Если вы когда-нибудь наблюдали, как заводская сборочная линия, станция обработки материалов или небольшая производственная ячейка точно перемещают детали, скорее всего, за этой работой стоял 3-осевой серворобот. Эти компактные и надежные роботы являются «рабочими лошадками» во многих операциях и ценятся за свою простоту, доступность и стабильную производительность. Но если вы покупаете его или хотите обновить свою текущую установку, почти всегда возникает один вопрос: какова грузоподъемность каждой оси 3-осевого серворобота?
Как поставщик этих роботов, я получаю этот вопрос почти каждый день. Это не тривиально. Неправильный расчет грузоподъемности, особенно для отдельных осей, является распространенной ошибкой, которая приводит к преждевременному износу, простою или даже повреждению деталей. На протяжении многих лет я работал со всеми, от небольших начинающих механических мастерских до крупных производителей автомобильных компонентов, и воочию видел, как правильная нагрузка на каждую ось увеличивает или сокращает срок службы робота.
Во-первых, давайте немного вернемся назад, чтобы убедиться, что мы все находимся на одной странице: трехосный серворобот имеет три основные оси движения, которые почти всегда называются осями плеч, локтей и запястий. Некоторые люди путают термины, но с точки зрения грузоподъемности проще всего представить каждую ось как шарнир, который перемещает определенную часть руки робота. Базовая ось (часто называемая осью J1) вращает всю руку влево и вправо, ось плеча (J2) поднимает и опускает плечо, ось локтя (J3) разгибает или втягивает предплечье, а в некоторых небольших трехосных конструкциях запястье можно упростить до фиксированного концевого эффектора, а не до вращающегося сустава. Подождите, вообще-то, позвольте мне уточнить: некоторые поставщики учитывают только три основных шарнира, поэтому J1, J2, J3 и захват концевого эффектора представляют собой отдельный инструмент, а не ось. Это ключевое отличие, поскольку оно меняет способ измерения нагрузки.
Но грузоподъемность не является единым числом для всего робота — она различна для каждой оси и зависит от нескольких факторов: длины каждого сегмента руки, скорости, с которой вы двигаетесь, веса конечного эффектора (например, захватов или присосок) и даже того, как часто вы запускаете и останавливаете робота. Например, робот, медленно перемещающий тяжелую деталь, будет иметь более высокую эффективную нагрузку, чем робот, перемещающий ту же деталь на полной скорости, поскольку ускорение и замедление увеличивают нагрузку на суставы.
Давайте разберем каждую ось на основе стандартных 3-осевых сервороботов, которые мы здесь поставляем.
Начнем с оси J1 — базовой оси, которая вращает всю руку робота по горизонтали. Это «плечо» основания, и оно отвечает за поддержку полного веса плеча, предплечья, конечного эффектора и любой переносимой нагрузки. Значит, это ось с наибольшей грузоподъемностью, верно? На самом деле не всегда. Подождите, нет, давайте будем точными. Для большинства 3-осевых роботов, предназначенных для погрузочно-разгрузочных работ и простой сборки, ось J1 рассчитана на всю полезную нагрузку при полном выдвижении руки. Если максимальный радиус действия вашего робота составляет 1 метр, и вы полностью выдвигаете руку, J1 должен выдерживать эту полную нагрузку, а также крутящий момент от плеча рычага, создаваемый удлиненной длиной. Распространенной ошибкой клиентов является мысль: «Если моя деталь весит 5 кг, каждая ось выдержит 5 кг». Но это совсем не так. Ось J1, когда рука полностью вытянута, должна противостоять не только 5-килограммовой части, но и силе этого веса, вытягивающемуся наружу при вращении. Вот почему для нашего стандартного 3-осевого серворобота ось J1 имеет грузоподъемность от 10 до 20 кг, в зависимости от модели. Но это в полной мере. Если вы работаете с половиной максимального вылета, J1 может выдержать даже больше — до 30 кг на некоторых наших более тяжелых моделях.
Далее идет ось J2, ось плеча, которая поднимает и опускает плечо. Эта ось отвечает за поддержку нижней части руки, предплечья и полезной нагрузки, но ей не приходится сопротивляться полному крутящему моменту горизонтального вращения, как J1. Вместо этого ему приходится выдерживать вертикальную нагрузку при движении руки вверх и вниз. Его грузоподъемность немного ниже, чем у J1 для большинства рабочих диапазонов. Например, при среднем выпрямлении руки ось J2 обычно выдерживает нагрузку от 8 до 15 кг. Компромиссом здесь является скорость: если вы быстро перемещаете рычаг между положениями, J2 должен генерировать больший крутящий момент для ускорения движения вверх/вниз, поэтому его эффективная грузоподъемность падает на более высоких скоростях. Вот почему мы всегда советуем клиентам согласовывать скорость своего робота с требованиями к нагрузке: работа робота на максимальной скорости с нагрузкой, близкой к максимальной, приведет к преждевременному износу подшипников оси J2, что означает дорогостоящий ремонт в будущем.
