Jeśli kiedykolwiek widziałeś fabryczną linię montażową, stację transportu materiałów lub komórkę produkcyjną na małą skalę, która precyzyjnie przemieszcza części, istnieje duże prawdopodobieństwo, że za pracą stał 3-osiowy serworobot. Te kompaktowe, niezawodne roboty są podstawą wielu operacji, cenione za prostotę, przystępność cenową i stałą wydajność. Ale jeśli kupujesz taki robot lub chcesz ulepszyć swoją obecną konfigurację, prawie zawsze pojawia się pytanie: Jaka jest nośność każdej osi 3-osiowego serwo robota?
Jako dostawca tych robotów niemal codziennie dostaję to pytanie. To nie jest banalne. Błędne obliczenie nośności, zwłaszcza dla poszczególnych osi, jest częstym błędem prowadzącym do przedwczesnego zużycia, przestojów, a nawet uszkodzenia części. Przez lata współpracowałem ze wszystkimi, od małych początkujących warsztatów mechanicznych po dużych producentów części samochodowych i widziałem na własne oczy, jak prawidłowe obciążenie każdej osi wpływa lub skraca żywotność robota.
Najpierw cofnijmy się trochę, aby upewnić się, że wszyscy jesteśmy na tej samej stronie: 3-osiowy serworobot ma trzy główne osie ruchu, prawie zawsze nazywane osiami ramion, łokci i nadgarstków. Niektórzy ludzie mylą pojęcia, ale ze względu na nośność najłatwiej jest pomyśleć o każdej osi jako o stawie, który porusza określoną częścią ramienia robota. Oś podstawy (często określana jako oś J1) obraca całe ramię w lewo i w prawo, oś barku (J2) podnosi i opuszcza górną część ramienia, oś łokcia (J3) prostuje lub cofa przedramię, a w niektórych małych konstrukcjach 3-osiowych nadgarstek można uprościć do postaci stałego efektora końcowego, a nie przegubu obrotowego. Czekaj, właściwie, pozwól mi to wyjaśnić: niektórzy dostawcy liczą tylko trzy główne przeguby, więc J1, J2, J3 i uchwyt efektora końcowego to osobne narzędzie, a nie oś. To kluczowe rozróżnienie, ponieważ zmienia sposób, w jaki mierzymy obciążenie.
Nośność nie jest pojedynczą liczbą dla całego robota – jest inna dla każdej osi i zależy od kilku czynników: długości każdego segmentu ramienia, prędkości, z jaką się poruszasz, ciężaru efektora końcowego (takiego jak chwytaki lub przyssawki), a nawet częstotliwości uruchamiania i zatrzymywania robota. Na przykład robot poruszający powoli ciężką część będzie miał większe obciążenie efektywne niż robot poruszający tę samą część z pełną prędkością, ponieważ przyspieszanie i zwalnianie zwiększa siłę w stawach.
Rozłóżmy każdą oś w oparciu o standardowe 3-osiowe serworoboty, które tutaj dostarczamy.
Zaczynając od osi J1 – osi bazowej, która obraca całe ramię robota w poziomie. Jest to „ramię” podstawy odpowiedzialne za utrzymanie pełnego ciężaru ramienia, przedramienia, efektora końcowego i wszelkich przenoszonych ładunków. Czyli to oś o największej nośności, prawda? Właściwie nie zawsze. Czekaj, nie, bądźmy tu precyzyjni. W przypadku większości robotów 3-osiowych przeznaczonych do przenoszenia materiałów i prostego montażu oś J1 jest zbudowana tak, aby wytrzymać cały ładunek przy pełnym wysunięciu ramienia. Jeśli Twój robot ma maksymalny zasięg 1 metra i ramię jest całkowicie wyciągnięte, J1 musi wytrzymać całe obciążenie plus moment obrotowy ramienia dźwigni wytworzony przez wysuniętą długość. Częstym błędem popełnianym przez klientów jest myślenie: „Jeśli moja część waży 5 kg, każda oś wytrzyma 5 kg”. Ale to wcale nie prawda. Oś J1, gdy ramię jest całkowicie wyciągnięte, musi wytrzymać nie tylko część o masie 5 kg, ale także siłę tego ciężaru ciągnącą się na zewnątrz podczas obrotu. Dlatego w przypadku naszego standardowego 3-osiowego serwo robota oś J1 ma nośność od 10 kg do 20 kg, w zależności od modelu. Ale to w pełnym zasięgu. Jeśli pracujesz z połową maksymalnego zasięgu, J1 może udźwignąć nawet więcej – do 30 kg w niektórych naszych cięższych modelach.
