Założenia:
Stworzenie toru jezdnego dla robota, który może być wykorzystany jako pełnoprawna siódma oś. Rozwiązanie, w którym układ napędowy jest tak dobrany, że umożliwia symultaniczny ruch wszystkich osi robota bez utraty dokładności i dynamiki ruchu. Wykorzystamy do tego precyzyjne przekładnie planetarne serii AH i APC. Użyjemy kół zębatych typu Curvic Plate oraz listew zębatych wykonanych w 4 klasie dokładności.
Wyzwania:
Wybór rozwiązania, które będzie mogło zapewnić wysoką dynamikę ruchu i jednocześnie bardzo wysoką dokładność pozycjonowania. Możliwość generowania wysokich momentów obrotowych z uwzględnieniem wpływu tych momentów na dokładność pozycjonowania. Dobór elementów, aby układ był powtarzalny i żywotny. Jeżeli chcielibyśmy wykorzystywać tor jezdny do powtarzalnych ruchów nawrotnych z robotem – musimy mieć wysoką powtarzalność.
Opis projektu:
Tor jezdny robota to aplikacja wymagająca, gdy chcemy jej używać jako pełnoprawnej, siódmej osi. Uruchamiając wszystkie osie jednocześnie pojawiają się dodatkowe momenty bezwładności, które przenoszą się na wózek toru jezdnego. Gdy robot jest ciężki, a dynamika ma kluczowe znaczenie, w grę wchodzi sztywność poszczególnych członów ramion oraz prowadnic toru jezdnego.
W naszym przypadku, gdy tor jezdny wyposażony jest w listwę zębatą i koło zębate jako element napędowy, pojawia się problem luzu międzyzębnego. Nie możemy wyzerować wartości luzu międzyzębnego, gdy chcemy, aby aplikacja mogła się poruszać. Dlatego wiele osób na tym etapie odrzuca listwy z kołami zębatymi jako nieadekwatne i wybiera opcje, w których zmienia koncepcję rozwiązania. Zakłada bowiem, że nie da się wykonać toru jezdnego, który będzie dokładny, powtarzalny i wystarczająco żywotny.
Poniżej pokazujemy, jak wykorzystać tor jezdny robota oparty na listwie zębatej, przekładni planetarnej i silniku synchronicznym AC jako pełnoprawnej, siódmej osi, czyli rozwiązaniu, gdzie tor jezdny może działać symultanicznie z pozostałymi osiami ramion robota i rozszerzać zakres jego pracy. W artykule zademonstrujemy jak stałość parametrów przekładni, listwy zębatej i odpowiednie sterowanie pozwalają na więcej.
Ile wynosi luz międzyzębny dla poszczególnych klas wykonania listew zębatych?
Połączenie koła zębatego z listwą zębatą wymaga luzu. Dokładniej - potrzebny jest luz pomiędzy powierzchnią boczną zęba zębnika i zębatki. Luz ten zależy od średnicy koła zębatego, a więc od ilości zębów. Na wartość luzu ma wpływ także sposób wykonania zębów, a różnicuje to klasa dokładności wykonania. W Apex Dynamics dostępne są klasy od Q4 (o najwyższej precyzji) do Q10 (rozwiązanie o mniejszej dokładności, gdzie precyzja nie jest aż tak istotna, wykorzystywane np. w maszynach kamieniarskich).
Backlash (luz międzyzębny) można do pewnego stopnia regulować, ustawiając położenie przekładni i silnika z kołem zębatym względem listwy. Poniżej minimalne wartości luzu międzyzębnego, jakie można osiągnąć dla danych klas naszych listew zębatych:
Rozczytując tabelę: wartość luzu międzyzębnego dla Q4 wynosi tylko 0,013 mm. To wartość, która oznacza, że na dystansie 0,013 mm nie mamy kontroli nad położeniem wózka z robotem, do którego zamocowana jest przekładnia z kołem zębatym (zakładając brak innych luzów).
Dla naszego toru jezdnego wybraliśmy listwę w klasie Q4 ze względu na bardzo niskie wartości luzu, hartowane i szlifowane zęby z niską wartością współczynnika chropowatości (Ra), zapewniającą żywotność oraz wąskie tolerancje odchyłki dla pozostałych powierzchni listwy.
Pozostałe parametry listwy zębatej, czyli odchyłka prostopadłości, równoległości, kąta skręcenia (wichrowatość) to parametry, które Apex Dynamics podaje w kartach katalogowych jako jedyna firma na świecie. Nasze listwy zębate osiągają wysoką jakość powierzchni i kształtu nie tylko pojedynczego zęba, ale również relacji poszczególnych zębów względem siebie. Ząb o numerze 1 będzie w takiej samej relacji (tolerowanej wg. naszych odchyłek) względem zęba 4, 55, 895 czy 2985, co oznacza płynnie i gładko działający napęd. To właśnie płynna praca jest tym, co stanowi o dobrze zaprojektowanym układzie napędowym. Natomiast brak tętnień obciążenia i drgań przekłada się na żywotność komponentów oraz minimalny poziom hałasu.
