Robótica Industrial
Prof. Daniel Hasse
Robótica Industrial
Aula 4 - Componentes II
Sistemas de Transmissão
Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira
Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc
Robótica Industrial
Sistemas de Transmissão
Características:
-Tamanho compacto
- Baixa inércia
- Alta rigidez
- Alta eficiência
- Alta precisão (sem folgas e sem não linearidades)
Componentes:
- Redutores de velocidade
- Sistema de transmissão de movimento a distância
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Sistemas de Transmissão
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Sistemas de Transmissão
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Sistemas de Transmissão
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Sistemas de Transmissão
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Redutores de Velocidade
Características desejadas:
• Alta rigidez;
• Alto torque;
• Alta relação de redução;
• Compacto (pequeno volume);
• Baixo peso e baixa inércia;
• Precisão (sem folga, baixo erro na relação de transmissão);
• Qualidade de movimento (baixa flutuação de velocidade);
• Baixo custo;
• Alta eficiência (rendimento).
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Redutores de Velocidade – Problemas principais
Tamanho:
• Redutores comuns com alta relação de redução ⇒ grandes, pesados e alta inércia;
• Configurações especiais ⇒ redutores planetário e harmônico são bem compactos.
Folga:
• Causadas por erro na distância entre centros e desgaste dos dentes;
• Podem ser eliminadas com:
– Correção de dentes ⇒ diminuir distância entre centros (não é uma solução
definitiva);
– Engrenagens bipartidas e com molas ⇒ rigidez depende da mola.
– Dente com rasgo ⇒ diminui rigidez.
Redutores de engrenagem comuns não são utilizados na robótica devido à presença de
folga e serem poucos compactos.
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Robótica Industrial
Redutores de Velocidade – Métodos para eliminar folgas
Engrenagem bipartida com molas
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Robótica Industrial
Redutores de Velocidade – Tipos de redutores
Os tipos de redutores mais utilizados na robótica estão apresentados a
seguir:
• Planetário;
• Harmônico;
• Cicloidal.
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Sistemas de Transmissão - engrenagens
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Sistemas de Transmissão - engrenagens
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Engrenagens – Relação de transmissão
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Engrenagens – Relação de transmissão
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Engrenagens – Relação de transmissão
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Redutores de Velocidade – redutor Planetário
•
•
•
•
Reduções de até 12:1 em um único estágio.
Três graus de liberdade:
– Três eixos disponíveis;
– Várias possibilidades para eixos de
entrada e saída.
Pode funcionar como diferencial;
Apresenta folga.
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Redutores de Velocidade – redutor Planetário
•
Componentes:
3
1. Engrenagem sol;
2. Engrenagem planeta;
3. Engrenagem interna (anel externo);
1
2
4
4. Braço.
Vista frontal
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Redutores de Velocidade – redutor Planetário
•
Relação de transmissão:
– 1 sol;
– 2 planeta;
– 3 engrenagem interna (anel externo);
– 4 braço.
1
2
3
4
Rotação do elemento em
relação ao braço
n1,4
n2,4
n3,4
0
Rotação do braço
n4
n4
n4
n4
Rotação do elemento
n1
n2
n3
n4
3
1
2
4
Vista frontal
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Redutores de Velocidade – redutor Planetário
•
Rotações absolutas dos elementos:
n1  n 4  n1, 4
n2  n4  n2, 4
n 3  n 4  n 3, 4
n4  n4
•
Relações de engrenamento:
n1, 4
n2, 4
n2, 4
n 3, 4

 Z2
Z
 n2, 4   1 n1, 4
Z1
Z2

Z3
Z
Z
 n3, 4  2 n2, 4   1 n1, 4
Z2
Z3
Z3
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Redutores de Velocidade – redutor Planetário
•
Equações do redutor planetário:
n1  n4  n1, 4
Z1
n2  n4 
.n1, 4
Z2
n3  n 4 
Z1
.n1, 4
Z3
Têm-se:
• 3 equações;
• 5 rotações;
• 3 números de dentes.
 Dadas 2 rotações obtém-se as outras três.
 Dadas 3 rotações calculam-se as engrenagens.
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Redutores de Velocidade – redutor Planetário
•
Forma mais usual de planetário:
– Engrenagem interna fixa: n3 = 0;
Anel externo
– Engrenagem sol  eixo de entrada;
Planeta
Braço
– Braço  eixo de saída;
Sol
– Relação de redução?
Eixo de
entrada
– Rotação do planeta?
Eixo
de
saída
– Número de dentes das engrenagens?
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Redutores de Velocidade – redutor Planetário
• Relação de redução:
n3  0  n1, 4
Z3

