del generador de ondas que impulsa la deformación de la corona flexible y el engranaje con la corona circular mediante una pequeña diferencia de dientes para lograr la reducción; la estructura consta de generador de ondas, corona flexible y corona circular; precio unitario más alto; peso más bajo; alta precisión de transmisión; eficiencia relativamente alta; relación de reducción alta; larga vida útil de diseño; rigidez torsional relativamente alta; ventajas incluyen alta relación de reducción, alta precisión, estructura compacta y peso ligero; desventajas incluyen capacidad de carga limitada y vida útil más corta.

Reductor planetario: el principio de funcionamiento implica que los engranajes planetarios giran bajo el impulso del engranaje solar; estructura simple que consta de engranaje solar, engranajes planetarios y corona; precio unitario más bajo; peso más bajo; precisión de transmisión media; alta eficiencia; relación de reducción moderada; larga vida útil de diseño; alta rigidez torsional; ventajas incluyen estructura simple y diseño compacto de una etapa; desventajas incluyen relación de reducción más baja y par de salida más bajo.

Reductor RV: transmisión de dos etapas con etapas planetarias y cicloidales; estructura compleja con muchos componentes; precio unitario alto; peso más alto; alta precisión de transmisión; alta eficiencia; relación de reducción alta; larga vida útil de diseño; alta rigidez torsional; ventajas incluyen fuerte capacidad de carga, alta rigidez torsional y precisión estable; desventajas incluyen tamaño grande y escenarios de aplicación limitados.

Reductor cicloidal de ruedas de pasadores: el principio de funcionamiento implica movimiento excéntrico que impulsa discos cicloidales para que giren alrededor de ruedas de pasadores mediante una pequeña diferencia de dientes; estructura incluye discos cicloidales, ruedas de pasadores y ejes excéntricos; precio unitario relativamente alto; peso más bajo; precisión de transmisión relativamente alta; alta eficiencia; relación de reducción alta; larga vida útil de diseño; alta rigidez torsional; ventajas incluyen gran capacidad de carga, tamaño compacto, peso ligero y transmisión suave; desventajas incluyen fabricación compleja y precisión más baja en comparación con los reductores armónicos.

Principios, parámetros, ventajas y desventajas de los reductores de precisión

Los indicadores técnicos clave de los reductores de precisión incluyen rigidez torsional, relación de reducción, eficiencia de transmisión, precisión de transmisión, error de transmisión, par de arranque, juego perdido y holgura.

La rigidez torsional se refiere a la capacidad de un componente para resistir la deformación torsional bajo par, o la relación entre el par de carga nominal y la deformación angular elástica, influenciada por el diseño estructural, el método de soporte de rodamientos, el tipo de rodamiento, la rigidez y precisión de los engranajes y la relación de reducción.

La relación de reducción es la relación entre la velocidad de entrada y la velocidad de salida; una relación de reducción más grande resulta en una velocidad de salida más baja y un par más alto, influenciada por el número de dientes de los engranajes y el número de etapas de reducción.

La eficiencia de transmisión es la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada y se ve afectada por la relación de reducción, la velocidad, el par de carga, la temperatura, las condiciones de lubricación, la selección de materiales, las etapas de transmisión, el diseño estructural, la precisión de los engranajes, el posicionamiento de los engranajes y la calidad de montaje.

La precisión de transmisión y el error de transmisión describen qué tan cerca coincide el ángulo de salida real con el ángulo teórico durante la rotación unidireccional de entrada; están influenciados por el diseño, el mecanizado, el montaje y la lubricación.

El par de arranque es el par requerido para el arranque sin carga y está influenciado por el diseño estructural, la relación de reducción, los coeficientes de fricción y la calidad de los rodamientos.

El juego perdido se refiere al retraso angular del eje de salida cuando el eje de entrada invierte la dirección y está influenciado por el diseño, la calidad de fabricación, el desgaste, la instalación y el ajuste.