Еще есть ось J3, ось локтя, которая разгибает и втягивает предплечье. Это ось, которая имеет самую низкую грузоподъемность из трех основных осей, и ее часто упускают из виду. Ось J3 поддерживает вес предплечья, концевого эффектора и полезной нагрузки только тогда, когда рука полностью выдвинута или втянута. Поскольку предплечье представляет собой рычаг, когда вы полностью вытягиваете предплечье, J3 должен сопротивляться изгибающим силам, исходящим от конца рычага. Его грузоподъемность обычно составляет от 5 до 10 кг, опять же в зависимости от модели и рабочего диапазона. Сложность этой оси заключается в том, что она расположена ближе всего к концу руки, поэтому даже небольшая перегруженная часть здесь может вызвать значительную нагрузку на сустав. Я помню клиента, который пару лет назад купил 3-осевого робота для перемещения небольших металлических штамповок. Он загружал детали на самый кончик вытянутого цевья и в течение полугода продолжал ломать коробку передач J3. Оказалось, что он помещал детали весом 8 кг на ось, рассчитанную всего на 5 кг, потому что не осознавал, что грузоподъемность J3 ниже, чем у двух других. После того, как он перешел на модель J3 большей мощности, время его простоя сократилось почти до нуля.
Теперь давайте поговорим о факторах, которые меняют эти цифры, потому что они не высечены на камне. Во-первых, длина руки. У нас есть модели с вылетом 500 мм, 800 мм и даже больше, хотя для задач с большим вылетом многие клиенты переходят на многоосных роботов, таких как 5-осевые сервороботы, которые обеспечивают большую точность при длительной работе. Подождите, кстати, если ваше приложение требует большей гибкости, чем может предложить 3 оси, наша 5-осевая линия является отличным вариантом, включая 5-осевого серворобота общего назначения и пятиосный манипулятор с сервоприводом переменного тока, которые созданы для более высоких нагрузок и более сложных путей. Еще одним фактором является концевой эффектор. Пневматический захват может весить 1 кг, а специальный гидравлический захват — 5 кг, и этот вес необходимо добавить к полезной нагрузке при расчете нагрузки на каждую ось. Это то, что мы всегда проверяем при предложении робота: мы запрашиваем вес используемого вами инструмента, чтобы мы могли соответствующим образом скорректировать наши рекомендации по мощности.
Скорость — еще один важный фактор. Все наши значения грузоподъемности основаны на стандартных рабочих скоростях для непрерывного использования. Если вы используете робота на 100% скорости весь день, каждый день, вам следует уменьшить фактическую полезную нагрузку на 15-20%, чтобы продлить срок службы робота. Если вы используете его для более медленных и точных операций, вы можете приблизиться к номинальной мощности. Кроме того, рабочий цикл — как часто вы останавливаете и запускаете робота. Приложения с очень частым циклом (например, сбор и размещение деталей каждые 2 секунды) создают большую нагрузку на все оси, поэтому здесь лучше использовать меньшие нагрузки.
Меня часто спрашивают: «Есть ли способ модернизировать 3-осевого робота, если мне нужна более высокая грузоподъемность?» Короткий ответ: обычно нет, потому что двигатель, коробка передач и подшипники каждой оси рассчитаны на определенную нагрузку. Вот почему так важно сделать все правильно с первого раза. Если вы имеете дело с тяжелыми грузами или приложениями, требующими движущихся частей далеко от основания, трехосная модель может оказаться не лучшим решением, и вы получите лучшую производительность от модели с более длинным рычагом или многоосной конструкции. Например, если вам нужно охватить большую рабочую зону, наш профессиональный манипулятор с очень длинной рукояткой создан для увеличения радиуса действия при сохранении постоянной грузоподъемности.
Многие люди также задаются вопросом, чем трехосные роботы отличаются от других типов. Для приложений с очень высокими нагрузками, таких как перемещение деталей массой более 50 кг, параллельный робот может быть вариантом, но он лучше подходит для очень быстрых и легких полезных нагрузок. 3-осевые сервороботы обеспечивают хороший баланс между грузоподъемностью, стоимостью и простотой, поэтому они так популярны. Их легче программировать, чем 5-осевых роботов, и они более компактны, чем более крупные промышленные манипуляторы для малых и средних рабочих ячеек. Конечно, если ваши потребности растут, у нас также есть линия 5-осевых роботов для литья под давлением, предназначенная для тяжелых и высокоскоростных операций литья под давлением, которые могут выдерживать гораздо более высокие общие нагрузки, чем наши стандартные 3-осные модели.