Konfiguracja układu napędowego dla toru jezdnego
Precyzyjne listwy i koła zębate o powtarzalnym i stałym luzie międzyzębnym to jeden z ważnych elementów. Kolejnym jest przekładnia planetarna, która zapewnia pewne mocowanie koła zębatego oraz odpowiedni moment obrotowy do napędu. W aplikacji toru jezdnego dla robota dążymy do tego, aby mieć jak najdokładniejszy układ.
Idealnym rozwiązaniem połączenia koła zębatego z przekładnią planetarną jest połączenie bezluzowe oraz takie, które będzie odporne na częste zmiany kierunku ruchu
i wysoką dynamikę. W jednym z poprzednich artykułów opisywaliśmy nasze opatentowane rozwiązanie Curvic Plate, które idealne sprawdzi się także w tym przypadku. Curvic Plate to sposób bezluzowego łączenia koła zębatego z przekładnią. Kształtowe połączenie rozłączne przenosi moment obrotowy i jednocześnie centruje koło względem przekładni. Połączenie jest sztywne, bezluzowe, a sposób przekazywania momentu można porównać do wielowypustu.
Przekładnia planetarna to również potencjalne miejsce niedokładności, ze względu na występowanie luzu międzyzębnego pomiędzy kołami wewnątrz przekładni. W naszej aplikacji chcemy mieć bardzo dokładny napęd, a więc wartość luzu kątowego przekładni jest dla nas kluczowym parametrem.
Przekładnie Apex Dynamics serii AP (flansza przyłączeniowa) i AH (kołnierz wyjściowy) to rozwiązania dedykowane do takich zadań. Typoszereg APC wyposażony jest we flaszę przygotowaną do kół zębatych Curvic Plate i taką wybierzmy.
Serie przekładni AP i AH są wykonane w dokładnie tej samej technologii i będziemy traktować je zamiennie, z tą różnicą, że te z serii AP (oraz jej pochodna – seria APC) posiadają dodatkowe 4-te koło planetarne, dzięki czemu moment znamionowy zwiększy swoją wartość o 20% w stosunku do wersji standardowej. Oprócz wyższej wartości momentu, dodatkowe koło zapewnia wyższą odporność na obciążenia udarowe bez straty na dokładności.
Precyzyjną aplikację tworzy stałość parametrów
Szlifowane zęby kół planetarnych, koła słonecznego i wewnętrznego uzębienia w korpusie (które jest szczególnie trudnym zabiegiem) skutkuje wysoką precyzją i dokładnością oraz stałością parametrów. W dynamicznych i precyzyjnych aplikacjach najważniejsza jest pewność, że zmierzony luz nie będzie się powiększał.
W Apex Dynamics skrupulatnie testujemy nasze rozwiązania. Testy laboratoryjne
z wykorzystaniem precyzyjnych enkoderów i technik pomiarów wykazały, że luz kątowy dla przekładni AH140-010 (czyli przekładnia o 3 kołach planetarnych z kołnierzem wyjściowym
i przełożeniem 10) wynosi mniej niż 1 arcmin. Dokładniej zawiera się w przedziale od 0,3 arcmin do 0,9 arcmin zależnie od obciążenia momentem obrotowym i obrotów przekładni. Są to wartości, które wypadają powtarzalnie zależnie od obrotów i obciążenia momentem.
Luz kątowy dla precyzyjnych przekładni planetarnych serii AH i AP cechuje stałość parametrów w czasie użytkowania. Wykres poniżej przedstawia zależność stałości luzu kątowego dla serii AH oraz innych, testowanych w laboratorium przekładni.
Na rysunku powyżej widzimy, jak seria AH utrzymuje praktycznie taki sam poziom luzu kątowego pomimo długotrwałej pracy pod obciążeniem w realnych warunkach. Listwy zębate w klasie Q4 wykonane są z zamysłem stosowania ich z przekładniami tej klasy - zatem są odpowiednikiem pod kątem żywotności, precyzji i powtarzalności.
Eliminowanie niedokładności
Mając na uwadze stałość parametrów listew i przekładni, możemy dokładne obliczyć luz jaki wystąpi w naszym zestawie napędowym.
Stałość luzu liniowego, określa klasa dokładności listwy i koła zębatego. Znając średnicę koła zębatego możemy zamienić wartość luzu liniowego na luz kątowy - mamy zatem luz kątowy na połączeniu listwa i koło zębate. Koło z przekładnią planetarną połączone jest bezluzowo - stanowiąc sztywne połączenie. Luz przekładni APC wynosi mniej niż 1 arcmin,
a dokładna wartość będzie zależna od obciążenia i obrotów. 1 arcmin to 0,000291 radiana. Dla koła typu Curvic Plate z modułem 3 o średnicy 66 mm (20 zębów) daje niedokładność na poziomie 0,0096 mm. Sumując te wartości z niedokładnością listwy zębatej Apex wynoszącej 0,013 mm otrzymujemy wartość 0,023 mm.
