¿Por qué los robots industriales y los equipos de servicio pesado prefieren los reductores RV de doble disco?

Muchos ingenieros tienen la misma pregunta cuando se encuentran por primera vez con unreductor RV: si un solo disco cicloidal ya puede lograr la reducción de velocidad, ¿por qué los reductores RV utilizados en robots industriales casi siempre están diseñados con dos discos cicloidales?

Añadir un segundo disco implica más componentes, un montaje más complejo y mayores costes de fabricación. Entonces, ¿cuál es la razón?

La respuesta puede resumirse en una frase: el segundo disco no está principalmente para proporcionar reducción; está para mejorar la precisión, la estabilidad, la distribución de carga y la vida útil.

En este artículo, utilizamos nuestro modelo de ensamblaje de reductor RV y simulación de movimiento para explicar por qué la configuración de doble disco se ha convertido en la arquitectura predominante para robots industriales, máquinas herramienta, mesas giratorias y otros sistemas de transmisión de precisión para servicio pesado.

Nota: Los datos numéricos e imágenes de este artículo se basan en cálculos de simulación y se proporcionan únicamente como referencia.

¿Cómo funciona un reductor RV?

Un reductor RV, o reductor cicloidal de pasadores, tiene una cadena de transmisión relativamente corta.

El eje de entrada acciona un mecanismo excéntrico. El mecanismo excéntrico soporta los discos cicloidales, que engranan con los pasadores dentro de la carcasa de pasadores. El movimiento resultante se transmite después a la salida mediante el mecanismo de pasadores de salida.

A continuación se muestra una vista explosionada de nuestro modelo de ensamblaje NX, que incluye la carcasa de pasadores con 40 pasadores, cigüeñal, rodamientos excéntricos, dos discos cicloidales y disco de salida. Cada componente del modelo se genera directamente a partir de los parámetros de ingeniería del sistema de transmisión.

El principio de reducción puede resumirse de forma sencilla.

La carcasa de pasadores tiene 40 pasadores, mientras que el disco cicloidal tiene 39 dientes. Durante una revolución del cigüeñal, el disco cicloidal se desplaza hacia atrás una posición de diente. Por lo tanto, tras 39 revoluciones del cigüeñal, la salida completa una revolución:

i = 39

La simulación de movimiento proporciona una forma más intuitiva de comprender este proceso de transmisión.

¿Cuáles son los problemas de un reductor RV de un solo disco?

Problema 1: Desequilibrio de fuerza radial

El disco cicloidal funciona de forma excéntrica. Su masa excéntrica gira alrededor del centro, mientras que la carga de engrane también se concentra en un sector determinado.

En nuestro cálculo numérico mediante el método de la palanca, de los 40 pasadores, 19 cumplen las condiciones básicas de carga, mientras que aproximadamente 15 pasadores están realmente cargados en las condiciones analizadas.

El cálculo muestra que aproximadamente el 90 % de la carga se concentra en 11 pasadores dentro de un sector de 90°, lo que da un coeficiente de distribución de carga de:

Kγ = 1.71

En una configuración de un solo disco, este sector de carga concentrada gira junto con la masa excéntrica.

El resultado es un aumento de la vibración, el ruido y la carga sobre los rodamientos.

Para equipos de servicio pesado y articulaciones de robots industriales, estos efectos adquieren cada vez mayor importancia porque el reductor debe funcionar repetidamente con alto par y aceleraciones y deceleraciones frecuentes.

Ventajas de un reductor RV de doble disco

Un reductor RV de doble disco coloca axialmente dos discos cicloidales idénticos dentro de la transmisión.

El disco A funciona con la excentricidad +e, mientras que el disco B funciona con la excentricidad −e. Por lo tanto, las dos secciones excéntricas del cigüeñal están situadas a 180° entre sí.

Sin embargo, no basta con instalar dos discos idénticos separados 180°.

El disco B también debe girarse con un ángulo de fase específico:

Δφ = −180° / zc = −180° / 39 = −4.615°

Este detalle es especialmente importante durante el modelado y ensamblaje CAD.

Si un ingeniero simplemente duplica el primer disco cicloidal e instala los dos discos con una diferencia de fase cero, los orificios para pasadores no se alinearán correctamente y no podrá lograrse el efecto previsto de reducción de holgura.