La holgura se refiere al pequeño desplazamiento angular en la entrada cuando la salida y la carcasa están fijas y se aplica alternativamente ±2% del par nominal; está afectada por la precisión de los engranajes, la precisión de los rodamientos, el espesor de la película de aceite, la precisión de la máquina herramienta, la precisión de montaje y la temperatura de funcionamiento.

Por qué los motores de precisión son la tendencia futura

Un motor de precisión es un módulo integrado que combina un reductor de precisión con un motor. Con el rápido desarrollo de la automatización industrial, los robots humanoides, los equipos semiconductores y los dispositivos médicos, la demanda de soluciones integradas de reductor-motor sigue creciendo.

¿Qué es un motor de engranajes armónicos?

Un motor de engranajes armónicos consta de un engranaje armónico, un motor de par sin marco, un freno, un codificador y una unidad de accionamiento. Como componente central en la industria de la robótica, los avances en la tecnología de motores de engranajes armónicos seguirán promoviendo el desarrollo de robots especializados y robots humanoides hacia una mayor flexibilidad y escenarios de aplicación más amplios. Más allá de la robótica, los motores de articulación de robots también se utilizan en equipos semiconductores, equipos fotovoltaicos, equipos médicos de precisión, equipos 3C, equipos ópticos y otros campos.

¿Qué es un motor de reductor planetario?

El motor de reductor planetario es un componente central de los sistemas de potencia robóticos. A través de un diseño altamente integrado que combina un reductor planetario, un motor de par sin marco, un freno, un codificador y un controlador, logra una optimización significativa en volumen y peso y permite un control preciso del movimiento de las articulaciones. Esto resulta en un mayor par, un tamaño más pequeño y un peso más ligero. En comparación con los motores de engranajes armónicos, los motores de reductor planetario presentan relaciones de reducción más pequeñas, velocidades de salida más altas y una mayor densidad de par, lo que los hace más adecuados para aplicaciones de carga media a baja. También están disponibles servicios de personalización adaptados a los requisitos específicos del cliente. Con ventajas como alto rendimiento a alta velocidad, resistencia a los impactos y diseño compacto y ligero, los módulos de articulación planetarios estándar se han convertido en soluciones preferidas para robots humanoides, robots especializados, AGV logísticos y automatización industrial, impulsando un mejor rendimiento robótico y escenarios de aplicación ampliados.

¿Qué es un reductor RV con brida?

El reductor RV integrado con brida es un dispositivo de reducción de alta precisión diseñado para maquinaria avanzada. Su mecanismo interno presenta una combinación única de dos etapas de engranajes cicloidales y planetarios encerrados en una unidad sellada. El reductor se suministra completamente ensamblado con una brida integrada y prelubricado con grasa especial, lo que permite su instalación directa y uso inmediato con un servomotor sin preparación adicional.

Los reductores RV se utilizan comúnmente en robots industriales, particularmente en la base y articulaciones de alta carga (articulaciones 1 a 4) para brazos robóticos con cargas útiles de 20 kg o menos. Cuando la carga útil supera los 20 kg, generalmente se equipan las seis articulaciones con reductores RV. Estos reductores desempeñan un papel crítico en el mantenimiento de la precisión de posicionamiento.

El reductor RV integrado con brida es una versión especializada desarrollada mediante la incorporación de un sello de brida en el diseño tradicional del reductor RV. Similar a los reductores RV estándar, los modelos integrados con brida se clasifican en dos tipos: la Serie E integrada con brida con eje sólido y la Serie C integrada con brida con eje hueco.

Los reductores de precisión están evolucionando hacia mejoras simultáneas de rendimiento y una integración mecatrónica más profunda. En particular, los reductores armónicos deben adoptar la integración mecatrónica combinando reductores armónicos con motores, codificadores, frenos, sensores y otros componentes para proporcionar productos modulares de alto valor añadido, permitiendo mejores aplicaciones en robots humanoides, equipos semiconductores, sistemas ópticos e industrias de medición de precisión.