Wspominany wyżej parametr to wartość, o jaką przesunie się tor jezdny robota podczas pracy (bez uwzględnienia sztywności zębów i ich histerezy). 0,023 mm to wartość, która w praktyce jest nie do zmierzenia w całym układzie napędowym podczas pracy.
Ostatnim elementem układu napędowego jest silnik serwo synchroniczny AC. Jest on wyposażony w enkoder absolutny, działający z dokładnością do dziesiątych części sekund kątowych (22 bitowe enkodery stosowane w większości silników znanych producentów). Czas reakcji enkodera to wartości zbliżone do 1ms.
Mając kontrolę nad pozycją, a zatem również nad prędkością, przyspieszeniem i wartościami zmiany prędkości i przyspieszenia (kolejne pochodne czasu - które wyliczamy z pomiaru pozycji), możemy sterować wózkiem toru jezdnego z robotem tak, jak ramionami robotów. Dobierając odpowiednie przełożenie i rodzaj przekładni możemy eliminować wpływ bezwładności obciążenia na silnik - czyli precyzyjnie kontrolować uch bez “przeciągania” silnika za ustaloną pozycję. Całość może być zbudowana tak, jak buduje się układy napędowe robotów, aby doścignąć ich dokładności i rozbudować ich możliwości, ale tylko wtedy, gdy możemy opierać się na sprawdzonych elementach.
Listwy zębate to rozwiązanie modułowe i kompaktowe. Niezależnie od tego, czy tor jezdny ma mieć 4000 mm czy 14 000 mm, jesteśmy w stanie zachować wysoką dokładność i powtarzalność. Zmienia się bowiem ilość listew zębatych (lub ich długość). Przekładnia i zębnik natomiast pozostają niezmienne, co pozwala na łatwe dopasowanie toru jezdnego do różnych aplikacji.
Idealnym otoczeniem dla wykorzystania listwy zębatej jest wysoka dynamika ruchu
i wysoka masa jaką chcemy przemieszczać. Listwy zębate cechują się wysoką odpornością na obciążenia dynamiczne i mają zdolność do przenoszenia wysokich momentów. Świetnie radzą też sobie z wysokimi prędkościami. Jednocześnie, gdy nie mamy zbyt wiele miejsca na zamocowanie napędu i rozważamy różne długości robocze wydają się niemal niezastąpione.
Podsumowanie:
Precyzyjnie wykonane elementy układu napędowego pozwalają na płynną i gładką pracę z dowolną rampą przyspieszeń, bez drgań, wibracji, z wysoką żywotnością i przede wszystkim - pozwalając wykorzystać maksymalnie możliwości urządzenia. Dzięki stałości parametrów, listwy zębatej, zębnika i przekładni oraz mając kontrolę nad pozycją wału silnika możemy ustalić korekcję, o jaką napęd będzie dostosowywał się do stałego “błędu” listwy zębatej. To właśnie sprawia, że możemy używać toru jezdnego jako pełnoprawnej siódmej osi, która może być uruchamiana wspólnie z ramionami robota i rozszerza zakres jego pracy.
Możemy pomyśleć o takim rozwiązaniu w kategorii oszczędności w przedsiębiorstwie. Gdy mamy uniwersalny tor jezdny z robotem, możemy w łatwy sposób dopasować się do nowych produktów i łatwo przestawić urządzenie pod nowe zadania. W Apex Dynamics Polska pomagamy budować takie aplikacje, dzięki sprawdzonej technice i inżynierskiemu podejściu.
Zastosowanie:
Tory jezdne pracujące symultanicznie mogą skrócić czas cyklu, będąc świetnym rozwiązaniem w aplikacjach pakowania i układania towarów. Szeroko pojęty packaging ciężkich przedmiotów, to idealne rozwiązanie dla tego typu rozwiązań. Kolejnym miejscem są systemy spawania laserowego dla branży Automotive, gdzie zależy nam na równomiernym i nieprzypadkowym układaniu spoin. Dzięki napędowi siódmej osi – czyli możliwości ruchu robota np. wzdłuż karoserii pojazdu, możemy zmniejszyć ilość robotów na hali, zachowując wysoką jakość procesu.
Zaciekawił się artykuł? Porozmawiaj z naszymi Inżynierami Sprzedaży.
Linki do produktów:
Przekładnie Apex Dynamics serii AP
Przekładnie Apex Dynamics serii AH
Przekładnie Apex Dynamics serii APC (z wbudowanym rozwiązaniem Curvic plate)
Przeczytaj także:
Curvic plate - doskonałe połączenie zębnika i przekładni
Poprzedni artykuł