Дополнительная информация

Как интегрировать седьмую ось в шестиосевую роботизированную систему

Техническая информация от производителя Авторы: Рик Вуд (Rick Wood), исполнительный директор компании «Rollon Corp.», Алекс Бонэйр (Alex Bonaire), менеджер по продукции компании «Mitsubishi Electric Automation, Inc.» Авторы: Рик Вуд (Rick Wood), исполнительный директор компании «Rollon Corp.», Алекс Бонэйр (Alex Bonaire), менеджер по продукции компании «Mitsubishi Electric Automation, Inc.»

С произошедшим за последние годы расширением применения робототехники в различных отраслях промышленности - от автомобильной или электронной промышленности до лёгкой промышленности и производства пластмасс - у проектировщиков систем автоматизации, а также у системных интеграторов появилось больше возможностей по интеграции в системы автоматизации роботов, чем было когда-либо в прошлом. По данным Ассоциации робототехнической промышленности, за первый квартал 2016 года был установлен новый рекорд: только североамериканскими компаниями было размещено заказов на закупку более чем 7400 роботов на общую сумму свыше 402 миллионов долларов США. При этом наиболее интенсивно процесс роботизации шёл в таких прикладных областях, как точечная сварка, осуществление монтажно-сборочных операций, а также разного рода операций, связанных с перемещением разнообразных объектов. Для решения перечисленных задач все чаще применяются продвинутые с технической точки зрения шестиосевые роботы, способные выполнять операции, требующие высокой точности. Для реализации перемещений таких роботов в их рабочие позиции в шестиосевую систему зачастую целесообразно добавить седьмую ось, фактически представляющую собой средство линейного возвратно-поступательного перемещения робота между рабочими позициями. Такая система позволяет существенно увеличить размеры рабочей зоны робота.

Благодаря наличию подобной оси сравнительно небольшой робот может оказаться способным решать задачи в пределах рабочей зоны, для обслуживания которой иначе пришлось бы предусматривать существенно более крупного робота. В дополнение к этому, седьмая ось позволяет использовать роботов в том числе и для транспортировки деталей и заготовок между различными позициями обработки технологических линий на бὀльшие расстояния, чем это мог бы делать стационарно установленный робот. Очевидно, что обеспечиваемая наличием седьмой оси возможность использования одного и того же робота для обслуживания большего числа единиц технологического оборудования, соответственно для осуществления большего количества операций, повышает общую эффективность эксплуатации роботов и позволяет, в качестве дополнительного преимущества, уменьшить капитальные затраты. Хотя сама по себе идея использования линейного модуля для перемещения робота в определённое положение и кажется несложной, для того, чтобы соответствующее техническое решение заработало должным образом важно правильно подобрать линейный модуль под специфику конкретной задачи. Под такой спецификой понимаются: проектные значения грузоподъёмности, величины скоростей перемещений и ускорений при перемещениях, проектные требования по точности позиционирования, особенности реализуемых рабочих циклов, а также требования по сроку службы. Ниже важнейшие из подлежащих учёту параметров рассмотрены более подробно.

Грузоподъёмность

Проектная грузоподъёмность робота является отправной точкой для проектирования системы перемещения: именно комплекс параметров, завязанных на грузоподъёмность робота, является решающим в том числе и для правильного подбора линейного модуля. Очевидно, что если робот должен быть в состоянии перемещать некий полезный груз, то линейный модуль седьмой оси должен быть в состоянии перемещать робота вместе с этим грузом. Усилия, воздействующие на робота при перемещении им полезного груза, имеют две составляющих - динамическая и статическая, обе эти составляющие важно учитывать в процессе подбора подходящего линейного модуля.

Статическая составляющая превалирует во время нахождения робота в его рабочем положении и выполнения им его рабочих операций. При этом проектировщику важно располагать данными не только о массе удерживаемого роботом полезного груза, но и о том, где именно у пары «робот плюс груз» будет находиться центр масс.

 

Рис. 1:     интеграция линейной седьмой оси с шестиосевым роботом позволит увеличить рабочую зону робота и обойтись для решения тех же технологических задач роботом меньших размеров и стоимости.

Также важно определиться с тем, будут ли манипуляции с грузом осуществляться по вертикали и вблизи от корпуса робота, или манипулятору придётся тянуться за грузом далеко в сторону... Опорная конструкция, на которой установлен робот, должна обладать как достаточной грузоподъёмностью, чтобы выдержать робота вместе с грузом, так и устойчивостью и безопасностью, чтобы не опрокинуться в процессе перемещения роботом его груза, удерживаемого на существенном расстоянии от своего корпуса. Масса груза, прогиб под нагрузкой, и местоположение центра масс - вот те основные параметры, которые надлежит учитывать проектировщику применительно к статической нагрузке системы перемещения. При проектировании также важно предусмотреть запас под дальнейшее развитие - причём сказанное относится как к самому роботу, так и к седьмой оси. Задумайтесь над тем, какие выходящие за рамки текущего проекта задачи роботу может потребоваться решать в будущем, и постарайтесь заранее предусмотреть такую возможность - например, заложив запас по грузоподъёмности, который позволит роботу в будущем манипулировать более тяжёлыми объектами... При этом важно учитывать и возможность размещения на одной и той же седьмой оси нескольких роботов, при появлении такой необходимости в будущем.

