¿Qué son el par nominal, el par intermitente y el par máximo en un actuador armónico?

Al seleccionar unactuador armónico para una articulación robótica, los ingenieros suelen centrarse en su par máximo de salida. Sin embargo, un único valor de par no puede describir por completo la capacidad operativa de un actuador. Una articulación robótica puede necesitar soportar una carga de forma continua, generar un par más elevado durante movimientos periódicos o resistir impactos externos breves. Estas distintas condiciones de funcionamiento requieren valores nominales de par diferentes.

El par nominal, el par intermitente y el par máximo representan tres aspectos distintos del rendimiento de un actuador armónico. Comprender sus diferencias es esencial para evaluar la capacidad de carga continua, la capacidad de movimiento dinámico y los límites mecánicos. En robots humanoides, robots cuadrúpedos y brazos robóticos, seleccionar un actuador basándose únicamente en el par máximo puede provocar sobrecalentamiento, un desgaste acelerado de los componentes y una vida útil reducida.

1. Par nominal: la base del funcionamiento continuo

El par nominal es el par de salida que un actuador armónico puede proporcionar de forma continua en las condiciones de funcionamiento especificadas por el fabricante. Estas condiciones pueden incluir el rango de velocidad de funcionamiento admisible, la temperatura ambiente, las condiciones de refrigeración y otras especificaciones pertinentes.

Representa la capacidad de funcionamiento continuo del actuador y está estrechamente relacionada con su diseño térmico.

Durante el funcionamiento, el motor de par sin bastidor, el reductor armónico, los rodamientos, el encoder y otros componentes internos generan calor. El actuador debe disipar este calor eficazmente para mantener la temperatura de los componentes dentro de los límites admisibles.

Cuando funciona dentro de sus condiciones nominales, el actuador está diseñado para mantener un rendimiento estable durante periodos prolongados. Esto ayuda a proteger el motor, el reductor, los rodamientos y otros componentes frente a un esfuerzo térmico excesivo, lo que favorece la fiabilidad a largo plazo y un rendimiento de transmisión constante.

¿Por qué es importante el par nominal para la fiabilidad a largo plazo?

Si un actuador armónico funciona continuamente por encima de su par nominal, el calor generado puede superar su capacidad de disipación térmica. A medida que aumenta la temperatura, el aislamiento de los devanados del motor, la lubricación del reductor, los rodamientos y los componentes electrónicos pueden verse sometidos a un esfuerzo térmico adicional.

El funcionamiento prolongado con una carga excesiva puede acelerar el envejecimiento de los componentes, aumentar el desgaste mecánico y afectar al rendimiento de posicionamiento con el tiempo.

Por lo tanto, el par nominal debe ser la referencia principal al evaluar cargas que deban mantenerse de forma continua.

¿El par nominal solo se aplica a una velocidad específica?

No necesariamente. El par nominal no debe interpretarse como un valor de salida disponible únicamente a una velocidad nominal fija.

En un actuador armónico como el HONPINEde la serie HPJM, la capacidad de par continuo debe evaluarse en todo el rango de velocidades de funcionamiento especificado. Sin embargo, el par continuo admisible real puede variar en función de la velocidad de rotación, la temperatura ambiente, las condiciones de refrigeración, los límites de corriente del motor y la capacidad de carga del reductor.

Por tanto, los ingenieros deben consultar las curvas de par-velocidad y las especificaciones de funcionamiento del fabricante, en lugar de dar por sentado que se dispone del mismo par continuo a cualquier velocidad.

Aplicaciones habituales del par nominal

El par nominal es especialmente importante en aplicaciones con cargas relativamente estables y periodos de funcionamiento prolongados.

Por ejemplo, los robots humanoides necesitan un par articular continuo suficiente para mantener la postura de pie. Los sistemas transportadores y la maquinaria automatizada pueden necesitar mantener una salida estable con cargas relativamente constantes. Los equipos de rehabilitación médica también pueden requerir un funcionamiento continuo dentro de las condiciones de carga especificadas.

En estas aplicaciones, la carga de funcionamiento continuo debería mantenerse, por lo general, dentro del par nominal del actuador en las condiciones especificadas.

2. Par intermitente: gestión de movimientos periódicos con cargas elevadas

El par intermitente se refiere al par de salida más elevado que un actuador armónico puede proporcionar durante periodos limitados y bajo condiciones especificadas de ciclo de trabajo.

A diferencia del par nominal, el par intermitente no está destinado al funcionamiento continuo a plena carga. Está previsto para aplicaciones en las que la articulación soporta periódicamente cargas mayores, seguidas de periodos con cargas menores o intervalos de reposo.

Esta capacidad es especialmente relevante para los sistemas robóticos dinámicos, en los que el par articular cambia a lo largo de cada ciclo de movimiento.

