Ak ste niekedy sledovali, ako továrenská montážna linka, stanica na manipuláciu s materiálom alebo malá výrobná bunka presne presúvajú diely, je pravdepodobné, že za prácou stál 3-osový servorobot. Tieto kompaktné a spoľahlivé roboty sú ťahúňmi mnohých operácií, ktoré sú cenené pre svoju jednoduchosť, cenovú dostupnosť a konzistentný výkon. Ak však kupujete jedno alebo chcete upgradovať svoje súčasné nastavenie, jedna otázka, ktorá sa takmer vždy objaví, znie: Aká je nosnosť každej osi 3-osového servorobota?
Ako dodávateľ týchto robotov dostávam túto otázku takmer každý deň. Nie je to triviálne. Nesprávny výpočet nosnosti, najmä pri jednotlivých osiach, je častou chybou, ktorá vedie k predčasnému opotrebovaniu, prestojom, či dokonca k poškodeniu dielov. V priebehu rokov som spolupracoval so všetkými od malých začínajúcich strojární až po veľkých výrobcov automobilových komponentov a na vlastnej koži som videl, ako správne zaťaženie každej osi spôsobuje alebo prerušuje životnosť robota.
Najprv trochu ustúpme, aby sme sa uistili, že sme všetci na rovnakej vlne: 3-osový servorobot má tri primárne osi pohybu, takmer vždy nazývané osi ramena, lakťa a zápästia. Niektorí si mýlia pojmy, ale pre účely nosnosti je najjednoduchšie predstaviť si každú os ako kĺb, ktorý pohybuje konkrétnou časťou ramena robota. Základná os (často označovaná ako os J1) otáča celé rameno doľava a doprava, os ramena (J2) zdvíha a spúšťa hornú časť ramena, os lakťa (J3) vysúva alebo sťahuje predlaktie a na niektorých malých 3 osiach môže byť zápästie zjednodušené na efektor s pevným koncom kĺbu. Počkajte, dovoľte mi to objasniť: Niektorí dodávatelia počítajú iba tri hlavné kĺby, takže J1, J2, J3 a uchopenie koncového efektora je samostatný nástroj, nie os. To je kľúčový rozdiel, pretože to mení spôsob merania zaťaženia.
Nosnosť nie je jedno číslo pre celý robot – pre každú os je iná a závisí od niekoľkých faktorov: dĺžka každého segmentu ramena, rýchlosť, ktorou sa pohybujete, hmotnosť koncového efektora (ako sú chápadlá alebo prísavky) a dokonca aj to, ako často robot spúšťate a zastavujete. Napríklad robot pohybujúci ťažkou časťou pomaly bude mať vyššiu efektívnu záťaž ako robot pohybujúci sa tou istou časťou plnou rýchlosťou, pretože zrýchlenie a spomalenie zvyšuje silu kĺbov.
Poďme si rozobrať každú os na základe štandardných 3-osových servorobotov, ktoré tu dodávame.
Počnúc osou J1 – základnou osou, ktorá otáča celé rameno robota vodorovne. Toto je „rameno“ základne a je zodpovedné za podporu celej hmotnosti nadlaktia, predlaktia, koncového efektora a akéhokoľvek prenášaného nákladu. Takže je to os s najvyššou nosnosťou, však? Vlastne nie vždy. Počkaj, nie, buďme presní. Pre väčšinu 3-osových robotov určených na manipuláciu s materiálom a jednoduchú montáž je os J1 postavená tak, aby zvládla celkové užitočné zaťaženie pri plnom vysunutí ramena. Ak má váš robot maximálny dosah 1 meter a rameno vysúvate úplne von, J1 musí niesť toto plné zaťaženie plus krútiaci moment z ramena páky vytvorený predĺženou dĺžkou. Častou chybou zákazníkov je, že si myslia: "Ak má moja súčiastka 5 kg, každá os zvládne 5 kg." Ale to vôbec nie je pravda. Os J1, keď je rameno úplne vysunuté, musí odolať nielen 5kg časti, ale aj sile, ktorú toto závažie ťahá smerom von, keď sa otáča. To je dôvod, prečo pre náš štandardný 3-osový servorobot má os J1 nosnosť medzi 10 kg a 20 kg, v závislosti od modelu. Ale to je na dosah. Ak pracujete na polovičnom maximálnom dosahu, J1 zvládne ešte viac – až 30 kg na niektorých našich modeloch s väčším zaťažením.
