Napędy w pojazdach AGV
Napędy w pojazdach AGV czy AMR wymagają niezwykle starannego doboru. Źle dobrane komponenty mogą fatalnie przełożyć się na niepowodzenie całej aplikacji i ostatecznie wykluczyć nasz pojazd w dalszych inwestycjach.
Ponieważ napęd do robotów AGV składa się z trzech kluczowych elementów takich jak sterownik, silnik i przekładnia, starannego wyboru i dokładnej analizy wymaga każdy z nich, z osobna. W tym artykule skupimy się na przekładniach planetarnych.
Dlaczego w ogóle potrzebujemy przekładni?
Typowe silniki BLDC (dlaczego takie silniki są lepszym rozwiązaniem dla pojazdów AGV omówimy w innym artykule) mają stosunkowo wysokie obroty i niski moment obrotowy. W zależności od wielkości i pożądanego udźwigu projektowanego przez nas pojazdu, musimy mieć odpowiedni zapas mocy do poruszenia naszego robota.Dla przykładu zbudujmy robota w oparciu o silnik 750W o następujących parametrach: moment znamionowy silnika wynosi 2,38Nm przy obrotach 1500RPM*. Koła napędowe jakie posiadamy, mają średnicę 160mm. Zwyczajnie prędkość pojazdów poruszających się po zakładach pracy jest nie większa niż 4km/h, lecz dodajmy do tego 25% zapas i niech maksymalna prędkość naszego robota wzrośnie do 5km/h.
Przy tych danych początkowych mamy następujące efekty.
Wspomniane 5km/h to ok. 1,39m/s. Nasze koło potrzebuje zatem obrócić się 2,76 razy na sekundę co daje nam 165,79 obrotów na minutę. Obroty nominalne naszego silnika to 1500RPM podzielone przez pożądane obroty na wyjściu daje nam przełożenie przekładni. Policzmy zatem 1500RPM na wejściu /165,79RPM na wyjściu = 9,047 - takie powinniśmy wybrać przełożenie. Dla przekładni planetarnych zwykle będziemy musieli wybrać przełożenie z przedziału 8, 9 lub 10. Wybieramy zatem przekładnie z przełożeniem i9 i przystępujemy do dalszych obliczeń.Nasz moment znamionowy silnika to 2,38Nm, nasze przełożenie to i=9, co daje nam finalnie moment 21,42Nm. Pamiętajmy jednak, że każde przełożenie niesie ze sobą straty energii. I w tym miejscu dochodzi do bardzo ważnej kwestii. Akademia OEM
Na jakie przekładnie się zdecydować?
Czym się sugerować? Który wybór będzie najbardziej opłacalny? Ten wątek zacznijmy od tego, że przekładnie planetarne dostępne na rynku charakteryzują się bardzo dużym rozrzutem, jeżeli chodzi o sprawność. Najtańsze przekładnie mają sprawność na poziomie 80%, średniej jakości - w okolicach 90% a najlepsze - powyżej 95%.Dla naszego przykładu policzmy co uzyskamy z poszczególnych przekładni.
- Przekładnia o sprawności 80% - 2,38Nm * i9 * 0,8 = 17,136Nm
- Przekładnia o sprawności 90% - 2,38Nm * i9 * 0,9 = 19,278Nm
Przekładnia Newstart Motion z serii PAD ma sprawność nie mniejszą niż 97% - 2,38Nm * i9 * 0,97 = 20,777Nm
Pojazdy AGV najczęściej mają 2 lub 4 koła napędowe. W naszym przykładzie bazujemy na robocie z napędem na 2 koła.
Dla takiego scenariusza mamy następujące momenty.
- Przekładnia o sprawności 80% - 17,136Nm * 2 koła = 34,272Nm
- Przekładnia o sprawności 90% - 19,278Nm * 2 koła = 38,556Nm
- Przekładnia o sprawności 97% - 19,278Nm * 2 kola = 41,554Nm
Taki zestaw pozwoli nam na zbudowanie robota o DMC 700kg przy założeniu, że jego masa własna to 200kg a pozostałe 500kg to ładunek
W parze ze sprawnością przekładni idzie także ich luz kątowy, jeden z istotniejszych parametrów przekładni. Tanie, nieefektywne przekładnie mają luz kątowy na poziomie 44, a nawet 60 minut kątowych. Przekładnie precyzyjne Newstart Motion oferują wysoką precyzję, a wspomniana w przykładzie przekładnia PAD064 ma luz kątowy na poziomie tylko 3 minut kątowych. Dla napędu z kołem 160mm jest to praktycznie niemierzalna wartość. Prawdopodobnie większe luzy wystąpią na łączeniu koła z przekładnią. Niemal każdy układ, który wymaga powtarzalności i precyzji, dąży do jak najmniejszych inercji, a precyzyjne przekładnie niewątpliwie przełożą się na lepszą jakość produktu końcowego, jakim w tym wypadku jest robot.
