علبة تروس كوكبية للروبوتات الصناعية
ومحركات مفاصل الروبوت التعاوني

يُغيّر محور المؤازرة في آلة CNC اتجاهه بضعة آلاف من المرات خلال كل وردية إنتاج. أما مفصل الروبوت الذي يقوم بعملية لحام أو التقاط ووضع، فيُغيّر اتجاهه ملايين المرات سنويًا. عند تشغيل روبوت لحام سيارات كوري يعمل على ثلاث ورديات بمعدل 60 دورة في الدقيقة، يُنفّذ مفصل الكتف أكثر من 95 مليون عملية تغيير اتجاه سنويًا. كل عملية تغيير اتجاه هذه تُشكّل إجهادًا على جانب السن، يتراكم حتى يصل إلى مرحلة التمدد، مما يُنهي العمر الافتراضي لعلبة التروس.

تتميز المتطلبات الأربعة المتزامنة التي تحدد اختيار علبة تروس مفاصل الروبوت بتوليفها الفريد: خلوص عكسي أقل من دقيقة قوسية لدقة تحديد موضع نقطة التحكم، وقطر هيكل صغير ليتناسب مع المقطع العرضي لوصلة الذراع، ووزن أدنى لزيادة حمولة الذراع القابلة للاستخدام إلى أقصى حد، وعمر خدمة يُقاس بعشرات الملايين من الانعكاسات بدلاً من الآلاف المعتادة في تطبيقات المؤازرة الأخرى. لا يوجد تطبيق صناعي يفرض هذه القيود الأربعة مجتمعة بنفس القدر من الدقة التي يفرضها محرك مفاصل الروبوت.

أضاف سوق الروبوتات التعاونية الكوري قيدًا خامسًا: صغر حجم الذراع. صُممت روبوتات التجميع التعاونية الكورية في قطاعي الإلكترونيات والسيارات للعمل في محطات التجميع الحالية المصممة أصلاً للمشغلين البشريين، لذا يجب أن يتناسب ذراع الروبوت مع نفس المساحة. كل مليمتر يتم توفيره من مساحة مقطع الذراع عند كل مفصل يقلل من عرض الذراع الإجمالي بنفس المقدار، مما يؤثر على إمكانية وضع الروبوت في المحطة المخصصة له. هذا جعل قطر الهيكل الصغير لسلسلة EP-ADS من شركة Ever-Power الكورية، وتكوين J1 ذي الزاوية القائمة مع EP-ABR، عنصرين أساسيين في قرارات تصميم الشركات المصنعة للروبوتات التعاونية الكورية.

نقطة مركز الأداة (TCP) هي طرف أداة التنفيذ - الموقع الفعلي في الفضاء حيث يُنجز الروبوت عمله. تُعد دقة تحديد موضع نقطة مركز الأداة المواصفة الأساسية لأداء الروبوت، وهي النتيجة الإجمالية للارتداد وأخطاء تحديد الموضع عند كل مفصل في السلسلة الحركية. يُعد فهم كيفية تضافر قيم ارتداد كل مفصل عند نقطة مركز الأداة أمرًا بالغ الأهمية لتحديد درجات علبة التروس بشكل صحيح: فالمبالغة في التحديد تُهدر التكاليف، بينما يؤدي التقليل من التحديد إلى إنتاج روبوت لا يفي بمواصفات الدقة المطلوبة منذ البداية.

العلاقة الأساسية: يُحدث خلوص كل مفصل عدم دقة زاوية عند ذلك المفصل. ينتشر هذا عدم الدقة الزاوية عبر جميع الوصلات اللاحقة ليُنتج عدم دقة خطية في موضع نقطة التحكم. تعتمد مساهمة كل مفصل في خطأ نقطة التحكم على المسافة بين ذلك المفصل ونقطة التحكم (ذراع العزم الفعال) وعلى خلوص المفصل الزاوي.

التركيب متعدد المفاصل (طريقة RSS): عندما تُساهم كلٌّ من المفاصل الستة بـ 1 دقيقة قوسية من رد الفعل العكسي P0، فإن أسوأ حالة للتركيبة الخطية ستكون 6 × 0.291 مم = 1.75 مم — ولكن المفاصل لا تعمل جميعها في نفس الاتجاه في الوقت نفسه. يستخدم التقدير الأكثر دقة جذر مجموع المربعات (RSS)، بافتراض أخطاء عشوائية مستقلة للمفاصل.