Następna jest oś J2, oś barkowa, która podnosi i opuszcza ramię. Oś ta odpowiada za podparcie dolnej części ramienia, przedramienia i ładunku, ale nie musi wytrzymywać pełnego momentu obrotowego w poziomie, jak J1. Zamiast tego musi wytrzymać obciążenie pionowe, gdy ramię porusza się w górę i w dół. Jego nośność jest nieco niższa niż J1 w większości zakresów roboczych. Na przykład przy średnim rozciągnięciu ramienia oś J2 może zazwyczaj wytrzymać obciążenie od 8 kg do 15 kg. Kompromisem jest tutaj prędkość: jeśli szybko przesuwasz ramię między pozycjami, J2 musi generować większy moment obrotowy, aby przyspieszyć ruch w górę/w dół, więc jego efektywna nośność spada przy wyższych prędkościach. Dlatego zawsze doradzamy klientom, aby dostosowali prędkość robota do wymagań dotyczących obciążenia — praca robota z maksymalną prędkością przy niemal maksymalnym obciążeniu doprowadzi do przedwczesnego zużycia łożysk w osi J2, co oznacza kosztowne naprawy na całej linii.
Następnie jest oś J3, oś łokcia, która prostuje i cofa przedramię. Jest to oś o najniższej nośności spośród trzech głównych osi, a często jest ona najczęściej pomijana. Oś J3 utrzymuje ciężar przedramienia, efektora końcowego i ładunku tylko wtedy, gdy ramię jest całkowicie wysunięte lub cofnięte. Ponieważ przedramię pełni funkcję dźwigni, kiedy przedramię zostanie całkowicie wyciągnięte, J3 musi wytrzymać siły zginające działające na koniec ramienia. Jego nośność wynosi zwykle od 5 kg do 10 kg, również w zależności od modelu i zakresu roboczego. To, co sprawia, że ta oś jest trudna, to fakt, że znajduje się ona najbliżej końca ramienia, więc nawet niewielka przeciążona część w tym miejscu może spowodować znaczne obciążenie stawu. Pamiętam klienta, który kilka lat temu kupił 3-osiowego robota do przenoszenia małych wytłoczek metalowych. Ładował części na samym końcu wyciągniętego przedramienia i przez sześć miesięcy ciągle psuł skrzynię biegów J3. Okazało się, że nakładał 8-kilogramowe części na oś o wadze zaledwie 5 kg, ponieważ nie zdawał sobie sprawy, że pojemność J3 jest mniejsza niż pozostałych dwóch. Kiedy przeszedł na model o większej pojemności J3, jego przestoje spadły niemal do zera.
Porozmawiajmy teraz o czynnikach, które zmieniają te liczby, ponieważ nie są one niezmienne. Po pierwsze, długość ramion. Posiadamy modele o zasięgu 500 mm, 800 mm, a nawet dłuższe – chociaż w przypadku zastosowań o większym zasięgu wielu klientów decyduje się na roboty wieloosiowe, takie jak 5-osiowe serworoboty, które zapewniają większą precyzję przy dłuższej pracy. A skoro już o tym mowa, jeśli Twoja aplikacja wymaga większej elastyczności, niż mogą zapewnić 3 osie, nasza linia 5-osiowa jest świetną opcją, obejmującą 5-osiowego serworobota ogólnego przeznaczenia i pięcioosiowy manipulator napędzany serwo AC, które są zbudowane z myślą o większych obciążeniach i bardziej złożonych ścieżkach. Kolejnym czynnikiem jest efektor końcowy. Chwytak pneumatyczny może ważyć 1 kg, podczas gdy niestandardowy chwytak hydrauliczny może ważyć 5 kg, a tę wagę należy dodać do ładunku podczas obliczania obciążenia każdej osi. To jest coś, co zawsze sprawdzamy, wyceniając robota: pytamy o wagę używanego narzędzia, abyśmy mogli odpowiednio dostosować nasze zalecenia dotyczące wydajności.
