谐波旋转执行器：内置驱动器与外置驱动器——哪种适合您的应用？

简介

在机器人关节、精密自动化设备、半导体设备、CNC旋转轴和高精度定位系统中，谐波旋转执行器正逐渐成为一种高度集成的旋转运动解决方案。

与传统的伺服电机、谐波减速器和外置驱动器组合相比，谐波旋转执行器可以集成电机、谐波传动、编码器、轴承和电机驱动器等功能，从而形成更加紧凑的运动单元。这有助于简化机械和电气系统设计。

然而，工程师在选择谐波旋转执行器时通常还会面临另一个重要决策：执行器应采用内置驱动器还是外置驱动器？

这并不只是决定哪种配置能够提供更好的性能。两种配置分别针对不同的系统架构设计。正确的选择取决于安装空间、布线、热管理、控制架构、维护要求以及具体应用等因素。

谐波旋转执行器的两种驱动配置

根据电机驱动器的位置，谐波旋转执行器通常可分为两种配置：内置驱动器和外置驱动器。

带内置驱动器的谐波旋转执行器

内置驱动器配置是将电机驱动器直接集成到执行器中。

这样，执行器可以在紧凑的单元内集成电机、谐波传动、编码器和驱动器，提供高度集成的旋转运动解决方案。

这种配置特别适用于安装空间、布线和整体系统集成至关重要的应用。

典型应用包括人形机器人关节、协作机器人、紧凑型机械臂、空间受限的机器人关节以及紧凑型自动化设备。

对于机器人制造商而言，主要优势并不仅仅是省去了独立的驱动器。更重要的是，高度集成的执行器可以简化整个关节模块的机械和电气设计。

带外置驱动器的谐波旋转执行器

在外置驱动器配置中，驱动器与执行器分开安装。

执行器主要负责机械运动系统和位置反馈，而电机驱动器则安装在机器的其他位置或控制柜内。

这种配置可为系统布局和电气架构提供更大的灵活性。

对于多轴自动化设备，可以将多个驱动器集中安装在控制柜或电气箱内，而不是将驱动电子设备安装在每个机械执行器内部。

这种配置特别适用于CNC转台、半导体设备、精密定位系统、多轴自动化系统和工业机器人。

为什么驱动器位置会影响系统设计？

对于传统电机而言，驱动器的位置可能主要被视为电气设计方面的考虑因素。

然而，对于谐波旋转执行器而言，驱动器的集成会直接影响整体关节尺寸、布线方式、热管理和系统架构。

因此，执行器的选择不应仅依据额定扭矩。

工程师还应考虑安装空间、电缆走线、驱动器冷却、控制架构、多轴同步、维护要求、环境温度、工作负载、工作周期和执行器尺寸等因素。

这就是为什么同一款谐波旋转执行器，根据其所安装设备的不同，可能需要采用不同的驱动器配置。

什么时候内置驱动器是更好的选择？

机器人关节内部空间有限

人形机器人、协作机器人和紧凑型机械臂的关节内部通常具有非常有限的空间。

采用传统配置时，系统不仅需要容纳电机和谐波传动，还需要容纳外置驱动器及相关电气连接。

带内置驱动器的谐波旋转执行器可以将更多功能集成到关节模块本身，有助于减少整体安装空间。

这对于人形机器人尤其重要，因为每个关节都必须在扭矩、速度、尺寸、重量和布线复杂度之间取得平衡。

机器人内部布线复杂

机器人可能包含大量独立控制的关节。

随着自由度数量增加，电机、编码器和驱动器连接的管理可能变得越来越复杂。

将驱动器集成到执行器中，可以简化每个关节的电气架构，并减少需要穿过机器人结构进行布置的线缆数量。

这对于人形机器人、协作机器人、六轴机械臂和其他多关节系统尤其具有价值。

较高的关节集成度

如果机器人制造商希望采用相对完整的机器人关节执行器模块，而不是分别集成电机、谐波减速器、驱动器和编码器，那么内置驱动器配置可以成为一种有效的解决方案。

更高的集成度可以减少系统集成工作量，并有可能缩短机器人关节的开发周期。

什么时候外置驱动器是更好的选择？

集中式控制架构

工业自动化设备通常采用集中式控制柜，将多个伺服驱动器安装在一起。

例如，一台多轴机床可能具有多个旋转轴，并由安装在同一电气柜内的独立驱动器进行控制。

在这种架构中，外置驱动器式谐波旋转执行器可以更加容易地集成到现有自动化系统中。

更高的热管理要求

电机驱动器在运行过程中会产生热量。

当驱动器集成到执行器中时，系统必须考虑电机和驱动器共同产生的综合热负荷。

采用外置驱动器时，驱动电子设备可以安装在更大的机箱内或专用冷却环境中，从而为热管理提供更大的灵活性。

