Линейные модули в робототехнике и автоматизации

Роботы очень гибки в своей рабочей среде, но многим системам автоматизации требуется движение за ее пределами. Роботу может потребоваться пройти несколько метров вдоль производственной линии, ячейке захвата и размещения может потребоваться скоординированное движение XYZ, а док-станции AGV может потребоваться компактная линейная ось для позиционирования приспособления или концевого эффектора.

Вот гделинейные модули в робототехникестать важным. Они могут действовать как оси перемещения робота, декартовы конструкции робота, портальные оси, оси паллетирования или вторичные блоки позиционирования, которые расширяют радиус действия и гибкость основного робота.

В этом руководстве объясняется, каклинейные модулииспользуются в робототехнике, что каждое приложение требует от системы движения и как инженеры должны оценивать скорость, полезную нагрузку, жесткость, синхронизацию, безопасность и интеграцию перед выбором модуля.

Почему роботам нужны линейные оси

Шестиосный робот обеспечивает превосходную угловую свободу, но его радиус действия ограничен геометрией руки. Добавление линейной оси позволяет всему роботу или конечному исполнительному устройству перемещаться по большей рабочей зоне.

Типичные причины для добавления линейного модуля включают в себя:

• Расширение радиуса действия робота вдоль машины или производственной линии
• Обслуживание нескольких станций одним роботом
• Уменьшение необходимости в нескольких стационарных роботах
• Создание движения захвата и размещения с большим перемещением
• Создание декартовых или портальных конструкций роботов
• Перемещение концевых эффекторов независимо от манипулятора робота
• Позиционирование приспособлений, лотков, датчиков или инструментов

Правило системного уровня:линейная ось робота должна рассчитываться исходя из всей движущейся системы, а не только заготовки. Масса робота, инструменты, кабели, приспособления и ускорение — все это увеличивает нагрузку.

Седьмая ось робота: расширение рабочего диапазона

Седьмая ось робота — это линейная ось перемещения, которая переносит основание робота по направляющей или модулю. Это позволяет одному роботу получить доступ к нескольким машинам, поддонам или рабочим зонам.

К распространенным областям применения относятся:

• Уход за машинами
• Сварочные ячейки
• Крупнодетальная сборка
• Обработка материалов
• Инспекция
• Многостанционная погрузка и разгрузка

Почему масса робота меняет механическую конструкцию

Линейная ось должна нести весь робот, а не только полезную нагрузку в захвате робота. Робот с относительно скромной полезной нагрузкой все же может иметь большую базовую массу и создавать значительные динамические моменты во время движения руки.

Поэтому линейную ось следует проверить на наличие:

• Общая масса робота и инструментов
• Положение центра тяжести
• Динамические опрокидывающие моменты
• Ускорение оси рельса
• Аварийная остановка нагрузок
• Жесткость основания и рамы

Длительное путешествие меняет предпочтительный привод

Очень длинные оси перемещения роботов часто отдают предпочтение реечным или другим масштабируемым длинноходным трансмиссиям, поскольку винтовые системы становятся все более ограниченными из-за критической скорости и требований к поддержке по мере увеличения длины.

Для более коротких и высокоточных осей движения робота по-прежнему могут подойти шариковые винты или другие компактные линейные модульные конструкции.

Ячейки захвата и размещения: время цикла превышает максимальную скорость

Автоматизация захвата и размещения — одно из наиболее распространенных применений линейных модулей. Система может использовать одну ось, таблицу XY, расположение XZ или полную декартову структуру XYZ.

Эти системы обычно оценивают:

• Высокое ускорение
• Короткое время перемещения
• Повторяемые положения остановки
• Низкая подвижная масса
• Быстрое изменение направления
• Стабильное движение рабочего органа

Почему ускорение может иметь большее значение, чем максимальная скорость

Если ход короткий, ось никогда не сможет долго оставаться на максимальной скорости. В этом случае ускорение и замедление доминируют над временем цикла.

Модуль с высокой максимальной скоростью по каталогу, но плохим динамическим поведением не может превзойти немного более медленную ось, которая ускоряется, стабилизируется и реверсируется более эффективно.

