Здесь мы описываем основные факторы, влияющие на долговечность и производительность узлов промышленных роботов. Ссылки относятся к вспомогательным исследованиям, перечисленным в заключении статьи.

В последние годы во многих отраслях промышленности — от автомобилестроения до производства компьютеров, средств связи и бытовой электроники (3C) — наблюдается постоянный спрос на промышленных роботов. По сравнению с автоматизированным специализированным оборудованием на традиционных производственных линиях роботы обладают превосходной эксплуатационной гибкостью и возможностями. Таким образом, они особенно подходят для многовидового и мелкосерийного производства — для быстрого реагирования на изменения рынка и потребности потребителей.

Напомним, что промышленные роботы — это автоматически управляемые программируемые многоцелевые манипуляторы, которые перемещают грузы по трем или более осям. Преимущества использования промышленных роботов включают повышение качества и производительности; сокращение вариативности производства; экономию сырья; сокращение времени изготовления продукции; и снижение общих производственных затрат в долгосрочной перспективе. Кроме того, они широко используются для освобождения людей-работников от повторяющихся задач и грязной или опасной окружающей среды.

Более широкое использование промышленных роботов подстегнуло спрос на использование всего потенциала технологии. Показательный пример: Промышленные роботы все чаще используются в индустрии управления движением для оптимизации производительности производства. Это, в свою очередь, стимулировало промышленные и научные усилия по разработке промышленных роботов следующего поколения.

Значительные достижения в области приводов и технологий управления позволили разработать сложные модульные роботизированные соединения. Модульные роботизированные соединения стандартизированы, но при этом способны взаимодействовать с множеством других деталей и систем. Модульность обеспечивает универсальность конструкции и возможностей станка, адаптивность и простоту сборки. Интегрированные мехатронные модульные соединения также превосходят обычную робототехнику — благодаря более высокой удельной мощности, динамическим характеристикам и надежности наряду с меньшим весом.

Одно предостережение заключается в том, что промышленные роботы могут потребовать значительных первоначальных инвестиций. Решающими факторами при рассмотрении вопроса о роботах для замены дорогостоящего человеческого труда являются срок окупаемости капиталовложений и срок службы робота. Быстрая окупаемость и длительный срок службы обеспечивают максимальную отдачу.

Некоторые производители компонентов для перемещения хорошо разбираются в сервоприводных компонентах, используемых в робототехнической промышленности. Конструкции OEM-роботов для совместной работы (cobot) с небольшой полезной нагрузкой оптимизируются за счет включения одного или нескольких модульных роботизированных соединений; в некоторые такие модульные роботизированные соединения встроены бескаркасные моментные двигатели в виде серводвигателей с постоянными магнитами переменного тока (PMAC) для обеспечения простоты и безопасности конструкции. Тщательное проектирование означает, что некоторые бескаркасные двигатели оптимизированы с учетом ограничений по пространству или весу, а также требований к производительности и надежности.

Теперь давайте рассмотрим различные факторы, влияющие на долговечность и производительность узлов промышленных роботов.

Высокие температуры сокращают срок службы промышленных роботов. Рассмотрим соединительный модуль мехатронного робота: он содержит бескаркасный двигатель, сервопривод, специальную систему зацепления, тормоз, энкодер или распознаватель, датчик крутящего момента, соединительные кабели и так далее в одном компактном корпусе. Нормальная работа приводит к выделению тепла внутри этого корпуса — в основном от зубчатой передачи, обмоток двигателя и тормозной катушки, если применимо, — наряду с другими электрическими и электронными компонентами. Зубчатое зацепление является наиболее значительным источником тепла, если используется зубчато-волновая передача, на долю которой приходится до 30% общих потерь мощности из—за трения зубчатого зацепления, трения сдвига вязкой смазки и энергии, затрачиваемой на многократное деформирование металлической гибкой пластины при каждом обороте. Неэффективное рассеивание тепла приведет к перегреву робота и снижению его производительности.

Выходной вал роботизированного шарнира обычно вращается со скоростью от 10 до 40 оборотов в минуту. Двигатель обычно вращается со скоростью от 1000 до 4000 оборотов в минуту короткими импульсами во время движений суставов робота. Таким образом, зубчатая передача снижает скорость и увеличивает разгонный момент на выходе, обеспечивая высокую плотность крутящего момента относительно его габаритных размеров (крутящий момент на единицу объема) и удельного крутящего момента (крутящий момент на единицу массы).