Prędkość to kolejna ważna kwestia. Wszystkie nasze parametry udźwigu opierają się na standardowych prędkościach roboczych przy pracy ciągłej. Jeśli używasz robota ze 100% prędkością przez cały dzień, każdego dnia powinieneś zmniejszyć rzeczywisty ładunek o 15-20%, aby przedłużyć żywotność robota. Jeśli używasz go do wolniejszych i precyzyjnych operacji, możesz zwiększyć pojemność bliżej znamionowej. Również cykl pracy – jak często zatrzymujesz i uruchamiasz robota. Zastosowania o bardzo częstych cyklach (np. pobieranie i umieszczanie części co 2 sekundy) powodują większe obciążenie wszystkich osi, dlatego w tym przypadku lepsze są mniejsze obciążenia.
Często otrzymuję pytanie: „Czy istnieje sposób na ulepszenie robota 3-osiowego, jeśli potrzebuję większego udźwigu?” Krótka odpowiedź brzmi: zwykle nie, ponieważ silnik, skrzynia biegów i łożyska każdej osi są dobrane pod kątem określonego obciążenia. Dlatego tak ważne jest, aby zrobić to dobrze za pierwszym razem. Jeśli masz do czynienia z dużymi ładunkami lub zastosowaniami, które wymagają ruchomych części daleko od podstawy, 3-osiowy może nie być najlepszym rozwiązaniem, a lepszą wydajność uzyskasz w przypadku modelu z dłuższym ramieniem lub konstrukcji wieloosiowej. Na przykład, jeśli chcesz sięgnąć po dużym obszarze roboczym, nasz profesjonalny manipulator o bardzo długim ramieniu został zbudowany z myślą o większym zasięgu przy jednoczesnym zachowaniu stałego udźwigu.
Wiele osób zastanawia się również, jak roboty 3-osiowe mają się do innych typów. W przypadku zastosowań wymagających bardzo dużych obciążeń, takich jak przenoszenie części o masie ponad 50 kg, rozwiązaniem może być robot równoległy, ale jest on lepszy w przypadku bardzo szybkich i lekkich ładunków. 3-osiowe serworoboty zapewniają dobrą równowagę pomiędzy udźwigiem, kosztem i prostotą, dlatego są tak popularne. Są łatwiejsze w programowaniu niż roboty 5-osiowe i bardziej kompaktowe niż większe ramiona przemysłowe, przeznaczone do małych i średnich stanowisk roboczych. Oczywiście, jeśli Twoje potrzeby wzrosną, mamy również linię 5-osiowych robotów do odlewania ciśnieniowego przeznaczoną do ciężkich operacji odlewania ciśnieniowego z dużą prędkością, które mogą wytrzymać znacznie wyższe całkowite obciążenia niż nasze standardowe modele 3-osiowe.
Oto wskazówka, której nauczyłem się przez lata pracy z klientami: nie patrz tylko na całkowite obciążenie robota – spójrz na indywidualną nośność każdej osi, szczególnie w przypadku osi J3. Większość producentów podaje całkowitą ładowność w karcie specyfikacji robota, ale nie podaje wydajności na oś, która jest faktycznie potrzebna do zapewnienia długoterminowej niezawodności. W naszej firmie zawsze zapewniamy pełne zestawienie nośności każdej osi, wraz z zasięgiem, prędkością i innymi specyfikacjami, aby nasi klienci nie byli zaskoczeni.
