Um motor de acionamento harmónico é uma excelente escolha para equipamentos de automação que exigem uma estrutura compacta, elevada densidade de binário, baixa folga e posicionamento preciso. No entanto, a seleção correta do tamanho é essencial. Os engenheiros não devem escolher um motor de acionamento harmónico apenas com base no binário nominal ou no tamanho da estrutura.
Um processo completo de dimensionamento deve ter em conta o binário de saída, o binário de pico, a velocidade, a relação de redução, a inércia, o ciclo de trabalho, a carga no rolamento de saída, a precisão, o espaço de montagem e o desempenho térmico.
Por que razão a seleção do tamanho é importante
Nos equipamentos de automação, o motor de acionamento harmónico funciona frequentemente sob arranques e paragens frequentes, tempos de aceleração curtos, posicionamentos repetidos e variações contínuas de carga. Se o tamanho selecionado não conseguir suportar o binário de pico durante a aceleração e a desaceleração, o redutor poderá sofrer desgaste ou ter a sua vida útil reduzida. As informações do catálogo da Harmonic Drive referem que, durante a aceleração e a desaceleração, a engrenagem sofre um binário de pico causado pelo momento de inércia da carga de saída.
O dimensionamento correto ajuda a garantir:
- Um binário de saída estável
- Posicionamento preciso
- Baixa vibração
- Longa vida útil do redutor
- Funcionamento seguro durante paragens de emergência
- Melhor controlo do calor
- Maior fiabilidade do equipamento
Guia de tamanhos comum para motores Harmonic Drive
| Tamanho do motor Harmonic Drive | Intervalo típico de potência do motor | Nível de binário típico | Tipo de carga recomendado |
| Tamanho 8 / 11 | 10 W–50 W | Binário muito baixo | Carga ultraleve |
| Tamanho 14 | 30 W–100 W | Baixo binário | Carga leve |
| Tamanho 17 | 50 W–200 W | Binário baixo a médio | Carga leve a média |
| Tamanho 20 | 100 W–400 W | Binário médio | Carga média |
| Tamanho 25 | 200 W–750 W | Binário médio a elevado | Carga de serviço médio |
| Tamanho 32 | 400 W–1,5 kW | Binário elevado | Carga média a pesada |
| Tamanho 40 / 45 | 750 W–2,5 kW | Alto binário | Carga pesada |
| Tamanho 50 | 1,5 kW–3 kW | Binário muito elevado | Carga pesada |
| Tamanho 65 | 2 kW–5 kW | Binário muito elevado | Carga pesada / momento elevado |
| Tamanho 80+ | 5 kW+ | Binário extra elevado | Carga pesada especial |
Principais fatores para o dimensionamento de motores Harmonic Drive
Binário de saída necessário
O primeiro fator de dimensionamento é o binário de saída. É necessário calcular o binário de que o mecanismo de automação necessita no eixo de saída.
As fontes de carga mais comuns incluem:
- Peso do braço rotativo ou do dispositivo de fixação
- Peso da peça
- Torque de atrito
- Força de corte, pressão, fixação ou manuseamento
- Carga gravitacional em aplicações de eixo vertical
- Binário de aceleração
Uma fórmula inicial simples é:
Binário de saída necessário = binário de carga + binário de aceleração + binário de atrito
Após calcular este valor, acrescente uma margem de segurança. Para automação de serviço leve, um fator de segurança mais baixo pode ser aceitável. Para máquinas de ciclo elevado, eixos verticais, cargas de impacto ou linhas de produção a funcionar 24 horas por dia, 7 dias por semana, recomenda-se uma margem de segurança maior.
