Reductores de precisión para robots industriales: de la transmisión convencional a la tecnología de compensación automática de holgura

Hola a todos, soy Theodore Li, Director Técnico de HONPINE. Hoy me gustaría hablar sobre reductores de precisión para robots industriales.

¿Qué es un reductor de precisión?

Según las clasificaciones industriales de uso común, los reductores de precisión se caracterizan generalmente por un bajo error de transmisión y holgura, con requisitos de precisión que normalmente alcanzan el nivel de minuto de arco o superior.

La holgura es uno de los factores clave que afectan al rendimiento de posicionamiento. La separación entre engranajes acoplados puede crear movimiento perdido entre los ejes de entrada y salida, afectando directamente a la precisión de posicionamiento, la repetibilidad y el rendimiento del control de movimiento.

Según el mecanismo de transmisión principal, los reductores de precisión pueden dividirse generalmente en cuatro categorías principales.

Reductores cicloidales de precisión

Los reductores RV y los reductores cicloidales de pasador son ejemplos representativos. Ofrecen una alta capacidad de carga y buena resistencia a las cargas de impacto, pero sus estructuras son relativamente complejas y los costes de fabricación pueden ser elevados.

Reductores armónicos

La transmisión armónica se basa en la deformación elástica del flexspline para transmitir movimiento y par. Esta arquitectura proporciona altas relaciones de reducción, dimensiones compactas y alta precisión de transmisión, pero su rigidez torsional y capacidad de carga pueden ser inferiores a las de algunas arquitecturas de transmisión rígida, lo que hace que la selección de la aplicación sea especialmente importante en condiciones de carga pesada.

Reductores planetarios de precisión

La transmisión planetaria ofrece alta eficiencia, alta densidad de par y una estructura de transmisión relativamente rígida. Sin embargo, las arquitecturas planetarias convencionales suelen presentar limitaciones en la relación de reducción de una sola etapa y la holgura en comparación con las tecnologías especializadas de transmisión de precisión.

¿Por qué los robots industriales exigen mayores prestaciones a los reductores de precisión?

Las aplicaciones de robots industriales se han desarrollado en segmentos altamente especializados. Los diferentes niveles de carga útil, procesos, perfiles de movimiento y configuraciones de articulaciones imponen distintos requisitos de precisión de transmisión, capacidad de par, rigidez y vida útil.

Por lo tanto, el reductor de precisión adecuado puede variar no solo entre diferentes tipos de robots industriales, sino también entre distintas articulaciones del mismo robot.

Robots de seis ejes con carga útil inferior a 10 kg

En los robots ligeros de seis ejes, suelen priorizarse las dimensiones compactas y la precisión.

Las seis articulaciones pueden utilizar reductores armónicos, especialmente cuando el robot requiere una transmisión compacta con una alta relación de reducción y un control preciso del movimiento.

El tamaño compacto, el bajo peso, la alta relación de reducción y la precisión de la transmisión armónica la hacen adecuada para robots ligeros que operan dentro de envolventes mecánicas restringidas.

Robots de seis ejes con carga útil de 10–50 kg

Los robots de seis ejes de carga útil media se utilizan habitualmente en aplicaciones como la manipulación de componentes de automoción, el procesamiento de metales y otras operaciones industriales que requieren un equilibrio entre capacidad de carga útil, precisión de movimiento y estabilidad.

Estos robots pueden combinar reductores armónicos y RV según los requisitos de las diferentes articulaciones.

Por ejemplo, la transmisión armónica puede utilizarse en las articulaciones de muñeca y efector final, donde son importantes las dimensiones compactas, las altas relaciones de reducción y el movimiento preciso, mientras que la transmisión RV puede utilizarse en articulaciones de mayor carga que requieren mayor rigidez y capacidad de carga.

Robots de seis ejes con carga útil superior a 50 kg

Los robots de seis ejes de carga útil pesada requieren una alta capacidad de carga y precisión estable en condiciones de funcionamiento exigentes.

Los reductores RV se utilizan ampliamente en articulaciones robóticas de alta carga porque su arquitectura de transmisión proporciona alta rigidez y puede soportar cargas radiales y axiales considerables.

