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 Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Sistemas de Transmissão Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Sistemas de Transmissão Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Sistemas de Transmissão Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Sistemas de Transmissão Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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). Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Redutores de Velocidade – Métodos para eliminar folgas Engrenagem bipartida com molas Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Redutores de Velocidade – Tipos de redutores Os tipos de redutores mais utilizados na robótica estão apresentados a seguir: • Planetário; • Harmônico; • Cicloidal. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Sistemas de Transmissão - engrenagens Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Sistemas de Transmissão - engrenagens Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Engrenagens – Relação de transmissão Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Engrenagens – Relação de transmissão Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Engrenagens – Relação de transmissão Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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 Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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 Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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 Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira 21 Silveira Madani, Msc Prof. Eng. Fernando Robótica Industrial 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? Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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 Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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 Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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 Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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 Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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). Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Redutores de Velocidade – redutor Cicloidal (Exemplo 1) Exemplo de um redutor cicloidal com configuração de um planetário de dois estágios compostos. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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) Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Redutores de Velocidade – redutor Cicloidal (Exemplo 2) n3(2) n3(1) n4 n2 n1(1) Entrada n2(2) (1) n1(2) Saída Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Redutores de Velocidade – redutor Cicloidal (Exemplo 2) Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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). Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Redutores de Velocidade – redutor Cicloidal Esquema de funcionamento: Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Sistema de transmissão de movimento a distância • Sistemas de transmissão de movimento. – Características; – Tipos: • Correia dentada; • Cabos; • Hastes; • Eixo cardan; • Fuso de esferas recirculantes. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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). Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Sistema de transmissão de movimento a distância Correia dentada: • Reduções até 7:1. • Elemento flexível. • Partes principais: – Correia dentada; – Polia dentada. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Sistema de transmissão de movimento a distância Cabos: • Reduções até 7:1. • Elemento flexível. • Partes principais: – Cabos; – Polias. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Sistema de transmissão de movimento a distância Hastes: • Reduções até 3:1. Polia movida • Elemento rígido. • Partes principais: Hastes – Hastes; – Polias. Polia motora Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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 Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Sistema de transmissão de movimento a distância Eixo Cardan: • Sem reduções. • Elemento rígido. • Partes principais: – Eixos; – Juntas universais ou homocinéticas. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Sistema de transmissão de movimento a distância Eixo Cardan: • Junta homocinética: – Junta esférica com rolamentos de esferas: – Menor flutuação de velocidade. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc 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. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Sistema de transmissão de movimento a distância Fuso de esferas recirculantes: • Altíssimas reduções dispensa uso de redutor. • Elemento rígido. • Partes principais: – Fuso; – Esferas; – Cubo. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Fusos Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Fusos Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc 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. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Sistema de transmissão de movimento a distância Fuso de esferas recirculantes: • Funcionamento: – Cubo se movimenta esferas recirculam por canais internos ao cubo; Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial Sistema de transmissão de movimento a distância Fuso de esferas recirculantes: • Métodos de pré-carregamento (Fonte NSK) Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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) Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc Robótica Industrial 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. Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc 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) Prof. Eng. Anderson Harayashiki Moreira Prof. Eng. Fernando Silveira Madani, Msc