هدف روبوت اللحام الكوري المستخدم في صناعة السيارات: دقة تكرار ±0.1 مم في نقطة مركز اللحام. وهذا يعني أن مساهمة رد الفعل العكسي عند نقطة مركز اللحام يجب أن تبقى أقل بكثير من ±0.1 مم، وهو ما لا يمكن تحقيقه إلا باستخدام P0 ≤1 دقيقة قوسية على جميع الوصلات من J1 إلى J4، ومع مساهمة ضئيلة لمفاصل المعصم ذات ذراع الرافعة القصيرة J5-J6 حتى مع رد فعل عكسي أعلى قليلاً.

مساهمة نقطة الضغط لكل مفصل - روبوت تعاوني بوزن 10 كجم على مدى متر واحد

L_eff = المسافة من المفصل إلى نقطة ارتكاز المفصل. RSS = الجذر التربيعي لمجموع المربعات. أسوأ مجموع خطي = 1.24 مم. التكرارية الفعلية أفضل بسبب إلغاء الخطأ المنهجي.

يُعدّ مفصل الكوع J3 أكثر مواضع التقييد بقطر جسم الروبوتات التعاونية الكورية شيوعًا. يجب أن يستوعب وصلة الساعد جسم علبة التروس، والمحرك، ومسار كابل مشفر المحرك، والهيكل الخارجي - ضمن نطاق إجمالي غالبًا ما تحدده مواصفات قطر ذراع الروبوت وفقًا لمعيار ISO 9283. كل ملليمتر يتم توفيره من قطر جسم علبة التروس عند J3 يُقلل مباشرةً من مساحة مقطع الساعد، مما يسمح للذراع بالوصول إلى أعماق أكبر داخل القوالب والتجهيزات.

ال سلسلة EP-ADS ذات الحواف الدائرية المدمجة يعالج هذا التصميم مشكلة قصر طول الهيكل مقارنةً بسلسلة EP-AD القياسية مع الحفاظ على نفس قطر الإطار، مما يقلل من العمق المحوري الذي تشغله علبة التروس داخل وصلة الساعد. تتمركز الحافة الدائرية على فتحة الوصلة، لتتوافق مع معظم تصميمات هياكل الروبوتات التعاونية الكورية J3 دون الحاجة إلى محول انتقالي. أما النسب غير القياسية المتوفرة في سلسلة ADS - 16، 21، 31، 61، و91 - فتحل مشكلة تصميمية خاصة بالروبوتات التعاونية الكورية لا تستطيع النسب القياسية حلها.

مشكلة النسبة غير القياسية: يجب أن يُنتج محرك سيرفو الكوع J3 الكوري، الذي يعمل بسرعة 3000 دورة في الدقيقة، سرعة دوران تبلغ 48.9 دورة في الدقيقة بالضبط عند المخرج لتحقيق سرعة المفصل المصممة دون استخدام محول تردد متغير. أقرب نسبة قياسية هي 60 (تُنتج 50 دورة في الدقيقة - قريبة، ولكنها ليست دقيقة) أو 70 (42.9 دورة في الدقيقة - بطيئة جدًا). ​​تُنتج سلسلة ADS i=61 سرعة دوران تبلغ 49.2 دورة في الدقيقة بالضبط - خطأ قدره 0.6%، ضمن التباين المسموح به لملف الحركة. بدون هذه النسبة غير القياسية، يجب على مُصنِّع الروبوت التعاوني إما تقبُّل خطأ السرعة، أو إضافة محول تردد متغير (تكلفة إضافية وعدد مكونات أكبر)، أو إعادة تصميم هندسة المفصل.

يدور مفصل الخصر J1 مجموعة الذراع العلوي بأكملها في المستوى الأفقي. في التصميم التقليدي، يوضع محرك المؤازرة عموديًا داخل قاعدة الروبوت، مع علبة تروس مدمجة تُحرك محور الخصر بشكل محوري. يعمل هذا الترتيب ميكانيكيًا، ولكنه يُنتج قاعدة طويلة وثقيلة - حيث تتراكم ارتفاعات المحرك وعلبة التروس ومجموعة محامل الإخراج عموديًا، مما يُحدد الحد الأدنى لارتفاع القاعدة. بالنسبة للروبوتات التعاونية الكورية المصممة للتركيب على قواعد صغيرة الحجم أو حوامل سطحية في خلايا تجميع السيارات، يُعد هذا الارتفاع عائقًا تنافسيًا.