n4
Z1
Z3
n1  n4  .n4
Z1
 Z3 
 Z1  Z 3 



n1  n4 1    n4 
 Z1 
 Z1 
n1 Z1  Z 3

 i 1
n4
Z1
• Número de dentes:
Z1  Z 3
i
Z1
Z3
 i 1
Z1
Como D3  D1  2D2 ,
Z 3  Z1  2Z 2
Z 3  Z1
Z2 
2
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Redutores de Velocidade – redutor Planetário
• Exemplo:
– Rotação do sol (entrada): n1 = 3600rpm;
– Rotação do braço (saída): n4 = 300 rpm;
i
n1 3600

 12
n4
300
– Adotando Z1 = 20:
Z 3  Z1 (i  1)  20(12  1)  220
Z 3  Z1 220  20
Z2 

 100
2
2
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Redutores de Velocidade – redutor Planetário
•
Redutor planetário de duplo estágio composto:
– Altíssima relação de redução;
– Duas configurações possíveis;
– Teoricamente pode-se obter relação de redução infinita se
os dois estágios tiverem as mesmas dimensões;
n3(2)
n3(1)
n4
n2(2)
n2(1)
n1(1)
Entrada
n1(2)
Saída
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Redutores de Velocidade – redutor Harmônico (Harmonic Drive)
•
Altíssimas reduções ⇒ acima de 30:1;
•
Redutor mais compacto que existe;
•
Pode ser visto como sendo um planetário sem o sol ⇒ o
planeta cresceu tanto que fez o sol desaparecer;
•
Três graus de liberdade:
– Três eixos disponíveis;
– Várias possibilidades para eixos de entrada e saída.
•
Pode funcionar como diferencial.
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Redutores de Velocidade – redutor Harmônico (Harmonic Drive)
•
Vantagens:
– Exatidão e repetibilidade boas:
• Exatidão – ordem de minutos de arco;
• Repetibilidade – ordem de segundos de arco.
– Alta capacidade de torque e boa rigidez torcional:
• Capacidade semelhante a redutores com o dobro do tamanho.
– Baixíssima inércia.
– Folga-zero:
• Pré carga no engrenamento.
– Altas reduções:
• 30:1 até 320:1 em um único estágio.
– Altas eficiências
• Em torno de 85%.
– Desgaste mínimo
• Velocidades de escorregamento do engrenamento próximas de zero.
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Redutores de Velocidade – redutor Harmônico (Harmonic Drive)
•
Partes principais:
– Gerador de onda: came na forma elíptica;
– “Spline” flexível: engrenagem “fina” com dentes externos montada
sobre o gerador de onda (aço mola);
– “Spline” circular: componente sólido com dentes internos.
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Redutores de Velocidade – redutor Harmônico (Harmonic Drive)
•
Princípio de funcionamento:
– Engrenamento ocorre ao longo do eixo maior da elipse;
– Cada volta do gerador de onda move a spline flexível alguns
dentes  diferença de dentes entre a spline flexivel e a fixa.
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Redutores de Velocidade – redutor Harmônico (Harmonic Drive)
• Relação de transmissão
R 1
i
1
i  R
R 1
i
R
i = relação de transmissão = rotação de entrada/rotação de saída
R
Zr
Zr  Z f
Zr = número de dentes da spline circular
Zf = número de dentes da spline flexível
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Redutores de Velocidade – redutor Harmônico (Harmonic Drive)
•
Esquema de montagem
– Eixo de entrada e saída com apoio duplo pré-carregado na saída;
– Lubrificaçao e vedação presentes.
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Redutores de Velocidade – redutor Cicloidal
•
Altíssimas reduções  acima de 30:1.
•
Redutor compacto.
•
Caro  devido ao processo de fabricação das engrenagens.
•
Princípio de funcionamento do planetário.
•
Três graus de liberdade:
– Três eixos disponíveis;
– Várias possibilidades para eixos de entrada e saída.
•
Pode funcionar como diferencial.
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Redutores de Velocidade – redutor Cicloidal
•
Utiliza engrenagens com perfis cicloidais:
– Engrenagem comum  dente com perfil de envolvente;
– Engrenagem cicloidal  dente com perfil epitrocoidal (hipocicloide e
epicicloide).
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Redutores de Velocidade – redutor Cicloidal
Vantagens:
– Alta exatidão e repetibilidade:
• Exatidão – ordem de minutos de arco.
– Alta capacidade de torque e boa rigidez torcional:
• Vários dentes em contato simultaneamente.
– Folga-zero.
– Baixa inércia para acionamento.
– Altas reduções:
• 30:1 até 170:1 em dois estágios.
– Desgaste mínimo:
• Contatos de rolamento.
– Compacto.
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Redutores de Velocidade – redutor Cicloidal (Exemplo 1)
Exemplo de um redutor cicloidal  com configuração de um planetário
de dois estágios compostos.
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Redutores de Velocidade – redutor Cicloidal (Exemplo 1)
• Partes principais:
– Eixo de alta velocidade com excêntrico;
– Engrenagens cicloidais (2);
– Roletes;
– Eixo de baixa velocidade;
– Carcaça.
n3(2)
n3(1)
n4
n2
n2(2)
(1)
n1(2)
Entrada
Saída
n1(1)
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Redutores de Velocidade – redutor Cicloidal (Exemplo 2)
n3(2)
n3(1)
n4
n2
n1(1)
Entrada
n2(2)
(1)
n1(2)
Saída
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Redutores de Velocidade – redutor Cicloidal (Exemplo 2)
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Redutores de Velocidade – redutor Cicloidal
• Princípio de funcionamento:
– Eixo de alta velocidade movimenta um excêntrico;
– Excêntrico movimenta as engrenagens cicloidais;
– O movimento excêntrico das engrenagens cicloidais causa
seu engrenamento com os roletes fixos na parte interna da
carcaça;
– A cada revolução do excêntrico, as engrenagens cicloidais
giram um dente. Este movimento é transferido para o eixo de
saída;
– Durante o movimento, vários dentes das engrenagens
cicloidais permanecem em contato com vários roletes;
– No redutor do exemplo 2 existe uma redução a mais feita
através de engrenagens cilíndricas de dentes retos (ECDR).
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Redutores de Velocidade – redutor Cicloidal
Esquema de funcionamento:
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Redutores de Velocidade – redutor Cicloidal
•
Relação de transmissão
Z2
R  1  .Z 4
Z1
Z1 = número de dentes da engrenagem de entrada
Z2 = número de dentes da engrenagem da manivela
Z4 = número de pinos.
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Sistema de transmissão de movimento a distância
•
Sistemas de transmissão de movimento.
– Características;
– Tipos:
• Correia dentada;
• Cabos;
• Hastes;
• Eixo cardan;
• Fuso de esferas recirculantes.
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Sistema de transmissão de movimento a distância
Características desejadas:
– Alta rigidez;
– Alta precisão (sem folga);
– Alta qualidade de movimento (baixa flutuação de
velocidade);
– Compacto (pequeno volume);
– Baixo peso e baixa inércia;
– Deve permitir movimentos amplos;
– Alta eficiência (rendimento).
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Sistema de transmissão de movimento a distância
Correia dentada:
•
Reduções até 7:1.
•
Elemento flexível.
•
Partes principais:
– Correia dentada;
– Polia dentada.
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Sistema de transmissão de movimento a distância
Correia dentada:
•
•
Vantagens:
– Boa capacidade de carga;
– Altas velocidades de deslocamento;
– Sem necessidade de lubrificação;
– Possibilidade de acionamento de múltiplos eixos;
– Sem limitação de movimento.
Desvantagens:
– Flexibilidade baixa;
– Utilizada na robótica quando os esforços envolvidos são
baixos;
– Presença dos dentes provoca flutuação de velocidade.
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Sistema de transmissão de movimento a distância
Cabos:
•
Reduções até 7:1.
•
Elemento flexível.
•
Partes principais:
– Cabos;
– Polias.
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Sistema de transmissão de movimento a distância
Cabos:
•
Vantagens:
– Boa capacidade de carga;
– Rigidez controlada  rigidez desejada obtida no projeto;
– Ata qualidade de movimento;
– Alta precisão;
– Sem necessidade de lubrificação;
– Possibilidade de acionamento de múltiplos eixos.
•
Desvantagens:
– Movimento limitado;
– Sistema não compacto  presença das polias e de múltiplos cabos.
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Sistema de transmissão de movimento a distância
Hastes:
•
Reduções até 3:1.
Polia movida
•
Elemento rígido.
•
Partes principais:
Hastes
– Hastes;
– Polias.
Polia motora
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Sistema de transmissão de movimento a distância
Hastes:
•
Vantagens:
