Robotyka przemysłowa i usługowa to jeden z najbardziej dynamicznie rozwijających się sektorów technologicznych — kluczowym elementem decydującym o funkcjonalności i wydajności systemów robotycznych są silniki napędowe. Ten artykuł omawia najważniejsze rodzaje silników stosowanych w robotyce oraz szczegółową metodologię doboru ich mocy, analizując specyfikę rozmaitych aplikacji robotycznych. Badania potwierdzają dominację serwomotorów elektrycznych (DC i AC), silników bezszczotkowych oraz krokowych, które gwarantują wysoką precyzję i elastyczność sterowania robotem. Prawidłowy dobór mocy silnika wymaga znajomości zarówno parametrów technicznych, jak i charakterystyki konkretnej aplikacji — rekomenduje się pracę przy 85-95% mocy znamionowej. Obecnie w zaawansowanych aplikacjach coraz ważniejsze są napędy bezpośrednie oraz silniki liniowe, a klasyczne systemy hydrauliczne i pneumatyczne stosuje się głównie tam, gdzie niezbędne są duże siły lub praca w trudnych warunkach.
Klasyfikacja systemów napędowych w robotyce przemysłowej
W robotyce przemysłowej systemy napędowe dzielą się głównie według rodzaju nośnika energii, co ma kluczowe znaczenie dla efektywności i niezawodności robotów:
- napędy elektryczne — wykorzystują energię elektryczną, zapewniają wysoką efektywność energetyczną i są najbardziej popularne w robotyce przemysłowej,
- napędy hydrauliczne — stosują ciecz roboczą, zazwyczaj w formie układów elektrohydraulicznych, oferując bardzo wysokie momenty obrotowe i zwartą konstrukcję,
- napędy pneumatyczne — bazują na sprężonym powietrzu, charakteryzują się prostą budową i niezawodnością pracy nawet w niekorzystnych środowiskach.
Obecnie najpopularniejsze są roboty przemysłowe wyposażone w serwomechanizmy elektryczne — umożliwiają one precyzyjne sterowanie pozycją, prędkością i przyspieszeniem. Systemy te często korzystają z cyfrowych sygnałów sterujących i sprzężenia zwrotnego z czujników, co pozwala na dynamiczną korektę ruchu oraz wyjątkowo płynne manewry.
Roboty przemysłowe klasyfikuje się także według struktury kinematycznej:
- roboty szeregowe — otwarty łańcuch kinematyczny (roboty kartezjańskie, cylindryczne, SCARA, sferyczne, przegubowe),
- roboty równoległe — zamknięty łańcuch kinematyczny (tripody, hexapody),
- roboty hybrydowe — kombinacja obu powyższych rozwiązań.
Roboty przegubowe stanowią najliczniejszą grupę, ponieważ ich osie działają analogicznie do ludzkiej kończyny górnej, zapewniając wszechstronność w przenoszeniu, paletyzacji, spawaniu czy lakierowaniu. Roboty równoległe z kolei wyróżniają się sztywnością oraz precyzją, jednak mają ograniczoną przestrzeń roboczą.
Silniki elektryczne w aplikacjach robotycznych
Serwomotory prądu stałego i zmiennego
W nowoczesnych robotach prym wiodą serwomotory — łączą one precyzję, dynamikę i niezawodność. Dzięki układom sprzężenia zwrotnego (enkodery) zapewniają precyzyjną kontrolę pozycji, prędkości i przyspieszenia. Serwomotory DC oferują korzystny stosunek momentu obrotowego do bezwładności, co przekłada się na dynamiczne reakcje bez utraty precyzji.
W serwomotorach AC, stosuje się magnesy trwałe w wirniku i zaawansowane sterowniki falownikowe do kontroli częstotliwości i fazy napięcia. Tego typu serwomotory zapewniają liniową charakterystykę oraz możliwość pracy w szerokim zakresie prędkości bez spadku momentu.
Silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC)
Kolejną ważną grupą są silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC), których konstrukcja minimalizuje zużycie i zwiększa żywotność:
- magnesy neodymowe w wirniku oraz elektroniczny komutator sterujący pracą cewek stojana,
- trójfazowy układ cewek połączonych w gwiazdę odpowiada za generowanie dokładnie kontrolowanego pola magnetycznego,
- elektroniczny komutator płynnie steruje sekwencją zasilania uzwojeń, co zapewnia cichą i precyzyjną pracę.
Silniki BLDC wyróżniają się bardzo wysoką sprawnością, liniową charakterystyką mechaniczną oraz minimalną inercją — te cechy czynią je perfekcyjnym wyborem dla precyzyjnych robotów mobilnych i automatyki.
Warto zauważyć, że nowoczesne silniki BLDC są dostępne także w zestawach z przekładnią, enkoderem oraz zintegrowanym sterownikiem, co znacznie upraszcza ich implementację.
Silniki krokowe w systemach robotycznych
Silniki krokowe pozwalają na wykonywanie dokładnych ruchów w zadanych krokach bez konieczności stosowania skomplikowanych systemów sprzężenia zwrotnego. Są proste, niezawodne i ekonomiczne — ich główne zalety to:
- wysoka rozdzielczość ruchu (typowo 200 kroków na obrót, czyli 1,8° na krok),
- wysoki moment obrotowy przy małych prędkościach,
- zdolność do utrzymania pozycji bez dodatkowego zasilania.
Ważne parametry konstrukcyjne to napięcie i prąd zasilania, moment obrotowy, moment trzymający oraz rodzaj sterowania (pełnokrokowe, półkrokowe, mikrokrokowe). Właściwy dobór wymaga zapasu prądowego (20-30%) dla bezpieczeństwa sterowania i uniknięcia przeciążeń w ekstremalnych warunkach pracy.
Systemy napędowe hydrauliczne i pneumatyczne
Charakterystyka napędów hydraulicznych
Napędy hydrauliczne stosuje się wszędzie tam, gdzie niezbędne są wyjątkowo wysokie siły w kompaktowej formie. Działanie systemu polega na konwersji energii sprężonej cieczy (najczęściej oleju hydraulicznego) na ruch mechaniczny. Do istotnych zalet tego rozwiązania należą:
- gigantyczny moment obrotowy nawet przy niskich obrotach,
- stabilna praca pod obciążeniem,
- odporność na trudne warunki zewnętrzne.
Systemy hydrauliczne mają jednak pewne ograniczenia:
- wyższe koszty energii i komponentów,
- obniżona sprawność w środowiskach o wysokiej temperaturze (do 150°C),
- konieczność rozbudowanej infrastruktury (pompy, rurociągi, filtry) oraz ryzyko wycieków płynu.
Systemy napędowe pneumatyczne
Silniki pneumatyczne bazują na energii sprężonego powietrza, zapewniając prostotę konstrukcji, niezawodność oraz bezpieczeństwo, szczególnie tam, gdzie istotne są wysokie standardy higieny (np. przemysł spożywczy czy farmaceutyczny). Główne zalety to:
- szybka reakcja i łatwość sterowania,
- niski koszt implementacji oraz konserwacji,
- bezpieczna praca medium (powietrze jest nietoksyczne i niepalne).
Napędy pneumatyczne mają ograniczenia dotyczące precyzji — sprawdzają się głównie w aplikacjach wymagających szybkie, powtarzalne ruchy bez wyjątkowej dokładności. Typowymi wyzwaniami są: trudność w kontroli płynnego ruchu oraz dodatkowe koszty związane z infrastrukturą powietrza sprężonego.