Nasleduje os J2, os ramena, ktorá zdvíha a spúšťa nadlaktie. Táto os je zodpovedná za podporu spodnej časti ramena, predlaktia a užitočného zaťaženia, ale nemusí odolávať plnému krútiacemu momentu horizontálnej rotácie ako J1. Namiesto toho musí zvládnuť vertikálne zaťaženie, keď sa rameno pohybuje hore a dole. Jeho nosnosť je o niečo nižšia ako u J1 pre väčšinu prevádzkových rozsahov. Napríklad pri strednom predĺžení ramena os J2 zvyčajne zvládne hmotnosť medzi 8 kg a 15 kg. Kompromisom je rýchlosť: ak pohybujete ramenom rýchlo medzi polohami, J2 musí generovať väčší krútiaci moment na zrýchlenie pohybu nahor/nadol, takže jeho efektívna nosnosť klesá pri vyšších rýchlostiach. Preto vždy zákazníkom radíme, aby prispôsobili rýchlosť svojho robota ich požiadavkám na zaťaženie – prevádzka robota pri maximálnej rýchlosti s takmer maximálnym zaťažením povedie k predčasnému opotrebovaniu ložísk v osi J2, čo znamená nákladné opravy na linke.
Potom je tu os J3, os lakťov, ktorá vysúva a sťahuje predlaktie. Toto je os, ktorá má z troch hlavných osí najnižšiu nosnosť a často je najviac prehliadaná. Os J3 podporuje hmotnosť predlaktia, koncového efektora a užitočného zaťaženia iba vtedy, keď je rameno úplne vysunuté alebo zatiahnuté. Pretože predlaktie je páka, keď vytiahnete predlaktie úplne von, J3 musí odolávať ohybovým silám z konca ramena. Jeho nosnosť je zvyčajne medzi 5 kg a 10 kg, opäť v závislosti od modelu a prevádzkového rozsahu. Táto os je zložitá v tom, že je najbližšie ku koncu ramena, takže aj malá preťažená časť môže spôsobiť značné namáhanie kĺbu. Pamätám si zákazníka, ktorý si pred pár rokmi kúpil 3-osového robota na presúvanie malých kovových výliskov. Nakladal súčiastky na samom konci predĺženého predlaktia a v priebehu šiestich mesiacov neustále lámal prevodovku J3. Ukázalo sa, že dával diely s hmotnosťou 8 kg na os s hmotnosťou iba 5 kg, pretože si neuvedomil, že kapacita J3 je nižšia ako u ostatných dvoch. Akonáhle prešiel na model s vyššou kapacitou J3, jeho výpadky klesli takmer na nulu.
Teraz si povedzme o faktoroch, ktoré menia tieto čísla, pretože nie sú pevne stanovené. Po prvé, dĺžka ruky. Máme modely s dosahom 500 mm, dosahom 800 mm a ešte dlhším – hoci pri aplikáciách s dlhším dosahom mnohí zákazníci prechádzajú na viacosové roboty, ako sú 5-osové servoroboty, ktoré ponúkajú väčšiu presnosť pre rozšírenú prácu. Počkajte, keď už o tom hovoríme, ak vaša aplikácia vyžaduje väčšiu flexibilitu, ako môžu ponúknuť 3 osi, naša 5-osová linka je skvelou voľbou, vrátane univerzálneho 5-osového servorobota a päťosového AC servopohonu, ktoré sú skonštruované pre vyššie zaťaženie a zložitejšie dráhy. Ďalším faktorom je koncový efektor. Pneumatický uchopovač môže vážiť 1 kg, zatiaľ čo vlastný hydraulický uchopovač môže vážiť 5 kg a túto hmotnosť je potrebné pripočítať k užitočnému zaťaženiu pri výpočte zaťaženia každej osi. To je niečo, čo vždy kontrolujeme, keď uvádzame robota: pýtame sa na hmotnosť nástrojov, ktoré používate, aby sme tomu mohli prispôsobiť naše kapacitné odporúčania.