对于需要连续运行、处理高负载、频繁加减速或包含多个轴的设备，这种配置可能更具优势。

灵活的电气维护

外置安装的驱动器可以独立于机械执行器进行检查、维护或更换。

对于大型工业自动化系统，这种模块化架构可以使维护和故障排查更加方便。

因此，更高的集成度并不意味着内置驱动器始终是更好的解决方案。

对于工业设备而言，维护可达性、控制柜布局和电气系统标准化同样重要。

内置驱动器与外置驱动器：应如何选择？

选择应基于整体系统架构，而不是仅根据执行器本身。

应用或设计要求 推荐配置

没有一种配置能够适用于所有应用。

更合适的选择应根据整机的机械结构、电气架构、热条件和运动要求来确定。

选择谐波旋转执行器时应考虑哪些参数？

输出扭矩和输出速度

额定扭矩通常是工程师首先考虑的规格，但它始终应与输出速度结合进行评估。

机器人关节通常需要在扭矩和动态响应之间取得平衡，而高速旋转轴可能更加重视持续高速运行能力。

因此，应根据实际负载曲线选择执行器，而不是仅依据最大扭矩。

减速比

减速比会影响输出扭矩、输出速度、电机运行状态和动态响应。

因此，应根据电机所需的工作点和机械负载进行选择。

负载惯量

对于机器人关节和高速定位系统，负载惯量会直接影响加速和减速过程中所需的扭矩。

因此，在选择执行器时，负载惯量可能与额定扭矩同等重要。

编码器配置

对于高精度位置控制，工程师应根据应用要求考虑编码器分辨率、单圈或多圈反馈、电机侧反馈和输出侧反馈。

编码器配置应结合所需的定位精度、重复定位精度、控制架构和安全要求进行评估。

工作周期和热条件

执行器在连续运行和短时峰值运行条件下的热负荷可能存在很大差异。

因此，实际选型应综合考虑工作周期、连续扭矩、峰值扭矩、运行速度和环境温度。

对于紧凑型集成执行器而言，这一点尤其重要，因为电机和驱动器可能共享同一有限的安装空间。

如何为不同应用选择合适的驱动配置？

人形机器人和紧凑型机器人关节

对于人形机器人和紧凑型机器人关节，安装空间和布线通常是主要设计约束。

带内置驱动器的谐波旋转执行器可以提供高度集成的关节解决方案，并有助于减少外部驱动电子设备所需的空间。

协作机器人和机械臂

协作机器人和紧凑型机械臂需要兼顾高扭矩密度、精确定位、紧凑尺寸和高效系统集成。

当执行器需要直接集成到紧凑型关节模块中时，内置驱动器配置尤其具有吸引力。

CNC转台

CNC转台通常作为集中式机床控制架构的一部分运行。

在这些应用中，外置驱动器可以在控制柜集成、热管理和电气维护方面提供更大的灵活性。

半导体制造设备

半导体设备通常要求高定位精度、稳定运行、紧凑的机械设计和受控的热条件。

因此，内置驱动器和外置驱动器之间的选择，应根据设备可用安装空间、控制架构、运行周期和热管理要求来确定。

多轴自动化系统

对于多轴设备，随着执行器数量增加，电气架构变得越来越重要。

当多个驱动器需要在公共控制系统内集中布置和管理时，外置驱动器配置可能更具优势。

为什么基于应用进行选型很重要？

实际的谐波旋转执行器选型过程应从应用需求开始。

工程师应首先明确机械要求，包括负载、速度、扭矩、惯量、运行周期和安装限制。随后，可根据设备的电气架构和热条件选择合适的驱动配置。

只有在确定这些因素后，才应最终确定执行器尺寸、编码器配置、通信接口和其他规格。

目标并不是简单地选择额定扭矩最高的谐波旋转执行器。

对于紧凑型机器人关节，内置驱动器在集成、布线和空间利用方面可以提供优势。

对于采用集中式控制系统的工业自动化设备，外置驱动器可以在电气集成、冷却和维护方面提供更大的灵活性。

HONPINE谐波旋转执行器解决方案

HONPINE提供两种谐波旋转执行器配置，以满足不同的机械和电气系统要求：带内置驱动器的谐波旋转执行器和带外置驱动器的谐波旋转执行器。

这两种配置使设备设计人员能够根据整机要求选择执行器架构，而不受单一驱动配置的限制。

对于机器人和高度集成的运动模块，内置驱动器配置有助于减少安装空间并简化布线。

对于CNC系统、半导体设备、多轴自动化设备以及采用集中式控制架构的机器，外置驱动器配置可以在电气集成和热管理方面提供更大的灵活性。

最终，目标并不是判断内置驱动器或外置驱动器哪一种在所有情况下都更好。正确的选择应是最符合应用机械结构、电气架构、热条件和运动要求的配置。