التصميم ذو الزاوية القائمة باستخدام EP-ABR060 P0 عند i=80، يُعاد وضع المحرك أفقيًا داخل الهيكل الأساسي. يستقر المحرك بشكل مسطح داخل قاعدة التثبيت بدلًا من امتداده رأسيًا فوقها. تُغير علبة التروس ذات الزاوية القائمة اتجاهها 90 درجة لتشغيل عمود الإخراج الرأسي لمحور الخصر. يوفر هذا التصميم عادةً ما بين 40 و50 ملم من ارتفاع القاعدة مقارنةً بتصميم المحرك الرأسي المضمن - أي ما يعادل طول إطار محرك قياسي كامل.

حالة شركة كورية مصنعة للروبوتات التعاونية: تم تسليم 60 روبوتًا بهذا التكوين، دون أي حوادث لإعادة تشكيل المفاصل. تم التأكد من أن قيمة P0 ≤ 1 دقيقة قوسية عند التسليم لجميع الوحدات الستين. سمح تقليل ارتفاع القاعدة بتركيب الروبوت على قاعدة طاولة قياسية بارتفاع 300 مم بدلاً من عمود مصنع خصيصًا بارتفاع 400 مم - وهي ميزة توفر مرونة في عمليات الشراء وخط الإنتاج تتجاوز مجرد توفير الارتفاع.

تعمل مفاصل المعصم J5 (دوران المعصم) وJ6 (شفة الأداة) بعزوم دوران منخفضة (5-30 نيوتن متر)، وتتطلب أصغر قطر ممكن لجسمها للحفاظ على مجموعة المعصم ضمن حدود مواصفات الذراع البعيدة. بالنسبة لروبوت تعاوني كوري يزن 10 كجم بقطر وصلة معصم 70 مم، لا يمكن أن يشغل جسم علبة التروس أكثر من 40-45 مم من هذا القطر، مما يترك مساحة للمحرك والهيكل الخارجي ومسار الكابلات.

ال سلسلة خطوط الطاقة الاقتصادية الكورية إيفر-باور PN II يغطي هذا المنتج علبة التروس الكوكبية J6 ذات أقطار تبدأ من 17 مم (PN II 017)، وهي أصغر علبة تروس كوكبية في كتالوج شركة إيفر-باور الكورية. يُعدّ الخلوص الخلفي لعلبة التروس PN II، والذي يتراوح بين 6 و8 دقائق قوسية، مقبولًا لدوران شفة أداة J6، لأن مساهمة الخلوص الخلفي لـ J6 في نقطة التحكم المركزية (TCP) عند ذراع عزم بطول 60 مم لا تتجاوز 0.1 مم حتى عند 6 دقائق قوسية، وهي إضافة ضئيلة جدًا إلى هامش الخطأ RSS.

بالنسبة لثني معصم J5 حيث تكون الدقة العالية مطلوبة - كما هو الحال في الروبوتات التعاونية الكورية التي تقوم بعمليات ربط البراغي أو الإدخال الدقيق عند المعصم - يوفر ذراع EP-ADS 047 (بقطر 47 مم) عند الموضعين P0 أو P1 خلوصًا عكسيًا أقل من 3 دقائق قوسية في جسم صغير بما يكفي لوصلة المعصم بالساعد. كما أن توفر نسبة ADS غير القياسية (i=21) يساعد في مطابقة سرعات المعصم لعمليات التجميع الدقيقة.

تُحظى مواصفات الخلوص الخلفي باهتمام كبير عند اختيار علبة تروس الروبوت، إلا أن عدم تطابق القصور الذاتي يُعدّ مسؤولاً عن مشاكل تذبذب المؤازرة في عمليات تشغيل الروبوتات الكورية من قِبل الشركات المصنعة الأصلية، أكثر من كون درجة الخلوص الخلفي غير مناسبة. فمحور الروبوت ذو الخلوص الخلفي الصحيح ولكن بنسبة قصور ذاتي ضعيفة يُنتج حلقة مؤازرة متذبذبة، تتجاوز الهدف، وتتطلب ضبطًا غير دقيق للمكاسب، مما يُقلل بشكل مباشر من دقة مسار الروبوت وسرعة دورته.