Зубчатые механизмы с волновой деформацией обладают явными преимуществами, которые оправдывают их использование в промышленности и роботах, такими как высокое передаточное отношение в одной ступени; нулевой или почти нулевой люфт и простая конструкция; точная передача крутящего момента; а также высокая точность позиционирования и повторяемость. Тензоволновая передача включает в себя генератор волн в форме эллипса, гибкую шлицу и круговой шлиц. Гибкая линия — это подкомпонент, ограничивающий срок службы. Во время работы он испытывает постоянно меняющиеся величины упругой деформации в результате вращения генератора волн в форме эллипса — и должен вращаться с минимальным угловым отклонением. Таким образом, гибкая шина должна быть гибкой в радиальном направлении, но жесткой в тангенциальном направлении, чтобы точно передавать вращательное движение.

Потери мощности в деформационно-волновой передаче обусловлены различные механизмы включая:

Потеря трения из-за зацепления зубчатых колес между зубьями flexspline и жестким круговым шлицем на трех этапах зацепления зубьев — вход в зацепление, зацепление и выход из зацепления. В отличие от обычной зубчатой передачи, движение зубьев в механизме с точечной волной в основном скользящее из-за небольшого фазового сдвига между соответствующими зубьями в зацеплении. Скольжение между зубьями приводит к потерям энергии и нагреву узла до равновесного значения от 60 до 70° C.

Потеря молекулярного трения из-за вязкое трение в смазочном материале.

Потеря трения в подшипнике в подшипнике поперечного ролика, подшипнике генератора волн и других подшипниках.

Механические потери из-за периодически повторяющейся энергии упругой деформации, обусловленной крутильными и радиальными деформациями гибкой линии.

На некоторые из этих потерь мощности сильно влияет рабочая температура.

Обычные зубчатые передачи обычно имеют некоторый уровень люфта. Зазор снижает точность системы зацепления, но обеспечивает пространство для смазки и теплового расширения. Учитывая, что зубчатая передача с волновой деформацией по своей природе имеет практически нулевой люфт, при высокой температуре тепловое расширение ее зубчатых элементов может вызвать взаимное зацепление зубчатых колес и увеличить контактное давление зубьев и трение при зацеплении.

Характеристики износа зубчатых передач с волновой деформацией в значительной степени зависят от состояния смазочного материала, на которое, в свою очередь, влияет рабочая температура. Чрезмерно высокие температуры могут привести к разрушению смазочной пленки, что, в свою очередь, приводит к образованию потертостей на контактирующих поверхностях зубьев шестерни.

Эффективность волново-деформационной передачи пропорциональна процентилю нагрузки (отношение крутящего момента нагрузки к допустимому среднему крутящему моменту) и допустимой рабочей температуре — и обратно пропорциональна входной скорости (передаточному числу). Максимальная температура составляет от 50 до 70 °C в зависимости от производителя и класса смазки.

Тормоза с электрическим приводом широко распространены на промышленных роботах. Тормоза в этих приложениях обычно включают электромагнитную индуктивную катушку с механическим пружинным механизмом для приведения в состояние удерживающего трения (помехи) при снятии напряжения с катушки. Тормозные катушки, находящиеся под напряжением во время движения двигателя, выделяют тепло. Затем электрическое сопротивление катушки увеличивается с увеличением сопротивления катушки R_c при температуре T, изменяющейся линейно с разницей температур между рабочей температурой T и температурой окружающей среды T_a определяется как:

Где α = температурный коэффициент материала (для медной магнитной проволоки α = 0,00393 на °C) и T_a = Температура окружающей среды и с:

= Электрическое сопротивление катушки при температуре окружающей среды, поэтому, если температура повышается на 30°C выше температуры окружающей среды, сопротивление катушки увеличивается на 12%.

Бескаркасные двигатели подходят для применений, где размер и вес являются главными целями проектирования. По сравнению с корпусными двигателями этот тип двигателей может предложить конечным пользователям коммерческие и технические конкурентные преимущества, включая высокую плотность крутящего момента, улучшенные возможности отвода тепла и гибкость при разработке индивидуальных конструкций. Установка бескаркасных двигателей (статора и ротора) непосредственно на подшипники, уже поддерживающие компоненты зубчатой передачи, сводит к минимуму общий размер роботизированного соединения и устраняет избыточные компоненты. Последнее может включать в себя дополнительные подшипники для поддержки ротора, отдельный вал и муфту для соединения вала двигателя с волновым генератором редуктора.