Должна быть включена масса рабочего органа.

Перемещаемая нагрузка включает в себя захват, вакуумную оснастку, датчики, кабели и собранный продукт. Если захват установлен далеко от каретки, результирующая моментная нагрузка может стать более важной, чем сама полезная нагрузка.

XYZ декартовы роботы и портальные системы

Линейные модули можно объединять в декартовы структуры роботов, где каждая ось управляет движением в одном линейном направлении.

Типичные конфигурации включают в себя:

• Таблицы позиционирования XY
• Передвижные устройства XZ
• XYZдекартовы роботы
• Портальные системы Dual-X
• Порталы для паллетизации с большими пролетами

Нижние оси несут верхние оси

В системе XYZ ось X может потребоваться для совместного перемещения осей Y, оси Z, двигателей, рабочего органа, кабелей и заготовки.

Это создает проблему иерархического определения размера:

Размер от инструмента наружу.Ось Z несет инструмент, ось Y несет Z плюс инструмент, а ось X может нести полную сборку YZ.

Жесткость перекладины имеет значение

В портальных системах балка между двумя опорами может прогибаться под весом каретки Y или Z и во время ускорения. Это влияет на позиционирование, вибрацию и время стабилизации.

Поэтому широкий портал следует оценивать как структурную систему, а не просто как два прочных линейных модуля, соединенных алюминиевой балкой.

Портальные порталы с двумя приводами требуют синхронизации

Большие порталы могут использовать две параллельные оси X. Это улучшает распределение нагрузки и поддерживает широкие перекладины, но накладывает требования к синхронизации.

Если две стороны не двигаются вместе, мост может расшататься или перевернуться.

Синхронизация может быть механической или электронной.

Механическая синхронизация может использовать общий вал или трансмиссию для связи обеих сторон. Электронная синхронизация использует два двигателя и координирует их положение через систему управления.

Электронные системы с двойным приводом требуют тщательного рассмотрения:

• Стратегия возвращения
• Согласование позиций между обеими сторонами
• Обратная связь с энкодером
• Настройка сервоприводов
• Жесткость рамы
• Поведение при аварийной остановке

Портальный портал с двойным приводом никогда не должен полагаться на синхронизацию управления для компенсации плохой механической центровки.

Паллетирование: радиус действия, полезная нагрузка и повторение

Автоматизация паллетирования часто требует длительных поездок, больших рабочих конвертов и многократного перемещения умеренных или тяжелых грузов.

Линейные модули могут использоваться для:

• Расширьте робота по нескольким позициям поддона
• Создание декартовых систем паллетирования
• Перемещение инструментов обработки слоев
• Размещение пустых поддонов или разделительных листов
• Обслуживайте несколько конвейеров от одного робота

Рабочий цикл имеет значение

Системы паллетирования могут работать в течение многих часов с тысячами повторяющихся циклов. Модуль следует проверить на срок службы подшипников, износ привода, смазку, тепловую нагрузку двигателя и срок службы кабельной несущей, а не только пиковую полезную нагрузку.

Большие полезные нагрузки создают моментные нагрузки

Коробки, лотки или захваты могут создавать значительную радиальную нагрузку. Широкие инструменты могут создавать моменты тангажа и рыскания, даже если общая масса находится в пределах номинальной полезной нагрузки модуля.

Линейные модули для движения рабочего органа робота

Не каждая линейная ось должна перемещать базу робота. Компактные модули можно устанавливать на роботе или рядом с ним, чтобы добавить контролируемую линейную степень свободы концевому эффектору.

Примеры включают в себя:

• Регулируемое расстояние между захватами
• Расширение инструмента
• Линейное прессование или вставка
• Регулировка камеры или сенсора
• Механизмы центрирования детали
• Системы манипулирования с изменяемым шагом

Следите за тем, чтобы оси рабочих органов были легкими

Каждый килограмм, добавленный к запястью робота, снижает запас полезной нагрузки и увеличивает инерцию. Поэтому компактные и легкие линейные модули особенно ценны для движения конца рычага.

