Spraw, by Twoje roboty mogły się ruszać

RedakcjaAktualności

Dodaj kolejny wymiar mobilności poprzez wdrożenie siódmej osi liniowej, aby Twój robot uzyskał największy przebieg. 

 

W związku z coraz częstszym wykorzystywaniem robotyki w różnych gałęziach przemysłu, począwszy od przemysłu motoryzacyjnego i elektronicznego po branżę towarów szybkozbywalnych i tworzyw sztucznych, projektanci i integratorzy systemów mają większe możliwości wdrażania robotów niż kiedykolwiek wcześniej. Według Stowarzyszenia Robotyki Przemysłowej (Robotics Industries Association), nowy rekord został ustanowiony w pierwszym kwartale 2016 roku, kiedy to w samej Ameryce Północnej firmy zamówiły ponad 7 400 robotów o wartości 402 mln dolarów. Jeżeli chodzi o zastosowanie, to najwięcej robotów było wykorzystywanych do spawania punktowego, montażu i transportu materiałów.

Wiele z tych zadań jest realizowanych przez zaawansowane sześcioosiowe roboty z ramionami przegubowymi, które są w stanie wykonywać niezwykle precyzyjne operacje. Jednak czasami automatyka wymaga od robotów mobilności. Jest to szczególnie istotne w przypadku, gdy zakłady produkcyjne mają ograniczone zasoby. Najbardziej logiczną opcją w odniesieniu do przemieszczania tych robotów do danej pozycji jest dodanie siódmej osi – liniowego systemu transportowego, który przenosi robota do różnych stacji w celu rozszerzenia jego obszaru roboczego.

Dodanie siódmej osi liniowej umożliwia rozszerzenie przestrzeni roboczej w takim stopniu, że można będzie użyć mniejszego robota do wykonywania tej samej pracy. Ponadto części mogą być przenoszone na wiele stacji roboczych na większych odległościach niż w przypadku zastosowania robota statycznego. Co do wydajności, dodanie siódmej osi umożliwia obsługę większej liczby maszyn i procesów przez jednego robota, co wiąże się z kolejną korzyścią w postaci obniżenia kosztów kapitałowych.

Pomimo że pomysł użycia siłownika liniowego do przesuwania robota do danego położenia wydaje się być prosty, aby upewnić się, że konfiguracja została odpowiednio dobrana i określona, trzeba uwzględnić wiele czynników. Do niektórych z nich należą: obciążenie, informacje dotyczące prędkości i przyspieszenia, precyzja i dokładność pracy, cykl pracy oraz wymagania w zakresie żywotności. W niniejszym artykule zbadamy najważniejsze kwestie z tym związane.

Obciążenie

Na początku warto skupić się na wymaganym obciążeniu robota, ponieważ ta informacja będzie mieć bezpośredni wpływ również na obciążenia obsługiwane przez siłownik. Obciążenie robota dzieli się na dwa rodzaje – dynamiczne i statyczne – a ich rozróżnienie jest kluczowe przed wybraniem najbardziej odpowiedniego siłownika.

Obciążenia statyczne to obciążenia, które występują, gdy robot stoi w miejscu i wykonuje swoją pracę. W takim przypadku ważne jest określenie zarówno środka ciężkości, jak i masy ładunku. Czy ładunek będzie podnoszony pionowo do góry, blisko korpusu robota, czy wymagany jest większy zasięg pracy? Podstawa robota musi być na tyle solidna, aby podtrzymać ładunek, oraz wystarczająco wytrzymała i bezpieczna, aby nie doszło do jej wywrócenia, gdy ramię robota sięga po ładunek i go przenosi.

Ciężar ładunku, odchylenie i środek ciężkości są najważniejszymi czynnikami mającymi wpływ na obciążenia statyczne. Należy również wziąć pod uwagę przyszłe wykorzystanie robota i jego szyny. Zastanów się nad innymi niż obecne zastosowaniami robota i zaplanuj je z góry, uwzględniając większe obciążenia. W tym zakresie należy pamiętać, że – w zależności od potrzeb – istnieje możliwość montażu wielu robotów na tej samej szynie, co jest kolejnym czynnikiem, który należy uwzględnić podczas określania wymaganego obciążenia.

W przypadku obciążenia dynamicznego, które występuje, gdy robot przemieszcza się liniowo, pod uwagę należy wziąć inne czynniki. Oto kilka pytań, które warto sobie zadać podczas projektowania:

  • Jak duży jest robot?
  • Czy przedmiot obrabiany będzie przenoszony do innej stacji roboczej?
  • Jak szybko robot musi się poruszać?
  • W jaki sposób robot będzie ustawiony w miarę przesuwania się do następnego obszaru roboczego?