Номинальные значения постоянного крутящего момента, указанные в каталогах производителей двигателей, основаны на установленных температурах окружающей среды — обычно 40°C. Когда фактическая температура окружающей среды превышает номинальные значения, производительность двигателя ухудшается, а на низких скоростях, близких к остановке, его выходной крутящий момент уменьшается:

Где t_{максимум} = Максимальная температура обмотки двигателя, t_a = Номинальная температура окружающей среды, t_a,r = Реальная температура окружающей среды, T_c = Номинальный постоянный (низкоскоростной) крутящий момент, и T_c,d = Уменьшенный крутящий момент при реальной температуре окружающей среды. Итак, с t_{максимум} = 80° C, t_a = 40° C, и t_a,r = 60° C, уменьшенный крутящий момент составляет 70,7% от первоначального постоянного крутящего момента. При низких скоростях потери мощности бескаркасного двигателя в основном обусловлены потерями купера в обмотках двигателя. Потеря мощности из-за сопротивления обмотки P_l связано с текущим i и сопротивление электрической обмотки R_в:

Как продемонстрировал R_c,T уравнение, рассмотренное ранее, относится к тормозным катушкам: более высокая температура непосредственно приводит к более высокому сопротивлению обмотки R_в а это, в свою очередь, приводит к более высоким потерям мощности в шарнирной руке робота.

Формула снижения крутящего момента не учитывает отсутствие-Я²R потери двигателя, такие как потери железа, так как эти потери железа увеличиваются в зависимости от скорости, снижение крутящего момента будет более выраженным, чем предсказывает этот расчет.

Потери железа в сердечнике двигателя зависят как от основной электрической частоты, так и от уровней плотности магнитного потока в магнитной цепи двигателя. Количество полюсов двигателя определяет основную частоту, а конструкция сердечника статора и постоянных магнитов задает уровни плотности магнитного потока. В частности, потери железа на вихревые токи зависят как от квадрата основной частоты, так и от квадрата плотности потока.

Рабочие скорости робота являются ключевым фактором в электромагнитной конструкции бескаркасного двигателя, поскольку выбор количества полюсов двигателя и конструкция сердечника статора определяют баланс Я²R и потери железа. Оптимизированная электромагнитная конструкция обеспечивает наилучшую эффективность двигателя во всем диапазоне рабочих скоростей роботов.

Роботы используют множество датчиков, включая энкодеры, распознаватели и датчики крутящего момента. Ключевой характеристикой этих датчиков является их чувствительность к температуре. Для оптических энкодеров повышение температуры приводит к снижению светоотдачи светодиода. Тепловое расширение также влияет на производительность оптического энкодера. Фактически, в некоторых ситуациях тепловое расширение может уменьшить воздушный зазор между диском и источником (детектором) на 0,020 дюйма (0,51 мм). Экстремальные случаи такого теплового расширения могут привести к контакту подкомпонентов и привести к повреждению энкодера или даже катастрофический сбой. Для магнитных энкодеров тепловое расширение и сжатие магнитного колеса может изменять шаг магнитных полюсов и, таким образом, изменять выходную мощность.

Сервоприводы являются ключевыми в различных роботах, включая коботов, промышленных шарнирно-сочлененных роботов и медицинских роботов. Но частота отказов электронных компонентов резко возрастает при высоких температурах. Закон Аррениуса гласит, что при каждом повышении рабочей температуры на 10°C выше номинальной ожидаемый срок службы сокращается вдвое.

Являясь одним из основных источников электрического шума, тепловой шум возникает из-за тепловых флуктуаций электронной плотности внутри проводника и, таким образом, всегда присутствует в электронных схемах. Это сильно зависит от температуры — другими словами, чем выше температура, тем выше уровень теплового шума. Единственный способ снизить уровень теплового шума — это снизить рабочую температуру.

Смазка оказывает значительное влияние на производительность как двигателей, так и тензодатчиков. В роботах используется несколько типов подшипников — поперечно-роликовые подшипники, подшипники генератора волн и обычные шарикоподшипники с глубокими пазами. Эти подшипники смазываются пластичными смазками на основе минеральных масел.