Binário contínuo e binário de pico
Não dimensionem o motor apenas com base no binário de pico. É necessário verificar tanto o binário contínuo como o binário de pico.
| Tipo de binário | Significado | Por que é importante |
| Binário contínuo | Binário necessário durante o funcionamento normal | Afeta o aquecimento, a vida útil e a estabilidade de funcionamento |
| Binário de pico | Binário de curta duração durante a aceleração, desaceleração ou choque | Afeta a capacidade de sobrecarga e a segurança do redutor |
| Binário de retenção | Binário necessário para manter a posição | Importante para eixos verticais e travões |
| Binário de emergência | Binário durante uma paragem repentina ou colisão | Importante para o projeto de segurança |
Por exemplo, um braço de «pick-and-place» pode necessitar de um binário contínuo moderado, mas de um binário de pico elevado quando arranca e pára rapidamente. Se apenas calcular o binário médio, o motor de acionamento harmónico selecionado poderá ser demasiado pequeno.
Velocidade de saída
Em seguida, calcule a velocidade de saída necessária. Em equipamentos de automação, a velocidade de saída é normalmente definida pelo tempo de ciclo.
Por exemplo:
- Uma mesa rotativa pode precisar de rodar 90 graus em 0,5 segundos.
- Uma articulação de um robô pode precisar de se deslocar de um ângulo para outro num tempo de ciclo fixo.
- Um eixo de inspeção por câmara pode necessitar de um movimento suave a baixa velocidade.
A relação é:
Velocidade do motor = velocidade de saída × relação de redução
Se a saída necessitar de 60 rpm e a relação de redução for de 100:1, a velocidade do motor é de cerca de 6 000 rpm, sem considerar os limites do sistema. Deve verificar se o motor e o redutor conseguem suportar com segurança essa velocidade de entrada. A eficiência varia consoante a relação, a velocidade, a carga, a temperatura e a lubrificação.
Relação de redução
A relação de redução liga a velocidade do motor à velocidade de saída. Também afeta o binário de saída, a resolução de posicionamento, a correspondência de inércia e a resposta do sistema.
| Intervalo de relações | Utilização típica | Vantagens | Possíveis limitações |
| 30:1–50:1 | Eixos de automação de alta velocidade | Velocidade de saída mais elevada | Menor multiplicação de binário |
| 80:1–100:1 | Automação de precisão geral | Velocidade e binário equilibrados | Escolha comum para muitos sistemas |
| 120:1–160:1 | Posicionamento de alto binário e baixa velocidade | Maior binário e resolução | Velocidade de saída mais baixa |
| 200:1+ | Equipamento especial de precisão a baixa velocidade | Redução muito elevada | Pode reduzir a eficiência ou a resposta |
Se a relação for demasiado elevada, a velocidade de saída poderá ser demasiado baixa e o sistema poderá parecer menos responsivo. Uma relação baixa poderá exigir que o motor forneça um binário mais elevado.
Inércia da carga
A inércia é frequentemente ignorada, mas é fundamental para o equipamento de automação. Uma carga rotativa de grandes dimensões pode gerar um binário elevado durante a aceleração e a desaceleração.
A ideia básica é a seguinte:
Binário de aceleração = inércia da carga × aceleração angular
No caso de eixos rotativos, mesas de grande diâmetro, braços de robô longos e dispositivos de fixação pesados, a inércia pode ser o fator determinante no dimensionamento. Mesmo que a carga estática pareça pequena, o motor pode necessitar de um binário elevado para acelerar rapidamente a carga.
Um redutor de acionamento harmónico reduz a carga de inércia refletida de volta para o motor. No entanto, o próprio redutor também tem limites de inércia e de binário, pelo que tanto o motor como o redutor devem ser analisados em conjunto.
Cargas radiais, axiais e de momento
Muitos motores de acionamento harmónico são ligados diretamente a uma mesa rotativa, braço, polia ou dispositivo de fixação. Nestes casos, o rolamento de saída deve suportar não só o binário, mas também cargas externas.