نسبة القصور الذاتي عند مفصل الروبوت هي: نسبة J = J_الحمل_المنعكس / J_المحركحيث J_load_reflected = J_load / i². تقلل نسبة التروس من قصور الحمل الذي يتعرض له المحرك بمقدار مربع النسبة، ولهذا السبب تتراوح نسب مفاصل الروبوت عادةً بين i=20 و100، حتى عندما يمكن تحقيق خفض السرعة المطلوب بنسب أقل. يتم اختيار النسبة العالية أساسًا لتقليل القصور الذاتي، وليس السرعة.

لهذا السبب، تُعتبر نسبة القصور الذاتي i=80 هي النسبة القياسية لكتف J2 في الروبوت التعاوني الكوري بوزن 10 كجم: حيث تنخفض نسبة القصور الذاتي إلى أقل من 0.002:1، مما يجعل المحرك هو المهيمن بشكل كبير، ويمكن ضبط حلقة المؤازرة بدقة عالية لتحقيق أوقات دورة سريعة. أما تقليل النسبة إلى i=20 لاستخدام وحدة أحادية المرحلة، فسيؤدي إلى زيادة نسبة القصور الذاتي بمقدار 45 ضعفًا، مما يتطلب مكاسب مؤازرة أقل بكثير ووقت دورة أبطأ.

تأثير نسبة القصور الذاتي على أداء محرك المؤازرة للروبوت

لا تتعطل علب التروس الكوكبية الدقيقة في مفاصل الروبوتات فجأة. بل يزداد الخلوص تدريجيًا على مدى عشرات الملايين من دورات انعكاس الاتجاه مع تآكل جوانب أسنان التروس. ويعتمد معدل التآكل على عزم الدوران المُطبق، وحالة التشحيم، وشدة الصدمة عند كل انعكاس - إذ يُنتج التباطؤ الشديد الذي يتبعه تسارع فوري في الاتجاه المعاكس إجهادات تلامس أعلى على جوانب الأسنان مقارنةً بملامح السرعة شبه المنحرفة السلسة.

صُممت سلسلة Ever-Power P0 الكورية عالية الدقة بدقة ≤1 دقيقة قوسية عند التسليم، وبدقة ≤2 دقيقة قوسية بعد 20,000 ساعة تشغيل - أي ما يقارب 8 سنوات في ظل نظام الإنتاج الكوري القياسي للسيارات بثلاث ورديات (2,500 ساعة تشغيل سنويًا). عندما يتجاوز رد الفعل العكسي ضعف مواصفات التسليم الأصلية، تتدهور دقة تحديد المواقع العملية بشكل ملحوظ، ويصبح استبدال المفصل ضروريًا.

سؤال
هل يمكن استخدام علبة تروس كوكبية قياسية لجميع مفاصل الروبوت الستة، أم أن بعض المفاصل تعمل بشكل أفضل بواسطة محركات توافقية أو حلقية؟

تُعدّ علب التروس الكوكبية خيارًا مناسبًا لجميع المفاصل الستة في الروبوتات سداسية المحاور، ولذا تعتمد الشركات الكورية المصنعة للروبوتات التعاونية تقنية علبة تروس واحدة موحدة عبر الذراع، وتختار هذه التقنية الكوكبية. توفر المحركات التوافقية خلوصًا عكسيًا أقل (أقل من 0.5 دقيقة قوسية) وكثافة عزم دوران عالية جدًا في تصميم نحيف، مما يجعلها شائعة في تصميمات الروبوتات اليابانية للمفاصل من J1 إلى J3. أما المحركات الحلقية، فتتميز بمقاومة فائقة لأحمال الصدمات. تقع علب التروس الكوكبية بين هذه البدائل من حيث التكلفة والأداء، وبالنسبة للروبوتات التعاونية الكورية التي تزن 10 كجم وتعمل في بيئات تجميع ذات أحمال صدمات منخفضة، توفر علب التروس الكوكبية دقة الخلوص العكسي وعمر الدورة المطلوب بتكلفة وحدة أقل من المحركات التوافقية. يعتمد اختيار التقنية المناسبة على فئة حمولة الروبوت، ونمط حمل الصدمات، وتكلفة الوحدة المستهدفة، وليس على تفضيل تقني عام.