Вот совет, который я усвоил за годы работы с клиентами: не просто смотрите на общую полезную нагрузку робота — обратите внимание на индивидуальную грузоподъемность каждой оси, особенно для оси J3. Большинство производителей указывают общую полезную нагрузку в технических характеристиках робота, но они не указывают мощность по каждой оси, а это именно то, что вам действительно нужно для долгосрочной надежности. В нашей компании мы всегда предоставляем полную информацию о грузоподъемности каждой оси, а также о вылете, скорости и других характеристиках, чтобы наши клиенты не были застигнуты врасплох.
Еще одна распространенная ошибка – неправильная оценка плеча момента. Плечо момента – это расстояние от оси до центра тяжести груза. Например, если у вас есть деталь массой 10 кг на конце цевья длиной 800 мм, момент составит 10 кг * 0,8 м = 8 кг·м, что представляет собой большую силу на оси J3. Если вы переместите ту же самую часть на полпути вдоль предплечья, момент упадет до 10 кг * 0,4 м = 4 кг·м, поэтому ось J3 легко справится с этим. Вот почему понимание того, где расположен ваш груз относительно каждой оси, так же важно, как и знание веса груза.
Если вы все еще не уверены, какая грузоподъемность вам нужна для каждой оси, лучше всего обратиться к нашей команде. Мы помогли сотням клиентов выбрать подходящего 3-осевого серворобота (или перейти на многоосную модель) в зависимости от их конкретного применения, полезной нагрузки, радиуса действия и требований к скорости. Например, клиенту, работающему в электронной промышленности, может потребоваться небольшой 3-осевой робот грузоподъемностью J1 5 кг для перемещения печатных плат, а клиенту, занимающемуся штамповкой металла, может потребоваться более тяжелая модель J1 весом 20 кг для перемещения больших штампованных изделий. Мы также работаем с клиентами над корректировкой настроек, если их потребности со временем меняются, и предлагаем поддержку по интеграции конечных эффекторов и других компонентов.
Следует также отметить, что грузоподъемность — не единственный фактор при выборе 3-осевого серворобота. Точность, повторяемость, энергоэффективность и простота программирования — все это важно, но в основе лежит грузоподъемность. Робот, который может добраться до всех нужных мест, быстро двигаться и легко программируется, бесполезен, если он сломается из-за перегрузки оси J3.
Позвольте мне подвести итог, чтобы убедиться, что все понятно: для стандартного 3-осевого серворобота каждая ось имеет определенную грузоподъемность: ось J1 (базовая) является самой сильной, за ней следует J2 (плечо), а затем J3 (локоть) как самая слабая. Эти числа меняются в зависимости от длины рычага, скорости, веса концевого эффектора и того, насколько далеко расположен груз от оси. Всегда лучше недооценить требуемую нагрузку и подняться немного выше, чем вы думаете, что вам нужно, вместо того, чтобы доводить робота до предела, что приведет к увеличению затрат на техническое обслуживание и простоям.
Если вы ищете 3-осевой серворобот или рассматриваете возможность перехода на многоосное решение для более тяжелых или более гибких приложений, мы здесь, чтобы помочь. Наша команда может рассказать вам о технических характеристиках, ответить на вопросы о допустимой нагрузке на каждую ось и помочь вам найти подходящего робота для ваших операций. Нужна ли вам небольшая модель общего назначения или специализированный робот для конкретной отрасли, у нас есть варианты, отвечающие вашим потребностям.
Ссылки:
- Промышленные роботы: грузоподъемность и производительность осей, Ассоциация индустрии робототехники, 2022 г.
- Проектирование сервороботов: расчет крутящего момента и нагрузки, Журнал машиностроения, том 15, выпуск 3, 2021 г.
- Применение роботов для погрузочно-разгрузочных работ: распространенные заблуждения о полезной нагрузке, журнал Manufacturing Engineering, 2023 г.
- Технические характеристики промышленных роботов, ISO 10218-1:2011.
Если вы хотите обсудить требования к нагрузке, потребности применения или запросить индивидуальное предложение, свяжитесь с нашей командой для получения профессиональных рекомендаций по выбору подходящего 3-осевого серворобота для ваших операций.