– Boa capacidade de carga  limitada pela flambagem das
hastes;
– Alta rigidez  rigidez desejada é obtida no projeto;
– Ata qualidade de movimento;
Polia
movida
– Alta precisão.
•
Desvantagens:
Hastes
– Movimento muito limitado.
Polia motora
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Sistema de transmissão de movimento a distância
Eixo Cardan:
•
Sem reduções.
•
Elemento rígido.
•
Partes principais:
– Eixos;
– Juntas universais ou homocinéticas.
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Sistema de transmissão de movimento a distância
Eixo Cardan:
•
Flutuação de velocidade na junta universal.
– Depende do ângulo de inclinação dos dois eixos;
– Eixo cardan  apresenta dois pares de articulação e eixo.
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Sistema de transmissão de movimento a distância
Eixo Cardan:
•
Junta homocinética:
– Junta esférica com rolamentos de esferas:
– Menor flutuação de velocidade.
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Robótica Industrial
Sistema de transmissão de movimento a distância
Eixo Cardan:
•
Vantagens:
– Alta capacidade de carga;
– Alta rigidez;
– Sem limitação de movimento.
•
Desvantagens:
– Não é compacto;
– Ocorre flutuação de velocidade quando os eixos ficam desalinhados;
– Pequena folga na articulação universal ou homocinética.
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Sistema de transmissão de movimento a distância
Fuso de esferas recirculantes:
•
Altíssimas reduções  dispensa uso de redutor.
•
Elemento rígido.
•
Partes principais:
– Fuso;
– Esferas;
– Cubo.
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Fusos
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Fusos
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Robótica Industrial
Sistema de transmissão de movimento a distância
Fuso de esferas recirculantes:
•
•
Vantagens:
– Altíssima capacidade de carga;
– Altíssima rigidez;
– Boa qualidade de movimento;
– Boa precisão;
– Compacto.
Desvantagens:
– Movimento limitado;
– Presença de folga:
• Pré-carga diminui folga mas não elimina;
• Pré-carga aumenta atrito  dificulta controle de precisão.
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Sistema de transmissão de movimento a distância
Fuso de esferas recirculantes:
•
Funcionamento:
– Cubo se movimenta  esferas recirculam por canais internos ao cubo;
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Sistema de transmissão de movimento a distância
Fuso de esferas recirculantes:
•
Métodos de pré-carregamento
(Fonte NSK)
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Sistema de transmissão de movimento a distância
Fuso de esferas recirculantes:
•
Dimensionamento Básico
– Vida em fadiga (semelhante a rolamentos)
3
 Ca  6
 10 (ciclos)
L  
 Fa f w 
L
Lh 
(horas)
60.n
n = rotação (rpm)
Ca = Capacidade de carga dinâmica do fuso (dado de fabricante) (N)
fw = fator de operação ( 1,0 – 3,0 )
Fa = força axial sobre o fuso (N)
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Sistema de transmissão de movimento a distância
Fuso de esferas recirculantes:
•
Dimensionamento Básico
– Torque de operação (velocidade constante)
T1  Ta  Tp  Tu
T1 = torque de acionamento
Ta = torque no fuso (devido a carga)
Tp = torque de pré-carga no fuso
Tu = torque de pré-carga nos rolamentos
l = passo do fuso
 = rendimento (90 e 95%)
Fa .l
Ta 
2
Caso haja atrito nas guias:
Fa  F  .W
F = força axial no fuso;
W = carga sobre a mesa;
 = coeficiente de atrito mesa-guia.
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Robótica Industrial
1 Redutores de engrenagens cilindricas
 (baratos, grandes, folgas)
2 Redutores planetários
 (compactos, folgas, alta rotação)
3 Redutores harmônicos
 (ultra compacto, sem folgas, alta rotação)
4 Redutores cicloidais planetárias
 (compacto, caros, sem folgas, alta rotação)
5 Redutores a tração
 (caros, grandes, sem folgas, altamente precisos)
6 Correia dentada
 (simples, precião média, barato, flexivel)
7 Cabos
 (simples, flexivel, precisão média, barato)
8 Hastes
 (simples, barato, limita movimento)
9 Fusos de esferas recirculantes
 (movim. Linear, sem folga, alta rigidez, alta precisão)
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