Rýchlosť je ďalšia veľká. Všetky naše hodnotenia nosnosti sú založené na štandardných prevádzkových rýchlostiach pre nepretržité používanie. Ak pracujete s robotom pri 100 % rýchlosti celý deň, každý deň, mali by ste znížiť svoje skutočné užitočné zaťaženie o 15 – 20 %, aby ste predĺžili životnosť robota. Ak ho používate na pomalšie a presné operácie, môžete sa priblížiť k menovitej kapacite. Tiež pracovný cyklus – ako často zastavujete a spúšťate robota. Aplikácie s veľmi častými dobami cyklu (ako je vyberanie a umiestňovanie dielov každé 2 sekundy) viac zaťažujú všetky osi, takže nižšie zaťaženie je tu lepšie.
Často dostávam otázku: "Existuje spôsob, ako upgradovať 3-osového robota, ak potrebujem vyššiu nosnosť?" Krátka odpoveď znie: zvyčajne nie, pretože motor, prevodovka a ložiská každej osi sú dimenzované na špecifické zaťaženie. To je dôvod, prečo je dôležité, aby sa to podarilo hneď na prvýkrát. Ak máte čo do činenia s veľkým užitočným zaťažením alebo aplikáciami, ktoré vyžadujú pohyblivé časti ďaleko od základne, 3 osi nemusí byť najvhodnejšie a získate lepší výkon z modelu s dlhším ramenom alebo viacosového dizajnu. Napríklad, ak potrebujete dosiahnuť cez veľkú pracovnú plochu, náš profesionálny manipulátor s dlhým ramenom je skonštruovaný pre rozšírený dosah pri zachovaní stálej nosnosti.
Mnoho ľudí sa tiež pýta, aké sú 3-osové roboty v porovnaní s inými typmi. Pre aplikácie s veľmi vysokým zaťažením, ako je pohyb dielov s hmotnosťou 50 kg a viac, môže byť alternatívou paralelný robot, ktorý je však lepší pre veľmi rýchle a ľahké zaťaženie. 3-osové servo roboty dosahujú dobrú rovnováhu medzi nosnosťou, cenou a jednoduchosťou, a preto sú také obľúbené. Ľahšie sa programujú ako 5-osové roboty a sú kompaktnejšie ako väčšie priemyselné ramená pre malé až stredné pracovné bunky. Samozrejme, ak vaše potreby rastú, máme aj rad 5-osových robotov na tlakové liatie navrhnutý pre ťažké, vysokorýchlostné tlakové liatie, ktoré dokážu zvládnuť oveľa vyššie celkové zaťaženie ako naše štandardné 3-osové modely.
Tu je tip, ktorý som sa naučil za roky práce so zákazníkmi: nepozerajte sa len na celkové užitočné zaťaženie robota – pozrite sa na individuálnu nosnosť každej osi, najmä v prípade osi J3. Väčšina výrobcov uvádza celkové užitočné zaťaženie na technickom liste robota, ale nerozlišujú kapacitu jednotlivých osi, čo je to, čo skutočne potrebujete pre dlhodobú spoľahlivosť. V našej spoločnosti vždy poskytujeme úplný rozpis nosnosti každej osi spolu s dosahom, rýchlosťou a ďalšími špecifikáciami, takže naši zákazníci nie sú zaskočení.