Por ejemplo, la ficha técnica de un producto puede especificar un valor de par intermitente para un ciclo de servicio intermitente S3, con un ciclo de trabajo definido, como el 10 % o el 25 %.

El ciclo de trabajo indica la proporción del ciclo de funcionamiento especificado durante la cual el actuador funciona con la condición de carga definida. La duración de funcionamiento admisible y el periodo de reposo reales deben ajustarse a las especificaciones del fabricante.

La clasificación de par intermitente siempre debe interpretarse junto con su ciclo de trabajo, la duración del ciclo y las condiciones de funcionamiento.

¿Por qué no se puede utilizar el par intermitente en funcionamiento continuo?

Un par de salida más elevado suele requerir una mayor corriente del motor, lo que genera más calor.

Durante el funcionamiento intermitente, los periodos de carga menor o los intervalos de reposo permiten que el actuador disipe calor. Esto ayuda a mantener la carga térmica media dentro de los límites de funcionamiento especificados.

Sin embargo, si el actuador funciona continuamente al nivel de par intermitente, el calor puede acumularse más rápido de lo que se disipa. Esto puede provocar un aumento excesivo de la temperatura y acelerar el envejecimiento del aislamiento del motor, los componentes del reductor y los rodamientos.

El funcionamiento repetido por encima del ciclo de trabajo especificado también puede aumentar el esfuerzo mecánico y afectar a la estabilidad del posicionamiento a largo plazo.

Por lo tanto, el par intermitente no debe considerarse una alternativa al par nominal. Su uso debe respetar el ciclo de trabajo especificado y los límites térmicos.

¿Por qué es importante el par intermitente para los robots humanoides?

Las articulaciones de los robots humanoides soportan cargas que varían considerablemente al caminar, correr, ponerse en cuclillas, levantarse y realizar otros movimientos dinámicos.

Consideremos las articulaciones de las piernas durante un ciclo de marcha. Las distintas fases del movimiento imponen diferentes requisitos de par:

Fase de apoyo: Las articulaciones de las piernas soportan el peso del cuerpo y mantienen el equilibrio.

Fase de impulso: Las articulaciones generan un par más elevado para impulsar el cuerpo hacia delante.

Fase de balanceo: La pierna avanza con un perfil de carga y par diferente.

Aterrizaje y absorción del impacto: Las articulaciones responden a fuerzas externas cambiantes y a cargas dinámicas.

La fase de impulso y otras fases de carga elevada pueden requerir un par superior al nivel de funcionamiento continuo. La capacidad del actuador para soportar estos movimientos repetidos depende de su capacidad de par intermitente, el ciclo de trabajo, el rendimiento térmico y el perfil de movimiento real.

Se dan requisitos similares en los robots cuadrúpedos al trepar, acelerar y saltar, así como en los brazos robóticos que levantan y reubican piezas de trabajo repetidamente.

En estas aplicaciones, el par intermitente es un parámetro importante para evaluar el rendimiento dinámico de las articulaciones.

3. Par máximo: límite de funcionamiento de corta duración

El par máximo es el par de corta duración más elevado que un actuador armónico está diseñado para proporcionar o soportar en condiciones especificadas.

Representa un límite de funcionamiento transitorio determinado por las capacidades combinadas del motor, el reductor armónico, la estructura de salida, los rodamientos y otros componentes mecánicos y eléctricos.

La capacidad de par máximo depende de varios factores, entre ellos:

• La resistencia de la flexspline y la deformación admisible del reductor armónico.

  
  

• La resistencia mecánica de la brida de salida y el eje.

  
  

• Los límites de corriente del motor y sus características electromagnéticas.

  
  

• La capacidad de carga de los rodamientos.

  
  

• Los límites de esfuerzo estructural del conjunto del actuador.

A diferencia del par nominal, el par máximo no es una clasificación térmica para funcionamiento continuo. Generalmente está asociado a eventos transitorios breves, y su duración y frecuencia admisibles deben ajustarse a las especificaciones del fabricante.

¿Qué ocurre si se supera el par máximo?

Si el par aplicado supera el límite de par máximo especificado para el actuador, un esfuerzo mecánico o electromagnético excesivo puede dañar los componentes internos.

Según la magnitud y la duración de la sobrecarga, las posibles consecuencias incluyen la deformación permanente o el daño de la flexspline del reductor armónico, un esfuerzo excesivo en la brida de salida, daños en los rodamientos y un deterioro del rendimiento del motor.

Las condiciones de sobrecarga graves también pueden provocar un aumento del juego y una pérdida permanente de precisión de posicionamiento.

Aunque el actuador no falle de inmediato, los eventos de sobrecarga repetidos pueden causar daños mecánicos acumulativos y reducir su vida útil.

Por lo tanto, el par máximo debe tratarse como un límite de funcionamiento de corta duración, no como un objetivo de diseño normal.

