Миниатюрные и микроприводы с высокой точностью и жесткими допусками используются для обеспечения точной передачи мощности с низким люфтом, дополняя небольшие электродвигатели в:

• Медицинские приборы и хирургические инструменты
• Аэрокосмические марсоходы и спутники
• Небольшая электроника с электроприводом.

Такая передача чаще всего используется в паре с небольшими двигателями постоянного тока, которые являются либо щеточными, либо бесщеточными — в этих областях применения все чаще используются двигатели с постоянными магнитами без сердечника.

Рассмотрим конкретное тактильное применение — электронное управление полетом по проводам. В этих системах рулевые движения пилота передаются не с помощью обычных механических или гидравлических приводов. Вместо этого, электронная передача осуществляется с помощью силовой обратной связи, передаваемой через мотор в сборе в колонке управления джойстиком. Преимущества таких тактильных устройств с приводом от двигателя заключаются в миниатюрной передаче, обеспечивающей плавное движение задним ходом и одновременное генерирование крутящего момента и усилия в зависимости от положения джойстика.

Зубчатые колеса в этих и других миниатюрных и микродизайнах часто изготавливаются по индивидуальному заказу с учетом специальной геометрии крепления, профиля зубьев, диаметра и встроенных датчиков или других компонентов.

Более того, такие миниатюрные шестерни обычно изготавливаются из высокопрочных материалов, что позволяет сохранить общую компактность конструкции. Компоненты из нержавеющей стали, титана, специальных пластмасс и композитов широко используются в тех случаях, когда зубчатое колесо предназначено для имплантации в организм человека, благодаря коррозионной стойкости и биосовместимости этих материалов; в последнем случае корпуса зубчатых колес иногда дополнительно обрабатываются для предотвращения роста бактерий. Зубчатые колеса, изготовленные из некоррозионных материалов, часто изготавливаются по индивидуальному заказу поставщиками компонентов с использованием возможностей прецизионного формования и механической обработки в контролируемых условиях в соответствии с требованиями FDA к медицинскому производству.

Механизм модули это единица измерения, определенная Международной организацией по стандартизации (ISO), выражающая размер или шаг зубьев шестерни, расстояние между ними и способ зацепления зубчатого колеса в сборе. Определяется как диаметр шага шестерни, деленный на количество зубьев, этот модуль связывает общий размер шестерни с количеством зубьев в этой шестерне. Наборы зубчатых колес должны иметь соответствующие модули.

Миниатюрные зубчатые колеса, состоящие из 0,2 модулей, имеют диаметр шага каждого зуба 0,2 мм. Это позволяет использовать очень тонкие и мелкие зубья в часах, электронике с микромоторным приводом и небольших медицинских приборах, хотя такие зубчатые колеса могут быть изготовлены только с использованием передовых производственных технологий. Модульные передачи 0,3, 0,4 и 0,5, напротив, широко используются там, где требуется больше энергии — например, в небольших насосах и автономной бытовой электронике. Модульные редукторы от 0,8 до 1,0 мм (в верхней части того, что обычно считается миниатюрным) обеспечивают больший крутящий момент, чем могут обеспечить самые маленькие редукторы для небольших применений в автомобилестроении, медицине и робототехнике.

Миниатюрные и микроприборы для медицинского оборудования должны соответствовать нормативным требованиям и строгим стандартам для обеспечения безопасности пациентов. Также может потребоваться выполнение дополнительных требований по стерилизации, RoHS, биосовместимости и наработке на отказ. Производство этих редукторов часто осуществляется в условиях чистых помещений, чтобы обеспечить максимальную эффективность проектирования, кастомизации и прикладного материаловедения при окончательной сборке компонентов. По той же причине поставщик обычно предварительно интегрирует обработанные и отлитые в форму субкомпоненты. Это справедливо независимо от того, производится ли миниатюрный редуктор для создания прототипов или для серийного производства.

Для автоматизации лабораторий миниатюрные и микроприводы в составе электродвигателей постоянного тока используются в оборудовании для анализа крови и газов, оборудовании для геномного тестирования, цитометрах и автоматизированных диагностических системах. Самые компактные редукторы находят применение в анализаторах и центрифугах, где строгий контроль скорости обеспечивает надлежащую обработку биологических образцов.

Миниатюрные и микроприводы также используются в медицинской робототехнике. Устройства модуля 0.2, в частности, находят применение в хирургических роботах для обеспечения точного управления движениями при проведении минимально инвазивных процедур. Компактность таких редукторов позволяет использовать самые миниатюрные из возможных роботизированных конечных устройств для деликатного перемещения и манипулирования малогабаритными конструкциями в теле человека. Линейные рабочие характеристики делают моторизованные системы, оснащенные этими редукторами, подходящими для применений, требующих жесткого контроля движения. Наглядный пример: офтальмохирургические и диагностические инструменты (для которых точность управления имеет первостепенное значение) часто оснащаются механизмами module-0.3 для облегчения точного позиционирования инструментов на деликатных и сложных структурах глаза.