Ďalšou častou chybou je nesprávne posúdenie momentového ramena. Momentové rameno je vzdialenosť od osi k ťažisku bremena. Napríklad, ak máte 10 kg časť na konci 800 mm predlaktia, moment je 10 kg * 0,8 m = 8 kg·m, čo je veľká sila na osi J3. Ak tú istú časť posuniete do polovice predlaktia, moment klesne na 10 kg * 0,4 m = 4 kg·m, takže os J3 to ľahko zvládne. Preto je pochopenie polohy vášho nákladu vzhľadom na jednotlivé osi rovnako dôležité ako poznať hmotnosť nákladu.
Ak si stále nie ste istí, akú nosnosť potrebujete pre jednotlivé osi, najlepšie urobíte, ak sa obrátite na náš tím. Pomohli sme stovkám zákazníkov vybrať ten správny 3-osový servorobot (alebo upgradovať na viacosový model) na základe ich špecifickej aplikácie, užitočného zaťaženia, dosahu a požiadaviek na rýchlosť. Napríklad zákazník v elektronickom priemysle môže potrebovať malý 3-osový robot s kapacitou 5 kg J1 na manipuláciu s doskami plošných spojov, zatiaľ čo zákazník v oblasti lisovania kovov môže potrebovať ťažší 20 kg model J1 na premiestňovanie veľkých výliskov. So zákazníkmi tiež spolupracujeme na úprave nastavení, ak sa ich potreby časom menia, a ponúkame podporu pre integráciu koncových efektorov a iných komponentov.
Mal by som tiež spomenúť, že nosnosť nie je jediným faktorom pri výbere 3-osového servorobota. Presnosť, opakovateľnosť, energetická účinnosť a jednoduchosť programovania sú dôležité, no základom je nosnosť. Robot, ktorý sa dostane na všetky správne miesta, rýchlo sa pohybuje a je ľahko programovateľný, je zbytočný, ak sa pokazí, pretože ste preťažili os J3.
Dovoľte mi to uzavrieť rýchlou rekapituláciou, aby to bolo jasné: Pre štandardný 3-osový servorobot má každá os špecifickú nosnosť, pričom os J1 (základňa) je najsilnejšia, za ňou nasleduje J2 (rameno), potom J3 (lakť) ako najslabšia. Tieto čísla sa menia na základe dĺžky ramena, rýchlosti, hmotnosti koncového efektora a toho, ako ďaleko je zaťaženie umiestnené od osi. Vždy je lepšie podceniť požadované zaťaženie a ísť o niečo vyššie, ako si myslíte, že potrebujete, než tlačiť robota na jeho hranice, čo povedie k väčšej údržbe a prestojom.
Ak hľadáte 3-osový servorobot alebo ak uvažujete o inovácii na viacosové riešenie pre ťažšie alebo flexibilnejšie aplikácie, sme tu, aby sme vám pomohli. Náš tím vás môže previesť špecifikáciami, odpovedať na otázky o nosnosti jednotlivých osi a pomôcť vám nájsť správneho robota pre vaše operácie. Či už potrebujete malý univerzálny model alebo špecializovaný robot pre konkrétne odvetvie, máme možnosti, ktoré vyhovujú vašim potrebám.
Referencie:
- Priemyselné roboty: Kapacita zaťaženia a výkon osi, Asociácia robotického priemyslu, 2022
- Návrh servorobota: Výpočty krútiaceho momentu a zaťaženia, Mechanical Engineering Journal, zväzok 15, vydanie 3, 2021
- Aplikácie robotov na manipuláciu s materiálom: Bežné mylné predstavy o užitočnom zaťažení, Manufacturing Engineering Magazine, 2023
- Výkonové špecifikácie pre priemyselné roboty, ISO 10218-1:2011
Ak by ste chceli prediskutovať svoje požiadavky na zaťaženie, potreby aplikácie alebo požiadať o vlastnú cenovú ponuku, kontaktujte náš tím, ktorý vám poskytne profesionálne poradenstvo pri výbere správneho 3-osového servorobota pre vaše operácie.