Что же касается динамической нагрузки, то она превалирует во время перемещения робота по линейной седьмой оси. Для того, чтобы адекватным образом учесть эту нагрузку, необходимо ответить на следующие вопросы:        
Каковы размеры робота? Должна ли роботом осуществляться транспортировка заготовки (изделия, или любого иного объекта) на другую позицию обработки? С какой скоростью должен перемещаться робот? Каковы требования к позиционированию робота в том положении, в которое его предполагается переместить? Причём в любые расчёты нагрузок обязательно необходимо включить коэффициент запаса прочности. В дополнение к этому, в системе необходимо предусмотреть способные выдерживать достаточную нагрузку концевые механические ограничители хода, чтобы робот ни в коем случае - даже при ударе о такие ограничители на полной скорости и с максимальным грузом - не мог «сойти с рельсов».

После прояснения всех параметров, ключевых для оценки динамической нагрузки, можно приступать к подбору линейного модуля, удовлетворяющего выдвигаемым требованиям. Так, например, в ассортименте компании «Rollon» присутствуют имеющие ременный привод линейные модули серии «Robot», специально спроектированные под задачи, требующие высокой грузоподъёмности. Эти модули способны работать на скоростях до 5 м/с, способны выдерживать динамическую нагрузку в диапазоне от 780 до 5 510 Н, а их длина хода может составлять от 100 мм до 6 м. Наряду с этим в ассортименте компании присутствует широкий выбор иных - как более лёгких, так и рассчитанных на решение ещё более сложных задач - линейных модулей под самые разные требования, встречающиеся в области роботизации / автоматизации. Одновременно с выполнением нагрузочных расчётов, важно прояснить вопрос с характеристиками / состоянием тех несущих поверхностей, на которых планируется размещать / к которым планируется крепить систему перемещения. Так, например, важно понять, достаточна ли толщина бетона для того, чтобы выдержать массу робота и всей системы перемещения? В каком количестве точек систему планируется крепить к бетону имеющихся несущих конструкций? Не требуется ли усилить эти конструкции дополнительным бетонированием? Насколько ровными являются несущие поверхности этих конструкций? Последнее важно понимать для того, чтобы убедиться, что конструктивно предусмотренных средств точного выставления системы перемещения по положению окажется достаточно для компенсации возможных геометрических погрешностей фундамента, либо несущей конструкции, в пределах всей зоны размещения линейной системы. В противном случае заблаговременно до начала планирования монтажных работ необходимо предусмотреть дополнительные меры по устранению выявленных погрешностей.

Скорости и ускорения

Для того, чтобы линейный модуль оптимально соответствовал роботу, необходимо знать требуемую скорость перемещения, а также величины положительных и отрицательных ускорений. Предполагается ли быстро перемещать робота в определённое положение для завершения им операции укладки или монтажа, с последующим возвратом робота в исходное положение? Или роботом планируется перемещать тяжёлые заготовки из одной зоны в другую? Такие подробности предельно важно прояснить ещё до начала подбора линейного модуля. В то время как некоторые линейные модули спроектированы под восприятие высоких нагрузок на скоростях до 5 м/с, иные модули предназначены для меньших нагрузок и работы на более низких скоростях.

 

Рис. 2:     для возвратно-поступательного перемещения робота может использоваться система линейного перемещения

 

 