Wyspecjalizowane typy silników w robotyce zaawansowanej
Silniki liniowe w aplikacjach robotycznych
Coraz więcej zastosowań w automatyce i robotyce zdobywają silniki liniowe. Oferują bezpośredni ruch liniowy bez użycia przekładni i minimalizują liczbę ruchomych, podatnych na zużycie elementów. Kluczowe ich cechy prezentują się następująco:
- hermetyczna obudowa chroniąca przed warunkami przemysłowymi,
- zaawansowany system pozycjonowania z odczytem nawet podczas pracy,
- możliwość definiowania profili ruchu oraz ich zapisywania w sterowniku.
Silniki liniowe znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie liczy się wydajność, dynamika oraz prostota układu ruchu liniowego, wymagającego minimalnego serwisu.
Aktuatory liniowe i ich zastosowania
Za przekształcenie ruchu obrotowego w liniowy odpowiadają aktuatory liniowe, które są szeroko stosowane w systemach wieloosiowych i maszynach przemysłowych. Pozwalają na:
- przemieszczanie elementów w jednym kierunku z bardzo dużą precyzją,
- realizację ruchów takich jak pchanie, ciągnięcie, podnoszenie lub pochylanie,
- szybkie dostosowanie do specyficznych wymagań aplikacyjnych.
Dobór właściwego typu aktuatora wymaga wnikliwej analizy zadania oraz parametrów maszyny, na której ma być zainstalowany.
Silniki piezoelektryczne w precyzyjnych aplikacjach
Silniki piezoelektryczne wyznaczają nowy standard precyzji w robotyce i mikromechanice — działają na bazie efektu piezoelektrycznego, osiągając rozdzielczość ruchu na poziomie nanometrów. Znajdują zastosowanie m.in. w soczewkach autofokusowych, urządzeniach medycznych i mikrorobotach.
- brak potrzeby przekładni i minimalna liczba części ruchomych,
- ekstremalnie szybka reakcja w czasie mikrosekund,
- pełna odporność na zakłócenia elektromagnetyczne.
Silniki piezoelektryczne utrzymują pozycję bez zużycia energii i nie wymagają smarowania.
Mikromotory w aplikacjach miniaturowych
Mikromotory są niezastąpione w robotyce precyzyjnej, miniaturowej, a także w inżynierii medycznej, automotive i lotnictwie. Stosuje się je tam, gdzie liczą się:
- niska masa i kompaktowa konstrukcja,
- wysoka precyzja pozycjonowania i powtarzalność,
- wysoka odporność na trudne warunki pracy.
Silniki DC są najczęściej stosowane w robotyce, oferując natychmiastowe przyspieszenie i kontrolę prędkości — do wyboru modele szczotkowe lub bezszczotkowe, w zależności od wymagań aplikacji.
Mikromotory zapewniają niezawodność w systemach regulacji szyb, foteli i innych komponentów pojazdów oraz napędzają powierzchnie sterowe w dronach i urządzeniach lotniczych.
Metodologia doboru mocy silników robotycznych
Podstawowe zasady kalkulacji mocy
Właściwy dobór mocy silnika do robota przemysłowego wymaga nie tylko analizy parametrów katalogowych, lecz przede wszystkim zrozumienia specyfiki aplikacji i sposobu pracy urządzenia.
Kluczowe zasady doboru obejmują:
- określenie wymaganego momentu obrotowego na podstawie masy, bezwładności i charakterystyki maszyny,
- wyznaczenie mocy silnika na bazie zależności między momentem a prędkością obrotową,
- przyjęcie zapasu mocy — zalecane 85-95% nominalnej,
- uwzględnienie sprawności całego układu napędowego podczas obliczeń (przekładnie, śruby, straty energii),
- zastosowanie wzoru: M = 9550 × P / n [Nm] — gdzie M to moment obrotowy, P moc w kW, n prędkość obrotowa w obr./min.
Zbyt mała moc generuje ryzyko przeciążenia i awarii, a przewymiarowanie prowadzi do niepotrzebnych kosztów oraz spadku sprawności energetycznej systemu.