El lado izquierdo de la comparación siguiente muestra la disposición de fase incorrecta de 0°, en la que los orificios para pasadores están visiblemente desalineados. El lado derecho muestra la disposición de fase correcta de −4.615°.

Ventaja 1: Cancelación de fuerzas inerciales

El disco A funciona con +e, mientras que el disco B funciona con −e.

Por lo tanto, las masas excéntricas se mueven en direcciones opuestas, lo que permite que sus fuerzas inerciales de primer orden se cancelen en gran medida entre sí.

Esto reduce la vibración y ayuda al reductor RV a funcionar con mayor suavidad.

Para las articulaciones de robots industriales, este es uno de los beneficios más directos de la arquitectura de doble disco.

Una menor vibración también puede reducir la carga dinámica sobre los rodamientos y otros componentes de transmisión.

Ventaja 2: La holgura puede reducirse mediante precarga

Para comprender por qué la estructura de doble disco puede reducir la holgura, primero debemos entender de dónde proviene la holgura.

En nuestro modelo, cinco fuentes principales de error se convirtieron al ángulo de salida mediante un cálculo basado en palancas.

Bajo las condiciones de tolerancia del ejemplo, la holgura del orificio del pasador de salida representó aproximadamente el 48 % de la holgura total calculada, lo que equivalía aproximadamente a la contribución combinada de las otras cuatro fuentes.

El propio perfil de diente cicloidal representó solo alrededor de una cuarta parte del total.

Esto significa que una parte importante de la holgura procede de la cadena de tolerancias, y no simplemente del perfil de diente cicloidal.

La diferencia de fase entre los dos discos cicloidales proporciona una forma de compensar parte de esta holgura.

Mediante el ajuste de fase, un disco puede posicionarse contra un lado de la holgura mientras el otro disco contacta con el lado opuesto.

El principio es similar al mecanismo anti-holgura de un husillo de bolas de doble tuerca precargada.

Sin embargo, existe una ventana de ingeniería importante que a menudo se pasa por alto.

Nuestro cálculo proporciona una ventana de fase de ensamblaje de aproximadamente:

ε* = 79″

Cuando el error de fase permanece dentro de esta ventana, el efecto de reducción de holgura sigue siendo eficaz.

Una vez que el error de fase supera la ventana permitida, los dos discos pueden comenzar a oponerse entre sí y bloquearse parcialmente. La holgura puede seguir disminuyendo, pero la fricción y el aumento de temperatura se producen al mismo tiempo.

Por lo tanto, la aceptación de un reductor RV de doble disco debe evaluar tanto la holgura como el par en vacío.

Considerar solo uno de estos parámetros puede dar una impresión engañosa de la calidad real del ensamblaje.

Ventaja 3: Reparto de carga

Los dos discos cicloidales proporcionan trayectorias de carga paralelas.

En condiciones teóricas ideales, cada disco soportaría aproximadamente el 50 % de la carga de transmisión.

En un reductor real, las tolerancias de fabricación y los errores de fase hacen que la carga no se divida perfectamente.

No obstante, la configuración de doble disco reduce significativamente la concentración de carga.

Más dientes pueden participar en la transmisión de carga, lo que puede reducir la tensión de contacto y mejorar la distribución del desgaste.

Esta característica de reparto de carga es especialmente valiosa en aplicaciones de alto par y larga vida útil.

Ventaja 4: Mayor rigidez torsional

La configuración de doble disco crea una trayectoria de transmisión paralela adicional.

Esto puede aumentar la rigidez torsional efectiva del sistema de transmisión y reducir el movimiento angular del extremo de salida bajo carga.

Para aplicaciones como robots de soldadura, robots de manipulación de materiales, mesas giratorias industriales y máquinas herramienta, la rigidez torsional es especialmente importante porque la salida debe mantener su posición bajo cargas externas variables.

Reductor RV de un solo disco frente a doble disco

El disco cicloidal adicional aumenta el número de componentes y la complejidad de ensamblaje, pero también aporta mejoras en el equilibrio de fuerzas, el reparto de carga, el control de holgura y la rigidez torsional.

¿Dónde se utilizan los reductores RV de doble disco?