Масса двигателя, кабели и кронштейны должны быть включены в расчет допустимой нагрузки на запястье и момента робота.

Интеграция AGV и AMR: линейное движение в мобильном интерфейсе

AGV и AMR часто перевозят детали между станциями, но мобильной платформе все равно может потребоваться механизм линейного позиционирования для перемещения, выравнивания или представления груза.

Возможные варианты использования включают в себя:

• Удлинение лотка в машину
• Регулировка положения стыковки
• Подъем или перемещение приспособления
• Перемещение контейнеров или поддонов
• Датчики позиционирования или разъемы

Мобильные системы вводят новые ограничения

Ось, интегрированная с AGV, часто сталкивается с ограниченной бортовой мощностью, вибрацией во время движения, компактным пространством для установки и повторяющимися допусками на стыковку.

Линейный модуль следует оценивать на предмет:

• Низкое энергопотребление
• Механическая блокировка или удержание при необходимости
• Устойчивость к транспортной вибрации
• Компактное расположение двигателя
• Надежный дом и ограничение пределов
• Безопасное взаимодействие с док-станциями

Типы приводов линейной оси робота

Как выбрать привод для роботизированной оси

Выбирайте шариковый винт, когда

Ось требует относительно компактного хода, высокой жесткости, контролируемого усилия и хороших характеристик позиционирования.

Выбирайте ремень ГРМ, когда

Ось требует большего хода, высокой скорости и быстрого перемещения с умеренными требованиями к точности.

Выбирайте рейку и шестерню, когда

Робот должен проехать несколько метров, иначе длина оси должна выйти за пределы практических пределов винтов.

Выбирайте линейный двигатель, когда

Применение требует очень высокого ускорения, быстрого реверса, малого люфта трансмиссии и высокой производительности динамического позиционирования.

Это отправные точки разработки, а не фиксированные правила. Окончательный выбор зависит от нагрузки, хода, скорости, точности, окружающей среды и стоимости.

Серводвигатели распространены, но не всегда обязательны

В высокотактных роботизированных осях часто используются серводвигатели, поскольку они обеспечивают управление положением с обратной связью, высокие динамические характеристики и простую интеграцию с системами координации движения.

Сервосистемы особенно полезны, когда:

• Ось быстро ускоряется
• Робот и линейная ось движутся одновременно
• Положение должно постоянно контролироваться
• Требуется двухосевая синхронизация.
• Машина использует скоординированную интерполяцию

Шаговые двигатели или шаговые двигатели с обратной связью могут по-прежнему подходить для более простых осей индексации или регулировки, где скорость и динамические требования ниже.

Управление роботом и линейной осью должно быть скоординировано

Осью перемещения робота можно управлять несколькими способами в зависимости от архитектуры автоматизации.

Ось может быть:

• Интегрирован в контроллер робота в качестве внешней оси.
• Управляется ПЛК иликонтроллер движения
• Работает как независимая позиционирующая ось
• Электронно синхронизировано с другой осью

Интегрированное управление внешней осью

Когда контроллер робота рассматривает линейный модуль как дополнительную координированную ось, планирование траектории робота может включать базовое перемещение. Это полезно при сварке, обработке и в тех случаях, когда робот и рельс должны двигаться вместе.

Независимое позиционирование

Для обслуживания машины или перемещения поддонов рельс может переместиться на фиксированную станцию, остановиться, а затем позволить роботу выполнить свою задачу. В этом случае может быть достаточно более простого секвенирования.

Требования к точности зависят от роботизированной задачи

Не каждая ось робота требует одинаковой точности.

Для многих осей перемещения робота абсолютная точность может быть менее критичной, чем повторяемость, поскольку координаты станции можно запрограммировать во время ввода в эксплуатацию. Другие приложения, такие как контроль или управление технологическим процессом, могут потребовать более жестких абсолютных показателей.

Структурная жесткость влияет на точность робота

Линейный модуль может точно позиционировать свою каретку, пока робот-инструмент все еще движется, поскольку рама, рельсовое основание или постамент робота отклоняются.