Verifique estes três tipos de carga:
| Tipo de carga | Direção | Exemplo |
| Carga radial | Carga lateral no eixo | Tensão da correia, braço montado lateralmente |
| Carga axial | Empurrar ou puxar ao longo do eixo | Pressão ou fixação vertical |
| Carga de momento | Carga de inclinação | Braço robótico deslocado ou dispositivo em cantiléver |
Algumas caixas de engrenagens de acionamento harmónico utilizam rolamentos de rolos cruzados na saída para suportar cargas radiais, axiais e de momento numa estrutura compacta. Se o seu eixo de automação tiver uma carga em cantiléver, a capacidade de carga de momento pode ser mais importante do que a capacidade de binário.
Seleção do tamanho por aplicação
Equipamentos de automação diferentes exigem prioridades de dimensionamento diferentes.
| Aplicação | Principal prioridade de dimensionamento | Foco recomendado |
| Articulação do robô | Binário, inércia, tamanho compacto | Verificar o binário de pico e a carga de momento |
| Mesa de indexação rotativa | Precisão de posicionamento, inércia da carga | Verifique o binário de aceleração e a carga nos rolamentos |
| Equipamento de semicondutores | Movimento suave, repetibilidade | Verificar a baixa folga e a vibração |
| Automação médica | Design compacto, funcionamento silencioso | Verifique o ruído, a suavidade e a margem de segurança |
| Máquina de embalagem | Velocidade do ciclo, durabilidade | Verificar o binário contínuo e o ciclo de trabalho |
| Articulação de um AGV ou robô de serviço | Peso e consumo de energia | Escolha um motor compacto com relação de transmissão eficiente |
| Equipamento de inspeção | Posicionamento estável | Verifique a repetibilidade e a resolução do codificador |
Passos práticos para o dimensionamento
Passo 1: Definir os requisitos de movimento
Antes de selecionar um tamanho, defina o perfil de movimento:
- Ângulo de rotação necessário
- Tempo de movimento
- Tempo de aceleração
- Tempo de desaceleração
- Tempo de pausa
- Frequência do ciclo
- Horas de funcionamento por dia
Sem esta informação, o dimensionamento é apenas uma estimativa.
Passo 2: Calcular o binário de carga
Determine o binário necessário com base nas condições de movimento da carga. Para eixos verticais, inclua o binário da gravidade. Para eixos rotativos horizontais, inclua a inércia e o atrito. Para eixos de prensagem ou fixação, inclua a força do processo.
Passo 3: Calcular o binário de pico
O binário de pico ocorre durante a aceleração, a desaceleração, uma paragem repentina ou um impacto. Este valor deve ser inferior ao binário de pico repetido admissível do redutor e ao binário de pico do motor.
Passo 4: Escolher a relação de redução
Selecione uma relação que permita ao motor funcionar dentro de uma gama de velocidades adequada, ao mesmo tempo que forneça um binário de saída suficiente.
Uma boa relação deve:
- Manter a velocidade do motor dentro da faixa nominal
- Fornecer um binário de saída suficiente
- Melhorar a resolução de posicionamento
- Reduzir a inércia refletida
- Evitar perdas desnecessárias de velocidade
Passo 5: Verificar o funcionamento contínuo
Mesmo que o motor consiga suportar o binário de pico, pode sobreaquecer se o binário contínuo for demasiado elevado. No caso de equipamentos de automação de alta exigência, o binário contínuo é frequentemente o fator decisivo final.
Passo 6: Verificar a interface mecânica
Verifique as dimensões de instalação:
- Tamanho do flange do motor
- Tamanho do eixo de saída ou do eixo oco
- Padrão de aparafusamento
- Comprimento total
- Direção do cabo
- Espaço para o codificador
- Espaço para o travão
- Orientação de montagem
Um motor tecnicamente correto continua a ser inutilizável se não couber no interior da máquina.
Erros comuns na escolha do tamanho dos motores Harmonic Drive
Erro 1: Selecionar apenas com base no binário nominal
O binário nominal é importante, mas não é suficiente. É necessário verificar também o binário de pico, a velocidade, a inércia, a carga nos rolamentos, o ciclo de trabalho e as condições térmicas.
