Планетарни мењач за индустријске роботе
и зглобни погони колаборативних робота

Серво оса на CNC машини алатки мења смер неколико хиљада пута по производној смени. Роботски зглоб који изводи циклус заваривања или „узимања и постављања“ мења смер милионе пута годишње. Са 60 циклуса у минути за корејског аутомобилског робота за заваривање који ради у три смене, рамени зглоб извршава преко 95 милиона обрта смера годишње. Свако од тих обрта је догађај напрезања на бочној страни зуба који се акумулира према расту зазора који окончава век трајања мењача.

Четири истовремена захтева која дефинишу избор мењача роботског зглоба јединствена су у својој комбинацији: зазор испод лучног минута за тачност позиционирања TCP-а, компактан пречник тела који се уклапа у попречни пресек везе руке, минимална тежина за максимизирање употребљивог теретa руке и век трајања који се мери десетинама милиона обртаја, а не хиљадама типичним за друге серво примене. Ниједна индустријска примена не намеће сва четири ограничења истовремено са истом озбиљношћу као погон роботског зглоба.

Корејско тржиште колаборативних робота додало је пето ограничење: укупну компактност руке. Корејски коботи за монтажу електронике и аутомобила дизајнирани су за примену у постојећим монтажним станицама првобитно димензионисаним за људске оператере — роботска рука мора да стане у исти физички оквир. Сваки милиметар уштеде попречног пресека руке на сваком зглобу смањује укупну ширину руке за ту вредност, што утиче на то да ли се робот уклапа у своју додељену станицу. Због тога су компактни пречник тела серије EP-ADS компаније Korea Ever-Power и конфигурација J1 под правим углом са EP-ABR директно релевантни за одлуке корејских произвођача оригиналне опреме за коботе.

Централна тачка алата (TCP) је врх крајњег ефектора — физичка локација у простору где робот обавља свој посао. Тачност позиционирања TCP-а је примарна спецификација перформанси робота и представља збирни резултат зазора и грешака позиционирања на сваком зглобу у кинематичком ланцу. Разумевање како се вредности зазора појединачних зглобова комбинују на TCP-у је неопходно за правилно одређивање степена мењача: претерано одређивање доводи до трошкова; недовољно одређивање производи робота који не испуњава своју спецификацију тачности од првог дана.

Основна веза: зазор сваког зглоба ствара угаону несигурност на том зглобу. Ова угаона несигурност се шири кроз све наредне везе да би произвела линеарну несигурност положаја на тачки окружења (TCP). Допринос сваког зглоба грешци TCP зависи од удаљености од тог зглоба до TCP (ефективне полуге) и угаоног зазора зглоба.

Вишезглобна комбинација (RSS метода): Када свих шест зглобова доприносе зазору од 1 лучне минуте P0, најгори случај линеарне комбинације би био 6 × 0,291 мм = 1,75 мм — али зглобови не делују сви истовремено у истом смеру. Прецизнија процена користи корен збира квадрата (RSS), претпостављајући независне случајне грешке зглобова:

Циљ корејског аутомобилског робота за заваривање: поновљивост TCP ±0,1 мм. То значи да сам допринос зазора на RSS мора остати знатно испод ±0,1 мм — што се може постићи само са P0 ≤1 лучни минут на свим зглобовима J1 до J4, и са кратким полужним зглобовима J5–J6 који доприносе минимално чак и са нешто већим зазором.

Допринос TCP-а по зглобу — кобот од 10 кг на домету од 1 м

L_eff = растојање од споја до TCP. RSS = комбинација корена збира квадрата. Линеарни збир у најгорем случају = 1,24 mm. Стварна поновљивост је боља због систематског поништавања грешке.

Лакатни зглоб J3 је место где се корејски произвођачи оригиналне опреме кобота најчешће сусрећу са ограничењем пречника тела. Спој подлактице мора да прими тело мењача, мотор, усмеравање кабла енкодера мотора и структурну љуску — унутар укупног опсега који је често одређен спецификацијом пречника руке робота према ISO 9283. Сваки милиметар пречника тела мењача уштеђен на J3 директно смањује попречни пресек подлактице, омогућавајући руци да дубље досегне до уређаја и причвршћивача.

The Серија компактних округлих прирубница EP-ADS Ово се решава краћом дужином тела од стандардне EP-AD серије при истом пречнику рама — смањујући аксијалну дубину коју мењач заузима унутар предњег дела споја. Округли прирубнички део се центрира на отвору споја, што одговара већини корејских дизајна кућишта кобота J3 без прелазног адаптера. Нестандардни преносни односи доступни у ADS серији — 16, 21, 31, 61 и 91 — решавају специфичан проблем дизајна корејских кобота који преносни односи стандардне серије не могу.