Kolejnym czynnikiem mającym kluczowe znaczenie i który należy uwzględnić podczas obliczania obciążenia jest prawidłowo zaprojektowany margines bezpieczeństwa. Ponadto konieczne jest właściwe zaprojektowanie punktów nagłych zatrzymań, tak aby zapobiec wypadnięciu rozpędzonego robota z szyny w sytuacji, gdyby miał się on nagle się zatrzymać przy pełnej prędkości i pełnym obciążeniu. W przypadku, gdy znane są już szczegóły w zakresie obciążenia dynamicznego, możliwe jest dobranie siłownika, który spełnia te wymagania.

Na przykład, dostępne są siłowniki, które są w stanie przenosić dynamiczne obciążenia osiowe o wartości od 780 do 5 510 N i dostosowane do długości skoku wynoszącej od 100 mm do 6 m. Do tej pory prędkość przemieszczania była niewielka ze względu na nadmierny ciężar. Jednak nowsze siłowniki mogą osiągać prędkość już od 5 m/s. Ponadto zarówno siłowniki lekkie, jak i wysokowydajne są przystosowane do szerokiej gamy zastosowań robota.

Przy obliczaniu wartości obciążenia ważne jest również określenie stanu dostępnej powierzchni montażowej. Na tym etapie należy wziąć pod uwagę następujące kwestie:

  • Czy beton jest wystarczająco gruby, aby wytrzymał ciężar i obciążenie zarówno robota, jak i szyny?
  • Ile punktów montażowych będzie wymaganych, biorąc pod uwagę dostępne podłoże betonowe?
  • Czy możliwe jest dodanie większej ilości betonu?
  • Czy powierzchnie są wypoziomowane?
  • Czy obszar docelowej instalacji umożliwi wypoziomowanie systemu szynowego z zachowaniem dostępnej regulacji?

Jeśli nie, przed zaplanowaniem instalacji należy rozważyć różne opcje wypoziomowania i wzmacniania powierzchni montażowej.

Prędkość i przyspieszenie

Aby dopasować siłownik do robota, kluczowa jest znajomość wymaganej prędkości poruszania, a także wartości przyspieszania i hamowania. Na przykład:

  • Czy przemieszczenie robota do danego położenia w celu wykonania ruchu podniesienia i umieszczenia ładunku lub zadania montażowego oraz przywrócenie robota do położenia wyjściowego zostaną szybko zrealizowane?
  • Czy robot przeprowadzi operację przeniesienia ciężkiego przedmiotu obrabianego z jednego obszaru do drugiego?

Istotne jest zaznajomienie się z tymi informacjami przed przystąpieniem do wyboru siłownika. Chociaż niektóre siłowniki liniowe są przystosowane do obsługi ciężkich ładunków przy prędkościach wynoszących do 5 m/s, inne mogą być przeznaczone do wykonywania lżejszych i wolniejszych operacji.

Precyzja i dokładność

Bardzo ważne jest określenie poziomu precyzji, dokładności i powtarzalności wymaganej w odniesieniu do danego zastosowania. Podczas liniowego przesuwania robota do danego położenia, w którym będzie mógł wykonywać określone zadanie, ruch urządzenia powinien być niezawodny i powtarzalny. Tak naprawdę to dokładność i powtarzalność zastosowania są wymaganiami, które mają największy wpływ na wybór wyposażenia szynowego.

Należy rozważyć, czy w przypadku korzystania z jednej szyny przez wiele robotów nie będą potrzebne dodatkowe belki nośne, tak aby uniknąć odgięć podczas równoczesnego przemieszczania się robotów. Należy również pamiętać, że konstrukcja szyny powinna obejmować trzpienie ustalające lub inne elementy wyrównujące w celu zapewnienia robotowi punktu odniesienia na potrzeby jego kalibracji. W sytuacjach, które wymagają bardzo wysokiego poziomu dokładności pozycjonowania, należy rozważyć uwzględnienie dodatkowego enkodera liniowego. Należy również wziąć pod uwagę układ napędowy. Najlepsze wyniki pod względem dokładności osiągają siłowniki z napędem śrubowym, w drugiej kolejności są to układy z mechanizmem zębatkowym, a następnie urządzenia z napędem pasowym.

Kolejnym aspektem wymagającym rozważenia w odniesieniu do dokładności pozycjonowania jest sztywność. Aby uzyskać wysoki poziom sztywności, możliwe jest zastosowanie dodatkowych belek wzdłuż niektórych fragmentów drogi liniowej, dzięki czemu będzie można uzyskać dodatkowe wsparcie. Pomyśl o umieszczeniu belek w kluczowych obszarach, takich jak punkty podnoszenia i opuszczania ładunku lub miejsca, w których konieczne jest zatrzymanie robota i wykonanie przez niego zadań wizualnych, takich jak zrobienie zdjęcia. Chodzi o to, aby dokładnie określić działania, jakie nastąpią wzdłuż drogi, jaką pokonuje robot i aby – w zależności od potrzeb – zwiększyć sztywność konstrukcji w celu poprawienia dokładności jego pracy. W przypadku, gdy te kluczowe informacje nie są znane lub zostały określone z góry, istnieje prawdopodobieństwo zaprojektowania niewłaściwej pod względem rozmiarów (zbyt małej lub zbyt dużej) konfiguracji siłownika do celów wdrożenia siódmej osi liniowej.