В кардиореспираторном оборудовании, а также в других медицинских вентиляторах и насосах широко используются миниатюрные и микроприводы. В конструкциях микронасосов с электроприводом типа «Модуль-0,2» (в том числе для систем ухода за почками и доставки лекарств) используются механизмы, обеспечивающие точное дозирование жидкостей. Напротив, наиболее распространенные носимые инсулиновые помпы (для которых безопасность пациента и эффективность лечения имеют первостепенное значение) оснащены прецизионными передачами с модулем 0,3. Другие имплантируемые медицинские устройства, такие как кардиостимуляторы, нейростимуляторы и импланты, оснащены миниатюрными и микроприводами, которые в первую очередь рассчитаны на долговременную надежность.

В портативных медицинских инструментах, таких как стоматологические бормашины и портативные ручные инструменты для оказания неотложной медицинской помощи, широко используются прецизионные зубчатые колеса module-0.2 для обеспечения точности конструкции легкого оборудования. Многие эндоскопические и лапароскопические устройства интегрируют миниатюрные зубчатые колеса размером 0,3 дюйма в концевые механизмы инструментов, которые выполняют точные разрезы, связанные с биопсией и другими манипуляциями.

Даже для самых маленьких зубчатых передач требуются подшипники вала, обеспечивающие их вращение. В некоторых из них в качестве подшипников скольжения используются простые стальные штифты. В других — более прочные керамические штифты для подшипников скольжения, обеспечивающие высокий крутящий момент и срок службы, а также низкий уровень шума и люфта. В других моделях используются миниатюрные шарикоподшипники, соответствующие требованиям FDA, и опорные подшипники-подушки, изготовленные из инженерного пластика. Однако игольчатые роликоподшипники могут быть использованы в самых сложных условиях эксплуатации.

Высокопроизводительные миниатюрные изделия, оснащенные миниатюрными игольчатыми подшипниками, на которых вращаются крошечные шестерни, обеспечивают обратную передачу и максимальную эффективность, что особенно важно для небольших конструкций, работающих на батарейках.

Подумайте о хирургических роботах, использующих тактильные ощущения, для малоинвазивных микрохирургий и телехирургических вмешательств. Врачи, выполняющие операции с помощью этих роботов, динамично и мгновенно ощущают усилия, эквивалентные тем, которые прилагаются к конечным механизмам робота. Здесь необходимы коробки передач с плавным задним ходом. Миниатюрные зубчатые передачи с игольчатыми роликоподшипниками обеспечивают этот параметр даже на осях с двух- или трехступенчатыми передаточными отношениями. Традиционная передача с неравномерным или липким задним ходом является механически шумной и непригодной для использования в этих роботах.

Миниатюрная зубчатая передача смазывается маслом или консистентной смазкой, либо оснащена самосмазывающимися элементами, совместимыми с заданными параметрами. При использовании масла или консистентной смазки охлаждение может значительно продлить срок службы смазочного материала (а вместе с ним и редуктора), поскольку при этом снижается тепловая нагрузка. Таким образом, зубья шестерен медленнее очищаются от абразивных частиц, а смазочный материал медленнее подвергается химическому разрушению. Конечно, медицинские устройства требуют использования нетоксичной и биосовместимой смазки.

Частный случай планетарной передачи

Миниатюрные планетарные редукторы обладают преимуществами перед другими миниатюрными передаточными механизмами, включая множество кинематических комбинаций, удельную мощность, значительные сокращения за счет компактных установок и чисто крутильные реакции. При использовании прецизионных редукторов потери на ступень никогда не превышают нескольких процентов. Это полезно для повышения общей эффективности проектирования и сохранения работоспособности узлов в холодном состоянии — ключевая задача, когда миниатюрные редукторы и электродвигатели в паре приводят в действие портативные инструменты.

Некоторые миниатюрные планетарные передачи с несколькими ступенями могут повысить КПД до 90%, что намного выше, чем 70% или около того у аналогичных конструкций. Таким образом, при использовании идентичного двигателя и контроллера система с такой передачей может выдавать на 30% больше энергии или потреблять на 20% меньше ресурсов для достижения заданной производительности. Если в конструкции используется двигатель с щеткой, это увеличивает срок службы щетки и всей системы в целом. Кроме того, более эффективная передача позволяет двигателю работать с более высокими показателями соотношения КПД-крутящий момент или (с помощью электроники управления) использовать двигатель меньшего размера и веса.

Эффективность миниатюрных планетарных передач особенно важна в медицинских приборах, работающих на батарейках, и других миниатюрных конструкциях, поскольку это позволяет им работать дольше между подзарядками и заменами батарей.

Упомянутые ранее миниатюрные редукторы с подшипниками качения особенно хорошо подходят для применения в системах с тактильной силовой обратной связью, поскольку их планетарные передачи с плавным поворотом обеспечивают повторяемую обратную передачу от выхода системы. Таким образом, крутящий момент, передаваемый от редуктора к двигателю на входе редуктора, постоянно пропорционален нагрузке. Планетарные редукторы традиционной конструкции не могут гарантировать плавное переключение передач задним ходом или согласованную передачу нагрузки через редуктор. Это связано с их непостоянным КПД, переменным распределением допусков между внутренними компонентами коробки передач и потенциальным перекосом планетарных передач.