Model robota mobilnego o nośności 350kg z dwoma kołami napędowymi i centralnym kołem skrętnym.
Przekładnie dedykowane do systemu sterownia przygotowane do pracy z silnikami BLDC.
Przekładnie przeznaczone do budowy systemów podnoszenia na wózkach AGV AMR jako dodatkowe akcesorium.
Czy warto inwestować w jakość?
Jak widać, te proste obliczenia pokazują nam, dlaczego warto na etapie budowy robota pomyśleć o przekładniach, których sprawność jest naprawdę wysoka. Wyższa cena zakupu początkowo może zniechęcać. Jednak same liczby i wspomniane plusy pokazują drogę w jakim ta branża się rozwija, a producenci przekładni wychodzą naprzeciw producentom wózków AGV i AMR, oferując customizowane rozwiązania, dedykowane do konkretnych potrzeb. Aplikacje mobilne zależne od wbudowanego zasilania, wymagają bardzo rozważnego gospodarowania energią. Różnica sprawności między przekładniami jest dość duża. Od przekładni ślimakowych, po walcowe, czy planetarne, wewnątrz każdej z rodzin znajdziemy producentów oferujących rozwiązania o lepszej sprawności. Samo przyjrzenie się przekładniom planetarnym dobitnie pokazuje, że pomiędzy podstawowymi a topowymi rozwiązaniami możemy spodziewać się przeskoku nawet o kilkanaście %. Przy pracy na baterii każdy pojedynczy procent przekłada się na konkretny dodatkowy czas pracy na jednym ładowaniu. To z kolei determinuje całkowitą liczbę robotów niezbędnych do wykonywania misji logistycznych na zakładzie. Rozwiązania mniej energooszczędne wymagają większych nakładów finansowych co znacząco obniża konkurencyjność całego systemu. Inna ważna kwestia to spadek pojemności ogniw z biegiem czasu, który także należy uwzględnić w projektowaniu całego systemu.
* Firma OEM Automatic jest oficjalnym dystrybutorem firmy Fulling Motors, która jako producent może dowolnie modyfikować parametry silnika tak, by w pełni spełniał oczekiwania aplikacji. Typowe nominalne obroty silnika BLDC spotykane na rynku to 3000RPM.
Powiązane produkty
Seria NSQ
Przekładnia planetarna do montażu w piaście koła pojazdu AGV
- Przekładnia planetarna o zębach skośnych
- Rozmiar od 60 do 330 mm
- Moment nominalny do 6998 N
- Maksymalne obciążenie promieniowe do 60000 N
- Sprawność do 97%
Seria FL38SV
- Napięcie zasilania: 300V DC
- Moment nominalny: 0,16 lub 0,32 Nm
- Moc: 50 lub 100 W
- Silnik BLDC 10 polowy
- Wbudowany enkoder inkrementalny 2500 CPR
Seria FL60SV
- Napięcie zasilania: 48V DC (opcjonalnie 24V DC)
- Moment nominalny: 0,64 lub 1,27 Nm
- Moc: 200 lub 400 W
- Silnik BLDC 8 polowy
- Wbudowany enkoder inkrementalny 2500 CPR
Seria FL80SV
- Napięcie zasilania: 48V DC
- Moment nominalny: 2,38 lub 3,2Nm
- Moc: 750 lub 1000 W
- Silnik BLDC 8 polowy
- Wbudowany enkoder inkrementalny 2500 CPR
Seria FL110SV
- Napięcie zasilania: 60V DC
- Moment nominalny: 3 lub 4,5 Nm
- Moc: 942 lub 1413 W
- Silnik BLDC 8 polowy
- Wbudowany enkoder inkrementalny 2500 CPR
Mateusz Nowakowski 