Cykl pracy, żywotność i okablowanie

Na tym etapie projektowania w pierwszej kolejności należy rozważyć cykl pracy związany z danym zastosowaniem robota oraz czas trwania tego cyklu. Czy robot będzie pracował 24/7, czy tylko przez kilka godzin dziennie? Pomyśl również o wymaganiach w zakresie żywotności. Czy robot będzie działał przez dwa, pięć czy 10 lat? Odpowiedzi na te pytania wiążą się z kwestiami dotyczącymi konserwacji i smarowania zarówno robota, jak i siłowników liniowych, ponieważ czynności te są uzależnione od czasu pracy tych urządzeń. Niektóre siłowniki mogą przebyć drogę 20 000 km lub dłuższą bez konieczności smarowania, podczas gdy inne wymagają bardziej regularnej konserwacji.

Dobór odpowiedniego okablowania jest kolejnym ważnym aspektem. Większość standardowych kabli stosowanych w robotyce nie jest odporna na wielokrotne zginanie. W związku z tym konieczny jest zakup dodatkowych elementów okablowania. Kable powinny cechować się dużą elastycznością, a ich dodatkowymi właściwościami, jakie należy uwzględnić, jest promień gięcia, a także znamionowa liczba cykli zginania, jakie kabel jest w stanie wytrzymać przed uszkodzeniem. Poza tym, należy dokładnie z wyprzedzeniem zaplanować rozmiar i lokalizację prowadnicy kablowej, aby zapewnić, że wszystkie niezbędne elementy okablowania pasują, a prowadnica kablowa nie zakłóci ruchów robota.

Środowisko pracy również będzie miało wpływ na przebieg konserwacji. W obszarach zanieczyszczonych, np. metalowymi opiłkami, wiórami lub smarem, siłownik będzie wymagał większej ochrony, na przykład w postaci uszczelnionego lub ukrytego paska do filcowych wycieraczek służących do usuwania pozostałości materiałów z szyn liniowych. Ważne jest również uwzględnienie kosztów ochrony wymaganej w odniesieniu do danego zastosowania robota, aby uniknąć nadmiernego wyszczególnienia.

Dostępna pomoc techniczna

W wielu przypadkach, poprzez dodanie siódmej osi liniowej do ramienia przegubowego, istnieje możliwość rozszerzenia przestrzeni roboczej sześcioosiowego robota w takim stopniu, że możliwe będzie zastosowanie mniejszego robota do wykonywania tej samej pracy. Ponadto, chociaż określenie systemu wahadłowego składającego się z siłowników liniowych wydaje się proste, niezwykle ważne jest dokładne sprecyzowanie zastosowań, w ramach których takie rozwiązanie będzie wykorzystywane. Na rynku dostępnych jest wiele rodzajów i rozmiarów siłowników, z których każdy posiada unikalne cechy dostosowane do różnych zastosowań i środowiska pracy.

 

Dodanie siódmej osi liniowej do sześcioosiowego robota z ramieniem przegubowym może skutkować rozszerzeniem przestrzeni roboczej oraz umożliwić zastosowanie mniejszego i tańszego robota.

 

Projektowanie 7. osi do robota z ramieniem przegubowym wymaga przemyślenia wielu kwestii. Przed ustawieniem szyn siłownika należy zaplanować rozmieszczenie, powierzchnie montażowe, prześwit, prędkość i maksymalne obciążenie.

 

Do przesuwania robota w przód i w tył można wykorzystać szynę siłownika. Szyna musi być odpowiednio zaprojektowana i dostosowana do prędkości, długości przesuwu, obciążenia i środowiska pracy.

 

7-osiowy system wahadłowy Tecline firmy Rollon służący do przenoszenia robotów i ciężkich ładunków na dalekie odległości jest wyposażony w prowadnice kulowo-toczne lub rolki, podczas gdy ich system napędowy został zaprojektowany z uwzględnieniem zębatki i zębnika. Przenośnik wahadłowy ma regulowane krawędzie, zapewniające równomierne ustawienie nawet na nieregularnych powierzchniach.

 

Tekst:

Rick Wood, Dyrektor Zarządzający, Rollon Corp.

Alex Bonaire, Kierownik Produktu, Mitsubishi Electric Automation, Inc.