Точность перемещений

Важно правильно определить степень точности и повторяемости перемещений, обеспечить которую реально необходимо исходя из требований решаемой задачи. Очевидно, что любые перемещения робота с помощью линейной оси в заданное рабочее положение должны отрабатываться системой перемещения надёжно и повторяемо. При этом именно требованиями по точности и повторяемости этих перемещений во многом определяется выбор конкретной модели направляющей. Прежде всего в тех случаях, когда по одной направляющей планируется перемещать несколько роботов, может потребоваться предусмотреть для выбранной линейной оси дополнительные опорные траверсы - они помогут избежать её прогиба, обусловленного одновременными перемещениями роботов по ней. Также в конструкции седьмой оси важно предусмотреть установочные штифты и позиции для калибровки робота. При необходимости обеспечить повышенную точность позиционирования можно дополнительно предусмотреть линейный цифровой датчик положения. Помимо этого, важно правильно определиться с системой привода. Наиболее высокую точность обеспечивают линейные модули с приводом на базе ШВП; несколько меньшую точность обеспечивают модули с передачами рейка-шестерня, и замыкают список модули с ременным приводом. На точность позиционирования также влияет механическая жёсткость. Для повышения жёсткости к определённым отрезкам линейной направляющей может потребоваться предусмотреть дополнительные опорные траверсы, обеспечивающие более надёжную опору. Можно порекомендовать изучить вопрос целесообразности таких дополнительных опор прежде всего на наиболее критических участках траектории перемещения робота, например, вблизи точек захвата и укладки грузов, или точек выполнения им иных операций - например, контроль геометрии обрабатываемой детали. Важно скрупулёзно расписать все события, которые могут происходить на каждом отрезке траектории перемещения робота, чтобы добавить конструкции механической жёсткости именно там, где это нужно для повышения точности. Отсутствие необходимой информации на этапе проектирования будет означать, что подбор линейного модуля для реализации на его основе седьмой оси будет с существенной вероятностью осуществлён неправильно - проектировщиком будет выбран модуль, имеющий либо недостаточные, либо избыточные для решения конкретной задачи технические характеристики.

Рабочий цикл и срок службы

Необходимо учитывать важные для процесса проектирования системы линейного перемещения параметры такие как, рабочий цикл и срок службы оборудования. Планируется ли эксплуатировать робота ежедневно и круглосуточно, или же лишь пару часов в сутки? Каковы требования по сроку службы? Ожидается ли от робота, что он проработает два года, пять лет, или десять? От вышесказанного зависят параметры технического обслуживания и смазывания как робота, так и системы линейного перемещения. Некоторые линейные модули способны пройти до 20 000 км пробега без дополнительного смазывания, тогда как другие модели требуют более частого и регулярного техобслуживания. Ещё одним важным этапом является правильный выбор кабеля. Большинство штатных кабелей роботов не рассчитаны на многократный изгиб, соответственно при монтаже робота на «седьмую ось» его кабель может потребоваться заменить на приобретаемый дополнительно более подходящий. Такие кабели должны обладать высокой гибкостью, малым радиусом изгиба, а также способностью переносить большое количество циклов изгиба без поломки. Важно заранее выбрать гибкий кабельный канал, определиться с его местоположением, и убедиться в том, что он будет в состоянии вместить в себя все необходимые кабели, а также в том, что он своими перемещениями не будет мешать перемещаться роботу.

 

Рис. 3:     седьмая ось для возвратно-поступательного перемещения на большие расстояния роботов, доступна в исполнениях с профильными направляющими с рециркуляцией шариков (либо роликов), причём в качестве привода используется зубчатая рейка.  В системе предусмотрены регулировочные элементы для точного позиционирования системы в том числе и на неровных поверхностях.

Регламент технического обслуживания седьмой оси во многом зависит от условий среды по месту её эксплуатации. Для надёжной работы в неблагоприятных условиях, для которых характерно присутствие металлической стружки, опилок или смазочных материалов, от линейной оси потребуется наличие дополнительных мер защиты - например, дополнительные защитные уплотнения и скрытый внутри корпуса приводной ремень. Такие седьмые оси построены на базе линейных модулей серии «Robot» производства компании «Rollon» - они имеют скрытый ремень, а также грязесъёмники для удаления загрязнений с линейных направляющих. Подходящие модули можно подобрать и под менее «грязные» условия эксплуатации - например, во многих случаях хорошим выбором могут оказаться линейные модули серии «R-Smart»: они дешевле, но их ремень не является скрытым. При подборе линейного модуля важно остановиться на модели, имеющей достаточную, но при этом не избыточную степень защиты.

Техническая поддержка производителя

В большом количестве случаев интеграция седьмой оси с шестиосевым роботом позволяет расширить рабочую зону робота настолько, что для решения тех же задач удаётся обойтись роботом меньших размеров и стоимости. В то время как задача правильного подбора линейных модулей для создания на их основе системы линейного перемещения роботов может казаться несложной, тем не менее, для оптимального решения этой задачи проектировщик должен располагать достаточным количеством данным, характеризующих всю полноту имеющейся специфики решаемой задачи. На рынке присутствует большое количество линейных модулей различных типоразмеров и в различных вариантах исполнения, каждый из которых имеет уникальный набор свойств, делающий его оптимальным для применения в конкретных условиях и для решения определённых задач. Инженеры технической поддержки компании «Rollon» всегда рады проконсультировать Вас в случае возникновения у Вас вопросов касательно подготовки инженерных расчётов или возможностей заказа линейных модулей в нестандартных вариантах исполнения.


Дополнительную информацию по широкому кругу вопросов можно получить на интернет-сайте нашей компании по адресу www.rollon.com, а с инженерами нашей технической поддержки можно связаться по следующему телефону: 1-877-976-5566.