Innym częstym błędem jest błędna ocena ramienia momentu. Ramię momentu to odległość od osi do środka ciężkości ładunku. Na przykład, jeśli na końcu przedramienia o długości 800 mm znajduje się część o masie 10 kg, moment wynosi 10 kg * 0,8 m = 8 kg·m, co stanowi dużą siłę działającą na oś J3. Jeśli przesuniesz tę samą część w połowie przedramienia, moment spadnie do 10kg * 0,4m = 4 kg·m, więc oś J3 z łatwością sobie z tym poradzi. Dlatego zrozumienie położenia ładunku względem każdej osi jest tak samo ważne, jak znajomość ciężaru ładunku.
Jeśli nadal nie masz pewności, jakiej nośności potrzebujesz dla każdej osi, najlepiej skontaktuj się z naszym zespołem. Pomogliśmy setkom klientów w wyborze odpowiedniego 3-osiowego robota serwo (lub modernizacji do modelu wieloosiowego) w oparciu o ich specyficzne wymagania dotyczące zastosowania, ładunku, zasięgu i prędkości. Na przykład klient z branży elektronicznej może potrzebować małego 3-osiowego robota J1 o udźwigu 5 kg do obsługi płytek drukowanych, podczas gdy klient zajmujący się tłoczeniem metali może potrzebować cięższego modelu J1 o masie 20 kg do przenoszenia dużych wytłoczek. Współpracujemy również z klientami w celu dostosowania konfiguracji, jeśli ich potrzeby zmieniają się z czasem, a także oferujemy wsparcie w zakresie integracji efektorów końcowych i innych komponentów.
Powinienem również wspomnieć, że ładowność nie jest jedynym czynnikiem przy wyborze 3-osiowego serwo robota. Precyzja, powtarzalność, efektywność energetyczna i łatwość programowania są ważne, ale nośność to podstawa. Robot, który potrafi dotrzeć we wszystkie potrzebne miejsca, szybko się poruszać i jest łatwy w programowaniu, jest bezużyteczny, jeśli zepsuje się z powodu przeciążenia osi J3.
Zakończę to krótkim podsumowaniem, aby było jasne: w przypadku standardowego 3-osiowego serwo robota każda oś ma inną nośność, przy czym oś J1 (podstawa) jest najsilniejsza, następnie J2 (ramię), a następnie J3 (łokieć) jest najsłabsza. Liczby te zmieniają się w zależności od długości ramienia, prędkości, masy efektora końcowego i odległości ładunku od osi. Zawsze lepiej jest nie docenić wymaganego obciążenia i zwiększyć obciążenie nieco wyżej, niż myślisz, że potrzebujesz, zamiast zmuszać robota do granic jego możliwości, co doprowadzi do częstszych prac konserwacyjnych i przestojów.
Jeśli szukasz 3-osiowego serwo robota lub rozważasz przejście na rozwiązanie wieloosiowe do cięższych lub bardziej elastycznych zastosowań, jesteśmy tutaj, aby Ci pomóc. Nasz zespół może przeprowadzić Cię przez specyfikacje, odpowiedzieć na pytania dotyczące udźwigu na oś i pomóc w znalezieniu odpowiedniego robota do Twoich operacji. Niezależnie od tego, czy potrzebujesz małego modelu ogólnego przeznaczenia, czy specjalistycznego robota dla konkretnej branży, mamy opcje, które spełnią Twoje potrzeby.
Referencje:
- Roboty przemysłowe: nośność i wydajność osi, Stowarzyszenie Przemysłu Robotyki, 2022
- Projekt robota serwo: obliczenia momentu obrotowego i obciążenia, czasopismo Mechanical Engineering, tom 15, wydanie 3, 2021
- Zastosowania robotów do transportu materiałów: częste błędne przekonania na temat ładunku, magazyn Manufacturing Engineering, 2023
- Specyfikacje wydajności robotów przemysłowych, ISO 10218-1:2011
Jeśli chcesz omówić wymagania dotyczące obciążenia, potrzeby aplikacji lub poprosić o niestandardową wycenę, skontaktuj się z naszym zespołem, aby uzyskać profesjonalne wskazówki dotyczące wyboru odpowiedniego 3-osiowego serwo robota dla Twoich operacji.