Конечно, на трение подшипника влияет несколько факторов, включая температуру, скорость, нагрузку, свойства смазки и условия эксплуатации. Изменение температуры приводит к значительным изменениям вязкости смазки и молекулярного трения. Холод может значительно снизить характеристики консистентной смазки по выделению масла и привести к недостаточному смазыванию, что может привести к износу и выходу системы из строя. Для сравнения, высокие температуры могут расщеплять молекулы масла на более мелкие молекулы, что приводит к снижению вязкости. Это может привести к утечке масла из подшипника. На самом деле, высокие температуры также могут спровоцировать два других выход из строя смазки механизмы:

Окисление масла может привести к повышению вязкости масла, образованию отложений и потере способности образовывать защитную смазочную пленку. Вторым механизмом разрушения, уникальным для консистентной смазки, является снижение способности загустителя удерживать масляную фазу. В экстремальных условиях последнее может привести к необратимой потере смазочного масла.

Как правило, скорость химических реакций (включая окислительную и термическую деструкцию) изменяется в два раза при каждом изменении температуры на 10°C. Это означает— что повышение температуры на 10°C удваивает скорость реакции и вдвое сокращает ожидаемый срок службы. Повышенные температуры быстро приводят к выходу смазки из строя по мере их увеличения.

Некоторые типы промышленных роботов предназначены для работы в суровых условиях, таких как роботы для окраски распылением, сварочные роботы, а также роботы для полировки и шлифования. Такие экстремальные условия, как влажная или раскисшая местность, пыль, влажность, вибрация и удары, коррозия, токсичные условия (например, радиация) и так далее, могут существенно повлиять на производительность и срок службы робота.

Промышленные роботы с различными внешними покрытиями, материалами и уплотнениями отличаются своей способностью выдерживать суровые условия. Большинство роботов поступают к конечному пользователю уже запечатанными. Но после длительного периода эксплуатации термоциклирование может привести к перепадам давления и выходу из строя уплотнений — для входных путей и мест, которые позволяют внешнему мусору проникать внутрь робота.

Оптические энкодеры обнаруживают вращательное движение с помощью оптоэлектронных компонентов (включая шкалы точного шага, светодиоды и фотоприемники), которые могут серьезно пострадать в результате загрязнения. Воздействие пыли, грязи, воды или масла со временем может привести к частичному или полному выходу из строя энкодера. Оптические энкодеры, подверженные значительной вибрации или ударам, также могут выйти из строя, если оптический диск треснет или разобьется вдребезги — особенно те, в которых используется стеклянный диск.

Подшипники также чувствительны к загрязнению. Грязь, пыль и другие посторонние предметы, попадающие в подшипник, могут привести к появлению царапин, ямок и притираний на поверхности дорожки качения, а также к преждевременному повреждению. Влага может привести к повреждению подшипника несколькими способами. Подшипники, подвергшиеся воздействию влаги, могут подвергнуться коррозии или вытравливанию на их открытых поверхностях с образованием локализованных пятен коррозии. Такой характер коррозии, в свою очередь, приводит к чрезмерному шуму, незапланированным зазорам и коррозионной усталости в зонах коррозии.

Все остальные детали робота, от электродвигателей до электронных компонентов, могут подвергаться коррозии при воздействии агрессивных сред. Миниатюрная конструкция сервопривода, встроенного в шарнир робота, значительно сократила пространство между электронными компонентами, упростив их интеграцию в робота. Но такие конструкции также повышают риск воздействия агрессивных сред. На практике коррозия может возникать на протяжении всего жизненного цикла робота на различных этапах изготовления, сборки, транспортировки и хранения роботов, а также полевые операции.

Полезная нагрузка робота и общая инерционность системы влияют на динамические характеристики робота и точность управления положением. Полезная нагрузка робота относится к весу, который робот может поднимать и перемещать помимо своей собственной конструктивной массы. Когда робот несет очень большую нагрузку, на зубьях зубчатой передачи могут образоваться трещины. На самом деле поломка зубьев часто вызывается механическими перегрузками, которые превышают предел прочности материалов зубчатых колес на разрыв.

Общая инерция системы — это сумма инерции груза и инерции робота. Он играет ключевую роль в кинетике вращения и отражает тенденцию нагруженного объекта и робота сопротивляться изменениям в движении, а именно скорости и направлении. Более высокая инерционность системы, как правило, приводит к снижению точности управления позиционированием. Тем не менее, новейшая на сегодняшний день технология привода с высокой пропускной способностью и устройствами обратной связи с высоким разрешением свела к минимуму многие из этих эффектов и ограничений.