К важным структурным факторам относятся:

• Базовая плоскостность
• Расстояние между рельсовыми опорами
• Жесткость постамента робота
• Прогиб перекладины
• Вылет инструмента
• Жесткость пола или рамы машины

Точность робота — это свойство системы.Положение центра инструмента зависит от линейной оси, конструкции робота, монтажной рамы и концевого эффектора вместе взятых.

Кабели и инженерные коммуникации могут стать скрытой нагрузкой

По рельсам и порталам для роботов часто на большие расстояния переносят силовые кабели, кабели энкодеров, пневматические линии, вакуумные трубки и кабели связи.

Кабельный оператор может представить:

• Переменная сила сопротивления
• Дополнительная движущаяся масса
• Боковая нагрузка
• Вибрация
• Ограничения минимального радиуса изгиба

Поэтому кабельные системы следует учитывать при определении размеров двигателя и механической компоновке, а не рассматривать как аксессуар, добавляемый после выбора оси.

Требования безопасности меняются с появлением больших движущихся роботов

Добавление линейной оси увеличивает рабочий диапазон робота и может создать новые опасности. Подвижная направляющая, основание робота и инструменты могут попасть в зоны, недоступные для стационарного робота.

При проектировании машины может потребоваться учитывать:

• Ограничения на поездки
• Механические концевые упоры
• Безопасное возвращение домой
• Аварийный тормозной путь
• Охрана и контроль доступа
• Безопасный контроль скорости и положения
• Удержание по вертикальной оси

Сам по себе линейный модуль является лишь частью комплексной конструкции безопасности машины.

Надежность имеет значение в многоцикловой автоматизации

Роботизированные ячейки часто работают в несколько смен с повторяющимися циклами. Линейный модуль, который хорошо работает при вводе в эксплуатацию, также должен сохранять точность и плавность хода в течение длительного периода производства.

Долгосрочная надежность зависит от:

• Правильный расчет нагрузки и момента
• Соответствующее ускорение
• Смазка
• Обслуживание ленты или стойки
• Выравнивание направляющих
• Состояние кабельной несущей
• Загрязнение окружающей среды
• Профилактический осмотр

Практический роботизированный процесс выбора линейной оси

1. Определите роботизированную задачу.Роботизированный рельс, захват и размещение, портал, укладка на поддоны, интерфейс AGV или перемещение рабочего органа?
2. Рассчитайте полную движущуюся массу.Включите робота, инструменты, верхние оси и кабели.
3. Определите ход и рабочую зону.
4. Установите время цикла, скорость и ускорение.
5. Рассчитайте полезную нагрузку и моментные нагрузки.
6. Выберите тип привода.
7. Проверьте крутящий момент, скорость и инерцию двигателя.
8. Определить требования к повторяемости и точности.
9. Проверьте жесткость и поддержку конструкции.
10. Спланируйте прокладку кабелей и инженерных сетей.
11. Выберите архитектуру управления.
12. Проверьте безопасность и поведение при аварийной остановке.
13. Проверьте доступ для обслуживания и ожидаемый рабочий цикл.

Что нужно QRXQ для применения в робототехнике

Для получения полезной рекомендации по линейному модулю предоставьте:

• Робот или тип автоматизации
• Требуемый ход
• Общая движущаяся масса
• Положение центра тяжести
• Максимальная скорость и ускорение
• Целевое время цикла
• Требуемая повторяемость или точность позиционирования
• Горизонтальное, вертикальное или портальное расположение
• Одноосная или многоосная конфигурация.
• Предпочтения двигателя и управления
• Требования к кабелям и инженерным сетям
• Рабочая среда
• Ежедневное время работы

Для роботизированной автоматизации лучший линейный модуль — это тот, который соответствует поставленной задаче, а не просто тот, у которого самая высокая полезная нагрузка или скорость.Вылет, динамическая нагрузка, жесткость, синхронизация, управляемость и срок службы — все это необходимо учитывать вместе.

QRXQ оценивает линейные оси роботов и декартовы системы автоматизации с учетом требований к полному движению, помогая подобрать шариковый винт, зубчатый ремень, реечный механизм или конструкции с прямым приводом к реальной роботизированной задаче.