سؤال
ما الفرق بين EP-AB و EP-ADS لمفاصل ذراع الروبوت؟

توفر كلتا السلسلتين نطاق P0 ≤ 1 دقيقة قوسية ضمن نفس قطر الإطار. وتتمثل الاختلافات الرئيسية فيما يلي: يتميز نظام EP-ADS بطول هيكل أقصر (هيكل صغير) مقارنةً بنظام EP-AB عند نفس قطر الهيكل، مما يقلل العمق المحوري داخل وصلة الساعد. يستخدم نظام EP-ADS شفة دائرية للتثبيت المركزي، بينما يستخدم نظام EP-AB شفة مربعة للتثبيت على لوحة براغي مسطحة. يوفر نظام EP-ADS نسبًا غير قياسية 16 و21 و31 و61 و91 غير متوفرة في نظام EP-AB. اختر نظام EP-ADS لمرفق J3 (تثبيت مركزي، هيكل صغير، نسبة غير قياسية) ونظام EP-AB لكتف J2 (شفة مربعة، تثبيت قياسي، أوسع نطاق لنسب التروس).

سؤال
ما هو العمر الافتراضي لعلب تروس وصلات الروبوتات من شركة إيفر-باور الكورية في عمليات لحام السيارات التي تعمل بنظام ثلاث ورديات؟

صُممت سلسلة EP-AB P0 للحفاظ على خلوص ≤ 2 دقيقة قوسية (ضعف مواصفات التسليم الأصلية ≤ 1 دقيقة قوسية) لمدة 20,000 ساعة تشغيل. وبمعدل 2,500 ساعة تشغيل سنويًا لروبوت لحام السيارات الكوري الذي يعمل بنظام ثلاث ورديات، يُعادل هذا عمرًا افتراضيًا للمفاصل يبلغ حوالي 8 سنوات. عمليًا، تميل مفاصل الكتف J1 وJ2 - التي تتحمل أعلى الأحمال وأكبر عدد من الانعكاسات - إلى الوصول إلى عتبة الاستبدال أولًا. أما مفاصل المعصم J4-J6، فعادةً ما تدوم لفترة أطول من هيكل الذراع. وقد وجد مصنّعو المعدات الأصلية الكوريون الذين يطبقون بروتوكول قياس الخلوص السنوي الموضح في الوحدة 8 أن استبدال مفاصل J1/J2 عند 15,000-18,000 ساعة أكثر شيوعًا من الوصول إلى الهدف النظري البالغ 20,000 ساعة، وذلك بسبب الجمع بين ارتفاع وتيرة الانعكاسات وتلوث بيئة القاعدة برذاذ اللحام، مما يُسرّع من تآكل مانع التسرب.

سؤال
يستخدم نظام تغيير الأدوات في الروبوت الخاص بي رف أدوات رأسي. هل يمكنني استخدام علب تروس كوكبية لمحور قيادة الرف؟

يضمن محرك رف الأدوات العمودي المزود بعلبة تروس كوكبية EP وضع الأدوات في الموضع الصحيح أثناء التشغيل، ولكن عند انقطاع التيار الكهربائي، تصبح علبة التروس الكوكبية قابلة للدوران العكسي، وسيحاول حمل الرف العمودي عكس دوران علبة التروس، مما يؤدي إلى هبوط رف الأدوات بفعل الجاذبية. بالنسبة لرفوف الأدوات العمودية التي يجب الحفاظ على موضعها عند إيقاف تشغيل المحرك (أثناء تغيير الأدوات، أو التوقف الطارئ، أو الصيانة)، مرحلة مخفض السرعة الدودي أسفل علبة التروس الكوكبية يوفر هذا النظام تثبيتًا سلبيًا للحمل بفعل الجاذبية، حيث يقوم نظام التروس الكوكبية بتقليل السرعة ودقة تحديد الموضع للحركة المُحركة، بينما يساهم نظام التروس الدودية في القفل الذاتي عند انقطاع التيار الكهربائي. وبدلاً من ذلك، يقوم مكبح كهرومغناطيسي على محرك المؤازرة بتثبيت المحور عند انقطاع التيار الكهربائي، ولكنه يتطلب طاقة كهربائية للتشغيل (يفتح عند انقطاع التيار، وليس يقفل).