¿Cuándo deben tener en cuenta los ingenieros el par máximo?

El par máximo es pertinente al evaluar condiciones transitorias breves, como perturbaciones externas repentinas, cargas de impacto de corta duración, desaceleración de emergencia o contactos inesperados.

En los robots humanoides, los ingenieros pueden tener que considerar las cargas transitorias causadas por contactos o impactos inesperados durante el funcionamiento.

Sin embargo, los movimientos previstos, como caminar, correr, saltar y ponerse en cuclillas, no deben depender del par máximo como capacidad de funcionamiento normal. Estos movimientos deben evaluarse con las especificaciones de par nominal e intermitente pertinentes, junto con el perfil de carga real.

4. Par nominal frente a par intermitente y par máximo: comprender las diferencias

Aunque los tres parámetros describen la capacidad de par de un actuador armónico, corresponden a distintas condiciones de funcionamiento.

La diferencia fundamental es sencilla:

El par nominal define la capacidad de salida continua del actuador.

El par intermitente define el par más elevado disponible en condiciones especificadas de ciclo de trabajo.

El par máximo define el límite de par de corta duración en condiciones transitorias especificadas.

Un actuador armónico con una clasificación de par máximo elevada no necesariamente tiene un par nominal elevado. Del mismo modo, un valor alto de par intermitente no significa que el actuador pueda mantener esa salida de forma continua.

Al comparar distintos actuadores, los ingenieros deben examinar las tres clasificaciones y comprender las condiciones especificadas para cada valor.

5. ¿Cómo deben seleccionar los ingenieros un actuador armónico según los requisitos de par?

La selección de un actuador armónico requiere algo más que comparar los valores de par máximo. Los ingenieros deben evaluar el perfil de carga real de la articulación robótica a lo largo de su ciclo de funcionamiento.

Una evaluación práctica comprende tres aspectos principales.

Evaluar la carga continua

En primer lugar, calcule el par necesario durante el funcionamiento prolongado.

Por ejemplo, un robot humanoide puede necesitar mantener la postura de pie durante un periodo prolongado. Las articulaciones de las piernas deben soportar el cuerpo de forma continua y mantener la estabilidad.

La carga continua calculada debe compararse con el par nominal del actuador para garantizar que la articulación pueda funcionar dentro de sus límites térmicos y mecánicos especificados.

Evaluar los movimientos periódicos con cargas elevadas

A continuación, identifique las fases del movimiento que requieren un par mayor.

En los robots humanoides, estas pueden incluir la fase de impulso, ponerse en cuclillas y levantarse. En los brazos robóticos, pueden incluir levantar y mover piezas de trabajo.

Los ingenieros deben evaluar el par necesario, la duración del funcionamiento, la frecuencia de los ciclos y el ciclo de trabajo, y después comparar estas condiciones con las especificaciones de par intermitente del actuador.

Comprobar las cargas transitorias

Por último, evalúe las sobrecargas breves causadas por impactos, fuerzas externas repentinas o desaceleraciones de emergencia.

El par transitorio máximo debe mantenerse dentro del límite de par máximo especificado para el actuador, con un margen de seguridad de ingeniería adecuado.

El par máximo no debe utilizarse como base para dimensionar una articulación que necesite funcionar de forma continua o repetida con un par elevado.

Considerar el perfil de funcionamiento completo

El par es solo uno de los aspectos que deben tenerse en cuenta al seleccionar un actuador armónico. Los ingenieros también deben considerar la velocidad de funcionamiento, la aceleración, el perfil de movimiento, la temperatura ambiente, las condiciones de refrigeración, las cargas radiales y axiales, los momentos de vuelco, la rigidez torsional, la precisión de posicionamiento y la vida útil del reductor.

En aplicaciones robóticas dinámicas, el rendimiento térmico y la capacidad de carga mecánica deben evaluarse conjuntamente.

Un actuador armónico adecuado no solo debe cumplir el requisito de par máximo de la articulación, sino también mantener un rendimiento fiable durante todo el ciclo de funcionamiento.

Conclusión

El par nominal, el par intermitente y el par máximo describen tres aspectos distintos de la capacidad operativa de un actuador armónico. El par nominal determina su capacidad de carga continua, el par intermitente se aplica a movimientos periódicos con cargas elevadas y el par máximo define su límite transitorio de corta duración.

En los robots humanoides y otros sistemas robóticos dinámicos, comprender estas diferencias ayuda a los ingenieros a evitar un dimensionamiento inadecuado del actuador y cargas de funcionamiento excesivas. En lugar de seleccionar un actuador armónico basándose únicamente en su par máximo, los ingenieros deben evaluar el perfil de movimiento completo, el ciclo de trabajo, las condiciones térmicas y los requisitos mecánicos de la articulación.