Проблем нестандардног односа: Корејски серво мотор лакта кобота J3 који ради на 3.000 о/мин мора да произведе тачно 48,9 о/мин на излазу да би постигао пројектовани профил брзине споја без VFD-а. Најближи стандардни однос је 60 (производи 50 о/мин — близу, али не и тачно) или 70 (42,9 о/мин — преспора). ADS серија i=61 производи тачно 49,2 о/мин — грешку од 0,6%, унутар дозвољене варијације за профил кретања. Без овог нестандардног односа, произвођач оригиналне опреме кобота мора или да толерише грешку брзине, да дода VFD (казна за трошкове и број компоненти) или да редизајнира геометрију споја.

Зглоб струка J1 ротира цео склоп горњег крака у хоризонталној равни. Конвенционални дизајн поставља серво мотор вертикално унутар базе робота, са линијским мењачем који коаксијално покреће осу струка. Овај распоред функционише механички, али производи високу, тешку базу — висина мотора плус дужина мењача плус склоп излазног лежаја се наслагавају вертикално, постављајући минималну висину базе. За корејске коботе дизајниране за монтажу на постоља мале величине или столне постоља у ћелијама за монтажу аутомобила, ова висина је конкурентски недостатак.

Распоред под правим углом користећи ЕП-АБР060 П0 При i=80 помера мотор хоризонтално унутар основне структуре. Мотор лежи равно унутар основе, уместо да се вертикално протеже изнад ње. Редуктор под правим углом мења смер за 90° да би покренуо вертикално излазно вратило струке осе. Ова конфигурација обично штеди 40–50 мм висине основе у поређењу са вертикалним распоредом мотора у линији — што је еквивалентно пуној стандардној дужини оквира мотора.

Корејски случај произвођача оригиналне опреме за коботе: 60 робота испоручено са овом конфигурацијом, без инцидената преправке спојева. P0 ≤1 лучни минут потврђен је при испоруци на свих 60 јединица. Смањење висине основе омогућило је роботу да се смести на стандардни стони постоље од 300 мм уместо на прилагођени машински обрађени стуб од 400 мм — што је предност у набавци и флексибилности производне линије, поред саме уштеде висине.

Зглобови ручног зглоба J5 (ротација ручног зглоба) и J6 (прирубница алата) раде са малим обртним моментима (5–30 N·m) и захтевају најмањи могући пречник тела како би склоп ручног зглоба остао у оквиру спецификације дисталног оквира руке. За корејски кобот од 10 kg са пречником зглобне везе од 70 mm, тело мењача може да заузме највише 40–45 mm од тих 70 mm — остављајући простор за мотор, структурну шкољку и усмеравање кабла.

The Корејска Евер-Пауер Економска Линија ПН II серија Покрива J6 са пречником тела који почиње од 17 mm (PN II 017) — најмањи планетарни мењач у каталогу Korea Ever-Power. Зазор од 6–8 лучних минута код PN II је прихватљив за ротацију прирубнице алата J6, јер је допринос TCP-у од зазора J6 на краку полуге од 60 mm само 0,1 mm чак и при 6 лучних минута — занемарљив додатак буџету грешке RSS-а.

За савијање зглоба J5 где је потребна нешто већа прецизност — корејски коботи који врше причвршћивање завртњима или прецизно уметање на зглобу — EP-ADS 047 (тело од 47 mm) на P0 или P1 обезбеђује зазор испод 3 лучна минута у телу довољно малом за везу подлактице и зглоба. Доступност нестандардног односа ADS-а (i=21) такође помаже у усклађивању профила брзине зглоба за прецизне операције монтаже.

Спецификација зазора привлачи највише пажње при избору мењача робота — али неусклађеност инерције је одговорна за више проблема са осцилацијама серво мотора код корејских произвођача оригиналне опреме робота него нетачан степен зазора. Оса робота са исправним зазором, али лошим односом инерције, производи серво петљу која се креће неправилно, пребацује и захтева неподешена појачања — директно смањујући тачност путање робота и брзину циклуса.

Коефицијент инерције на роботском зглобу је: J_однос = J_рефлектовано_оптерећење / J_мотор, где је J_рефлектовано_оптерећење = J_оптерећење / i². Преносни однос смањује инерцију оптерећења коју мотор види за квадрат преносног односа — због чега су преносни односи зглобова робота обично у опсегу i=20–100, чак и када се потребно смањење брзине може постићи са нижим преносним односима. Висок преносни однос се првенствено бира због смањења инерције, а не брзине.

Због тога је i=80 стандардни однос за J2 раме код корејског кобота од 10 кг: однос инерције пада на мање од 0,002:1 — мотор је изузетно доминантан, а серво петља се може агресивно подесити за брза времена циклуса. Смањење односа на i=20 да би се користила једностепена јединица повећало би однос инерције 45 пута, што би захтевало много блажа појачања серво мотора и спорије време циклуса.