Los reductores RV de doble disco se asocian ampliamente con aplicaciones que requieren alto par, alta rigidez, posicionamiento preciso y fiabilidad a largo plazo.

Los reductores RV HONPINE se utilizan actualmente en aplicaciones que incluyen brazos robóticos de servicio pesado, posicionadores industriales, mesas giratorias industriales y sistemas de máquinas herramienta.

Reductores RV para robots industriales

Las articulaciones de robots industriales no priorizan principalmente el ahorro del coste de un disco cicloidal.

Requieren una combinación de:

• Alta precisión de posicionamiento

• Alta rigidez torsional

• Baja holgura

• Alta capacidad de carga

• Larga vida útil

• Funcionamiento estable

• Alta fiabilidad

La arquitectura RV de doble disco añade complejidad de fabricación y ensamblaje, pero ofrece ventajas en la reducción de holgura, el control de vibración, el reparto de carga y la rigidez.

Por esta razón, los reductores RV de doble disco cicloidal con precarga de fase se utilizan ampliamente en articulaciones de robots industriales.

Las configuraciones RV de un solo disco se encuentran más comúnmente en sistemas didácticos, equipos experimentales o aplicaciones sensibles al coste, donde los requisitos de rigidez, vibración y funcionamiento prolongado en servicio pesado son menores.

Reductores RV para posicionadores industriales

Los posicionadores industriales comparten una característica importante con las articulaciones de robots: a menudo manipulan grandes cargas mientras que el eje de salida también está expuesto a cargas excéntricas y momentos de vuelco.

Un posicionador de soldadura, por ejemplo, necesita girar una pieza de trabajo mientras mantiene un posicionamiento estable.

Si el reductor tiene una holgura excesiva o una rigidez torsional insuficiente, la salida puede experimentar pequeños movimientos angulares durante la aceleración, la deceleración, la inversión de dirección o la carga externa procedente del proceso de soldadura.

Por lo tanto, los posicionadores industriales prestan especial atención a:

• Par de salida

• Rigidez torsional

• Holgura

• Momento de vuelco admisible

• Funcionamiento de arranque y parada de alta frecuencia

• Vida útil operativa a largo plazo

Estas son también áreas en las que la arquitectura RV de doble disco puede proporcionar importantes ventajas mecánicas.

Reductores RV para mesas giratorias industriales

Las mesas giratorias industriales de servicio pesado, las mesas giratorias robóticas, las mesas de soldadura y las mesas de posicionamiento de precisión imponen exigencias similares al sistema de transmisión.

El requisito no es simplemente hacer girar la mesa.

El sistema debe girar con precisión una carga grande hasta la posición objetivo y mantener un posicionamiento estable después de que se detenga el movimiento.

Por esta razón, los parámetros importantes de un reductor RV utilizado en una mesa giratoria incluyen:

• Holgura

• Rigidez torsional

• Capacidad de carga axial y radial

• Momento de vuelco admisible

• Par de salida

• Precisión de posicionamiento

• Fiabilidad operativa a largo plazo

Por lo tanto, un reductor RV de doble disco puede ser especialmente adecuado para aplicaciones giratorias que requieren alta carga y posicionamiento estable.

¿Por qué la configuración de doble disco es la arquitectura RV predominante?

La función de reducción de un reductor RV proviene de la transmisión cicloidal de pasador-diente.

El disco cicloidal adicional no crea fundamentalmente la relación de reducción.

Su valor principal reside en mejorar el comportamiento mecánico del sistema de transmisión.

La estructura de un solo disco responde a la pregunta básica:

¿Puede el mecanismo lograr reducción de velocidad?

La estructura de doble disco responde a preguntas más exigentes:

¿Puede reducir la vibración, distribuir la carga, controlar la holgura, aumentar la rigidez y funcionar de forma fiable durante una larga vida útil?

Esta distinción explica por qué los reductores RV de doble disco se utilizan ampliamente en robots industriales, máquinas herramienta, mesas giratorias de servicio pesado y otras aplicaciones de transmisión de precisión.

Por lo tanto, la pequeña diferencia de fase de −4.615° de este ejemplo es mucho más que un detalle de ensamblaje CAD. Es uno de los factores clave que convierte dos discos cicloidales en un sistema coordinado de transmisión de precisión.