Estas características son especialmente importantes cuando los robots de carga útil pesada se utilizan para manipulación de materiales, soldadura, mecanizado y otras operaciones con piezas de trabajo grandes.

Robots SCARA con carga útil inferior a 20 kg

Los robots SCARA imponen requisitos especialmente elevados en cuanto a precisión de posicionamiento y repetibilidad.

Por lo tanto, las articulaciones rotativas requieren sistemas de transmisión con buena precisión y respuesta dinámica. La transmisión armónica puede utilizarse en articulaciones rotativas, mientras que el mecanismo vertical del eje Z puede utilizar una transmisión planetaria, una transmisión por correa u otra arquitectura adecuada de movimiento lineal.

Robots paralelos y Delta

Los robots paralelos y Delta se caracterizan por una alta velocidad y alta rigidez estructural, mientras que los requisitos de transmisión de sus articulaciones están fuertemente influenciados por la arquitectura y el perfil de movimiento del robot.

Muchos robots paralelos utilizan cajas de engranajes planetarios de relación relativamente baja en las articulaciones de base para facilitar el movimiento a alta velocidad y mantener baja la inercia reflejada.

Según el diseño, también puede utilizarse transmisión cicloidal o armónica en las articulaciones de base.

Para ejes adicionales o mecanismos situados al final del brazo, se utilizan habitualmente cajas de engranajes planetarios. Sin embargo, en aplicaciones de montaje de alta precisión, también puede seleccionarse un reductor armónico para la articulación final a fin de mejorar el rendimiento de posicionamiento.

¿Por qué los reductores planetarios convencionales enfrentan un desafío de precisión?

En muchas aplicaciones de fabricación de precisión, los sistemas de transmisión armónica y RV han ocupado tradicionalmente posiciones importantes en la robótica industrial.

Los reductores planetarios convencionales, pese a su alta eficiencia, rigidez y densidad de par, se han enfrentado históricamente a desafíos para alcanzar el mismo nivel de precisión e integración compacta que los sistemas especializados de transmisión armónica o RV.

Las cajas de engranajes planetarios de precisión de gama alta aún pueden lograr una holgura muy baja y seguir siendo adecuadas para aplicaciones exigentes. Algunos productos planetarios de precisión pueden alcanzar niveles de holgura inferiores a 60 arcsec, proporcionando una alternativa para aplicaciones que requieren alta precisión de posicionamiento.

Sin embargo, una alta precisión puede conllevar mayores costes de producto y plazos de entrega más largos, según el proveedor y la configuración.

A medida que el mercado de la robótica industrial continúa expandiéndose y los fabricantes de robots requieren ciclos de desarrollo más rápidos y cadenas de suministro más flexibles, surge una oportunidad para nuevas arquitecturas de transmisión planetaria de precisión.

El enfoque de HONPINE para la transmisión planetaria de precisión

En HONPINE, hemos estado trabajando en un enfoque diferente para la transmisión planetaria.

Mediante la introducción de tecnología de compensación automática de holgura, HONPINE busca mejorar la precisión, la rigidez y la retención de precisión de los sistemas de transmisión planetaria.

La tecnología está diseñada para aplicaciones como robots industriales y máquinas herramienta, donde mantener la precisión de transmisión durante el funcionamiento a largo plazo es especialmente importante.

El objetivo no es simplemente reducir la holgura inicial, sino abordar uno de los desafíos fundamentales de la transmisión de precisión: mantener la precisión a medida que los componentes mecánicos se desgastan con el tiempo.

¿Qué desafíos técnicos pueden abordar los actuadores planetarios autocompensables?

Los sistemas tradicionales de transmisión de precisión enfrentan un problema inevitable: el desgaste mecánico puede afectar gradualmente a la precisión de transmisión.

Durante el funcionamiento a largo plazo, el engrane continuo de los engranajes y los ciclos de carga repetidos pueden modificar la holgura efectiva entre los componentes acoplados. A medida que aumenta la holgura, puede aumentar el movimiento perdido y la precisión de posicionamiento puede deteriorarse gradualmente.

En equipos como robots industriales y máquinas herramienta, esta pérdida de precisión puede acabar afectando a la calidad del proceso, la repetibilidad y la vida útil.

La tecnología de compensación automática de holgura proporciona un enfoque diferente para este problema.