Утицај коефицијента инерције на перформансе серво мотора робота

Прецизни планетарни мењачи у роботским зглобовима не отказују изненада. Зазор постепено расте током десетина милиона циклуса промене смера како се бочне стране зубаца зупчаника троше. Брзина хабања зависи од примењеног обртног момента, услова подмазивања и јачине удара при свакој обртаној промени смера — агресивно успоравање праћено непосредним убрзањем у супротном смеру производи веће контактне напоне на бочним странама зубаца него глатки трапезоидни профили брзине.

Прецизна серија Korea Ever-Power P0 је пројектована за ≤1 лучни минут при испоруци и циљни век трајања од ≤2 лучна минута након 20.000 радних сати — приближно 8 година при стандардној тросменској корејској аутомобилској производњи (2.500 радних сати годишње). Када зазор порасте преко 2 пута веће од оригиналне спецификације испоруке, практична тачност позиционирања је мерљиво деградирана и потребна је замена зглоба.

П
Да ли се стандардни планетарни мењач може користити за свих шест роботских зглобова или су неки зглобови боље погоњени хармонијским или циклоидним погонима?

Планетарни мењачи су одрживи за свих шест зглобова у 6-осном роботу, а корејски произвођачи колаборативних робота, који стандардизују технологију једног мењача преко руке, то чине са планетарним мењачима. Хармонијски погони нуде још мањи зазор (испод 0,5 лучних минута) и веома високу густину обртног момента у танком профилу — што их чини уобичајеним у јапанским дизајнима робота за J1–J3. Циклоидни погони нуде екстремну отпорност на ударна оптерећења. Планетарни мењачи се налазе између ових алтернатива по цени и перформансама, а за корејске коботе од 10 кг који раде у окружењима монтаже са ниским ударним оптерећењима, планетарни пружа прецизност зазора и потребан век трајања циклуса по нижој јединичној цени од хармонијских. Избор између технологија зависи од класе корисног терета робота, профила ударног оптерећења и циљне јединичне цене — не од универзалне технолошке преференције.

П
Која је разлика између EP-AB и EP-ADS за зглобове роботске руке?

Обе серије нуде P0 ≤1 лучни минут у истом опсегу пречника рама. Кључне разлике су: EP-ADS има краћу дужину тела (компактно кућиште) од EP-AB при истом пречнику тела, смањујући аксијалну дубину унутар подлактичне везе. EP-ADS користи округлу прирубницу за монтажу центрирану на отвор, док EP-AB користи квадратну прирубницу за монтажу равном плочом са вијцима. EP-ADS нуди нестандардне односе 16, 21, 31, 61 и 91 које EP-AB нема. Изаберите EP-ADS за J3 колено (монтажа на отвор, компактно, нестандардни однос) и EP-AB за J2 раме (квадратна прирубница, стандардна монтажа, најшири избор односа).

П
Колико дуго трају роботски зглобни мењачи марке Korea Ever-Power у аутомобилском заваривању у 3 смене?

Серија EP-AB P0 је дизајнирана да одржи зазор ≤2 лучна минута (2× оригинална спецификација испоруке ≤1 лучни минут) током 20.000 радних сати. Са 2.500 радних сати годишње за корејског аутомобилског робота за заваривање који ради у три смене, ово је приближно 8 година века трајања споја. У пракси, рамена зглобова J1 и J2 — која носе највећа оптерећења и највише обртања — имају тенденцију да први достигну праг замене. Зглобови ручице J4–J6 обично трају дуже од структуре крака. Корејски произвођачи оригиналне опреме (OEM) који спроводе годишњи протокол мерења зазора описан у Модулу 8 открили су да је замена J1/J2 након 15.000–18.000 сати чешћа него достизање теоријског циља од 20.000 сати, због комбинације високе фреквенције обртања и контаминације основне средине прскањем заваривања, што убрзава хабање заптивача.

П
Мој роботски систем за измену алата користи вертикални сталак за алате. Могу ли да користим планетарне мењаче за осовину погона сталака?

Вертикални погон сталака за алате који користи EP планетарни мењач ће правилно позиционирати алате током рада са напајањем — али када се искључи напајање, планетарни мењач се може померати уназад и вертикално оптерећење сталака ће покушати да покрене мењач уназад, узрокујући спуштање сталака за алате под дејством гравитације. За вертикалне сталаке за алате где се положај мора одржавати при искључењу мотора (током промене алата, хитног заустављања или одржавања), степен пужног редуктора низводно од планетарног мењача Обезбеђује пасивно држање оптерећења гравитацијом — планетарни мењач обезбеђује смањење брзине и прецизност позиционирања за покретано кретање, а пужни степен доприноси самоблокирању када је напајање искључено. Алтернативно, електромагнетна кочница на серво мотору држи осовину када је напајање искључено, али је потребна електрична енергија за активирање (отварање у случају отказа, не закључавање у случају отказа).