Работающая рука робота подвержена различным внешним нагрузкам и силам инерции в зависимости от ее положения, ориентации и скорости перемещения. Когда робот выполняет определенные задачи — например, перевозит полезную нагрузку, превышающую его опубликованный рейтинг, выполняет быстрые маневры и взаимодействует с большими силами или моментами в неструктурированной среде, — робот может потерять свой динамический баланс и стабильность движения. Когда робот испытывает приемлемую полезную нагрузку, но очень высокую инерцию, это может привести к медленному ускорению робота, неправильной работе или даже к тому, что робот не сможет выполнить заданное движение. Таким образом, безопасная работа робота зависит от тщательного учета как полезной нагрузки (инерции), так и эффективного контроля силы контакта.

Механизм с волновой деформацией может иметь несколько типов режимов разрушения. Усталостное разрушение гибкой пластины является наиболее распространенным режим сбоя. Испытания на зубчато-волновой передаче показали, что уже после четырех миллионов входных оборотов (для двигателя, работающего при 3000 об/мин, это эквивалентно 22,2 часам работы) профиль зубьев был полностью стерт и поврежден по всей ширине зубьев flexspline — и большей части ширины круглого шлица — от неправильная эксплуатация Более того, тензоволновая передача проявляет высокочастотные колебания (пульсации крутящего момента) в своем выходном крутящем моменте. В основном это происходит из-за вибрации зубчатого зацепления.

Каждая роботизированная система имеет свою собственную резонансную частоту, на которой возникает вибрация. Для вибрации, возбуждаемой вращением, резонанс известен как критическая скорость. Конечные пользователи должны избегать эксплуатации роботов вблизи присущих им резонансных частот.

Промышленные роботы часто работают в сложных условиях, тесно взаимодействуя с работниками-людьми и выполняя широкий спектр задач. Фактически, динамическая стабильность является одним из наиболее важных факторов, влияющих на производительность роботов и безопасность на рабочем месте, особенно для роботов с большой полезной нагрузкой, широким диапазоном перемещения и высокими скоростями перемещения. ⚙️Эта функция была создана благодаря Инженерный персонал Коллморгена.

Ссылки, подтверждающие эту статью:

[1] Шафер И. и др. (2005). Объемная смазка и производительность гармонического привода. Материалы 11-го симпозиума ESMATS, стр. 65-72, Люцерн, Швейцария

[2] Киркански, Н. М. и Гольденберг, А. А. 1997. Экспериментальное исследование нелинейной жесткости, гистерезиса и эффектов трения в шарнирах роботов с гармоническим приводом и датчиками крутящего момента. Международный. Журнал исследований робототехники 16 (2): 214-230.

[3] Динапар: Как температура и влажность влияют на производительность энкодера.

[4] Билгин Б., Сатьян А. (2014). Основы электрических машин в современных транспортных средствах с электроприводом (под редакцией Али Эмади). CRC Press: Бока-Ратон, Флорида.

[5] Корпорация «Эксон Мобил». 2012: Основы консистентной смазки.

[6] Ложанс, А. и Какитис, А. 2012. Оценка факторов окружающей среды, влияющих на роботов в теплицах. Материалы 11-й Международной конференции. Научная конференция –Инженерия для развития сельских районов», стр. 151-156. Елгава, Латвия..

[7] Шафер, И., Бурлье П., Хантшак, Ф., Робертс, Э. В., Льюис, С. Д., Форстер, Д. Дж. и др. 2005. Объемная смазка и эксплуатационные характеристики гармонических приводных механизмов. Материалы 11-го симпозиума ESMATS, стр. 65-72. Люцерн, Швейцария.

[8] Джонсон, М. Р., Гелинг, Р. и Хед, Р. 2006. Отказ гармонических передач во время проверки двухосного карданного подвеса для космического аппарата Mars reconnaissance orbiter. Материалы 38-го симпозиума по аэрокосмическим механизмам. Уильямсбург, штат Вирджиния.

[9] Бхадешия, Х. К. Д. Х. 2016. Предотвращение водородного охрупчивания сталей. ISIJ Международный. 56(1): 24-36.