Compensación automática de holgura durante el desgaste

A diferencia de las estructuras convencionales pasivas de reducción de holgura, una transmisión autocompensable incorpora un mecanismo de compensación adaptativa dentro del sistema de transmisión.

A medida que los componentes de transmisión experimentan desgaste, el mecanismo puede compensar los cambios en la holgura efectiva de los engranajes y mantener una relación de transmisión más estable.

El propósito es reducir la tasa de deterioro de la precisión de transmisión durante el funcionamiento a largo plazo y prolongar la vida útil de precisión efectiva del reductor.

Esta distinción es importante.

Reducir la holgura inicial y mantener una holgura baja durante toda la vida útil son dos objetivos de ingeniería diferentes. Por lo tanto, una transmisión de precisión debe evaluarse no solo por su especificación de holgura inicial, sino también por cómo cambia su precisión de transmisión después de un funcionamiento prolongado.

Tecnología de compensación automática de holgura para transmisión armónica

El enfoque de autocompensación de HONPINE no se limita a la transmisión planetaria.

También hemos desarrollado una arquitectura de transmisión armónica autocompensable de doble flexspline, diseñada para mantener una baja holgura efectiva durante el funcionamiento a largo plazo.

Transmisión armónica autocompensable de doble flexspline

La transmisión armónica de doble flexspline de HONPINE utiliza una disposición estructural que incluye flexsplines interior y exterior junto con un anillo limitador.

Esta arquitectura está diseñada para suprimir continuamente la holgura efectiva y mantener un rendimiento de transmisión estable durante el funcionamiento.

Según las pruebas internas de productos y los datos comparativos de HONPINE, el movimiento perdido de esta arquitectura puede ser aproximadamente la mitad del de reductores armónicos extranjeros comparables en las condiciones de prueba especificadas.

El rendimiento real depende del tamaño específico del producto, la metodología de prueba, la condición de carga y el sistema de medición, por lo que las comparaciones directas siempre deben realizarse utilizando condiciones de prueba equivalentes.

De la precisión inicial a la vida útil de precisión

Para los sistemas de transmisión de precisión, la precisión inicial es solo una parte de la ecuación de ingeniería.

Un reductor puede lograr una holgura excelente cuando es nuevo, pero si la holgura aumenta significativamente a medida que la transmisión se desgasta, la vida útil práctica de precisión del componente puede ser limitada.

Por este motivo, el enfoque de desarrollo de HONPINE se extiende desde la precisión inicial de transmisión hasta la retención de precisión durante la vida operativa.

Para robots industriales, máquinas herramienta y robots humanoides, esto implica evaluar no solo la holgura inicial y el rendimiento de posicionamiento, sino también cómo evolucionan las características de transmisión bajo movimientos, cargas y desgaste repetidos.

La tecnología de compensación automática de holgura está destinada a abordar este desafío de rendimiento a largo plazo compensando activamente los cambios en la holgura de transmisión, en lugar de depender únicamente de la tolerancia mecánica inicial del sistema de engranajes.

Conclusión

El desarrollo de reductores de precisión está avanzando más allá de la simple búsqueda de una menor holgura inicial.

Los robots industriales, las máquinas herramienta y los robots humanoides requieren sistemas de transmisión que combinen precisión, rigidez, dimensiones compactas, densidad de par y retención de precisión a largo plazo.

Los sistemas de transmisión armónica y RV siguen siendo tecnologías importantes para la robótica de precisión, mientras que la transmisión planetaria convencional continúa ofreciendo ventajas en eficiencia, rigidez y densidad de par.

La oportunidad de la transmisión planetaria y armónica autocompensable consiste en abordar la brecha entre estas características de rendimiento mediante la introducción de un mecanismo capaz de compensar los cambios de holgura de transmisión durante el funcionamiento a largo plazo.

En HONPINE, seguimos desarrollando tecnologías de transmisión de precisión en torno a este concepto, desde actuadores planetarios autocompensables hasta transmisión armónica de doble flexspline y transmisión armónica ligera basada en PEEK para robots humanoides.

Para nosotros, el objetivo no es simplemente lograr una alta precisión cuando una transmisión sale de fábrica. La cuestión más importante es cuánta de esa precisión puede conservarse durante toda la vida útil del robot o la máquina.