ESPIADAredutores harmônicossão dispositivos inovadores de redução de precisão que aplicam materiais compósitos de polieteretercetona (PEEK) à estrutura de acionamento harmônico, combinando as características de alta taxa de redução dos redutores harmônicos tradicionais com as vantagens de leveza dos materiais PEEK. A seguir, uma introdução detalhada com base em quatro dimensões: características estruturais, inovação de materiais, parâmetros de desempenho e campos de aplicação:
I. Características Estruturais
ESPIADAOs redutores harmônicos adotam a estrutura clássica de acionamento harmônico: gerador de ondas - engrenagem flexível - engrenagem rígida. A principal inovação dos redutores harmônicos reside no uso de PEEK reforçado com 50% de fibra de vidro longa para a moldagem por injeção de uma peça da engrenagem flexível, e o anel interno da engrenagem rígida é uma estrutura de inserção metálica de PEEK (base de aço + superfície dos dentes de PEEK). O anel externo do rolamento do gerador de ondas é integrado a uma gaiola autolubrificante de PEEK, eliminando a dependência de graxa dos redutores harmônicos tradicionais. A estrutura geral é projetada por meio da otimização da topologia, com a tolerância da espessura da parede da engrenagem flexível controlada em ±0,01 mm para garantir deformação elástica consistente durante o engrenamento.
II. Inovação de materiais
Inovação em leveza: a densidade da engrenagem flexível PEEK é de apenas 1,5 g/cm³, reduzindo o peso em 60% em comparação a uma engrenagem flexível de aço e diminuindo o momento de inércia em 45%, melhorando significativamente a velocidade de resposta dinâmica das articulações do robô.
Resistência à fadiga: por meio da otimização da orientação das fibras, a vida útil de fadiga por flexão da engrenagem flexível PEEK atinge 10⁸ ciclos (sob carga nominal), aproximando-se de 85% do nível do aço.
Otimização do atrito: O coeficiente de atrito da superfície do dente PEEK é tão baixo quanto 0,05 (condição de atrito seco) e, quando combinado com o revestimento de PTFE na superfície rígida do dente da engrenagem, permite uma operação silenciosa sem óleo (ruído≤55dB).
III. Parâmetros de desempenho essenciais
Faixa de taxa de redução: 50:1 a 320:1 (transmissão de estágio único), suportando conexão em série de vários estágios para atingir uma taxa de redução ultra-alta de 10.000:1
Torque nominal: 3 a 50 N・m (modelos correspondentes HX-14 a HX-50), o torque máximo pode atingir o dobro do valor nominal
Indicadores de precisão: folga≤1 minuto, erro de transmissão≤30 segundos de arco, rigidez torcional≥20 N・m/rad
Adaptabilidade ambiental: Temperatura de operação -40°Cpara 180°C, compatível com ambientes de vácuo (pode operar de forma estável a 10⁻⁶Bem)
IV. Campos de aplicação típicos
Robôs colaborativos: Articulações de pulso de efetores finais, como o sexto eixo do robô UR5e, alcançando preensão leve e de alta precisão
Equipamentos médicos: Pequenas articulações de movimento de braços de robôs cirúrgicos (como o Da Vinci Xi), que exigem conformidade com ambientes assépticos e baixa interferência eletromagnética
Aeroespacial: mecanismos de controle de atitude de satélite, braços mecânicos de drones, utilizando sua adaptabilidade ao vácuo e características leves para reduzir os custos de lançamento.
Redutores harmônicos de PEEK: O uso de PEEK reforçado com fibra de carbono (CF/PEEK) na fabricação de redutores harmônicos pode reduzir a tensão de deformação para apenas 1/7 da do aço, aprimorar as características de amortecimento e reduzir o risco de ressonância. O número de dentes de contato entre a engrenagem flexível e a engrenagem rígida pode ser aumentado em 47%, prolongando significativamente a vida útil em fadiga, com a contagem de ciclos aumentando de 29.000 vezes para engrenagens flexíveis de metal para 564.000 vezes.
Redutores harmônicos PEEK: CF/PEEK oferece desempenho superior
Além de vantagens como resistência específica e resistência ao desgaste, em comparação com cilindros curtos à base de metalRedutores harmônicos PEEKOs redutores harmônicos PEEK feitos de CF/PEEK têm as seguintes características:①menor tensão de deformação,2melhores características de amortecimento, reduzindo efetivamente a possibilidade de ressonância,3aumento do número de dentes de contato e da área de engrenamento entre a engrenagem flexível e os dentes da engrenagem rígida, aumentando a resistência à carga e ao impacto do redutor harmônico PEEK,④maior vida útil à fadiga, etc.
(1) Em comparação com redutores harmônicos de cilindro curto à base de metal, sob a mesma carga, a tensão de deformação dos materiais compósitos à base de PEEK é de apenas 1/7 da do aço. Portanto, em uma dimensão axial menor, um módulo de engrenagem maior e um coeficiente de deformação radial podem ser selecionados para a estrutura de projeto, proporcionando maior liberdade de projeto.
(2) As frequências naturais de todo o redutor harmônico de material composto baseado em PEEK são 40-45% maiores do que as dos redutores harmônicos de material composto baseado em PEEK, indicando que os redutores harmônicos de material composto baseado em PEEK têm melhores características de amortecimento e podem reduzir efetivamente a possibilidade de ressonância.
(3) Sob as condições operacionais nominais de uma carga de 20 N·m e uma velocidade de 2000 rad/min, o número de dentes de engrenamento no redutor harmônico de material compósito PEEK aumenta, atingindo 52 pares, um aumento de 47% em relação ao metal. O aumento no número de dentes de contato e na área de engrenamento entre a engrenagem flexível e os dentes da engrenagem rígida aumenta a área de engrenamento do par de engrenagens, e a pressão de contato é distribuída por mais superfícies de dentes da engrenagem, aumentando a capacidade de carga e a resistência ao impacto do redutor harmônico de PEEK.
(4) Sob a mesma estrutura, os redutores harmônicos de cilindro curto CF/PEEK apresentam maior vida útil em fadiga. Os redutores harmônicos metálicos tradicionais apresentam estresse de deformação excessivo, e os dentes flexíveis da engrenagem sofrem falha estática quando a contagem de ciclos atinge 29.000 vezes. A engrenagem flexível feita de materiais compostos de PEEK deve ter uma contagem de ciclos de 564.000 vezes e uma vida útil em fadiga de 939,5 horas.