Erro 2: Ignorar o tempo de aceleração
Um tempo de aceleração mais curto significa um binário de aceleração mais elevado. Um motor que funciona bem em movimentos lentos pode falhar numa produção com ciclos de alta velocidade.
Erro 3: Utilizar um fator de segurança demasiado elevado
O sobredimensionamento pode parecer seguro, mas pode aumentar o custo, o peso e a inércia. Em equipamentos de automação compactos, um motor sobredimensionado pode reduzir a eficiência da máquina.
Erro 4: Ignorar a carga no rolamento de saída
No caso de braços em cantiléver e mesas rotativas, a capacidade do rolamento de saída pode ser o fator limitante. O redutor pode ter binário suficiente, mas não capacidade de carga de momento suficiente.
Erro 5: Esquecer o aquecimento e o ciclo de trabalho
Um motor utilizado para testes de curta duração pode ter um bom desempenho, mas numa produção de 24 horas, o calor pode tornar-se um problema grave. Verifique sempre o ciclo de funcionamento real.
Lista de verificação rápida para o dimensionamento de motores Harmonic Drive
Antes da seleção final, confirme o seguinte:
- Binário de saída necessário
- Velocidade de saída necessária
- Binário de pico durante a aceleração
- Inércia da carga
- Relação de redução
- Ciclo de funcionamento contínuo
- Carga radial
- Carga axial
- Carga de momento
- Precisão de posicionamento
- Repetibilidade
- Tensão do motor e compatibilidade do controlador
- Resolução do encoder
- Requisitos de travagem
- Espaço de instalação
- Orientação do cabo e do conector
- Temperatura de funcionamento
- Vida útil prevista
Exemplo de lógica de dimensionamento
Suponha que um eixo rotativo de automação necessite de baixa folga, dimensões compactas e posicionamento preciso. A mesa roda 180 graus num segundo e suporta uma carga média.
Um bom processo de dimensionamento seria:
- Calcular a velocidade de saída necessária a partir do tempo de movimento.
- Estimar a inércia da carga a partir da mesa e da peça de trabalho.
- Calcular o binário de aceleração.
- Adicionar o binário de atrito e o binário do processo.
- Escolher uma relação de redução que mantenha uma velocidade adequada do motor.
- Verifique se o motor de acionamento harmónico suporta o binário contínuo e o binário de pico.
- Verifique a carga no rolamento de saída, especialmente se a peça estiver deslocada em relação ao centro de rotação.
- Adicione uma margem de segurança adequada.
- Confirme as dimensões de montagem e a compatibilidade do controlador.
Este método é muito mais seguro do que escolher um motor apenas com base no tamanho da estrutura ou no binário nominal.
Como selecionar o tamanho certo do motor de acionamento harmónico
| Tamanho do motor | Adequado para | Vantagem típica | Aviso de seleção |
| Motor com acionamento harmónico pequeno | Pequenas pinças, cabeças de inspeção, articulações de robôs compactas | Leve e com poupança de espaço | Binário e capacidade de carga limitados |
| Motor de acionamento harmónico médio | Mesas rotativas, eixos de embalagem, articulações de robôs colaborativos | Torque e dimensões equilibrados | É necessário verificar o aquecimento em condições de utilização intensiva |
| Motor de acionamento harmónico de grande porte | Articulações de robôs pesados, mesas de indexação de grandes dimensões, sistemas de posicionamento industrial | Elevado binário e rigidez | Custo, peso e inércia mais elevados |
Para a maioria dos equipamentos de automação, a melhor escolha não é o motor mais pequeno capaz de mover a carga. A melhor escolha é o motor mais pequeno capaz de suportar com segurança o binário contínuo, o binário de pico, a velocidade, a inércia, a carga nos rolamentos e o ciclo de trabalho, com uma margem de segurança razoável.
