AWS
Advantechline
 

环境因素对机器人关节使用寿命与效能表现的影响

strain-wave传动是机器人关节关键元件,必须有效散热以确保机器人寿命与效能。易格斯(igus)

制造业对工业自动化的需求持续成长,而工业机器人(industrial robot)具备优异的运动控制(motion-control)能力可极大化生产弹性与产能,但先期投资成本可观,须周延考量影响使用寿命、效能表现、投资回收期的各种环境因素,以最佳化终端客户的投资效益。

据The Robot Report报导,相较于传统生产线的专属机械,自动控制、可程序化、多用途的工业机器人有更优异的作业能力与弹性,特别适合少量多样的生产方式,以快速反应市场变化与消费者需求。模块化的机械电子(mechatronic)机器人关节易于组装,可提升产品设计与功能多元性、应用适应性,更轻量化且功率密度、动态表现、可靠性也更优异。

工业机器人在复杂环境中与人类密切互动进行各种作业,动态稳定性是影响其效能表现与工作场所安全的最重要因素之一,尤其是有效负重高、移动范围广、移动速度快的机器人。自动导引车(AGV)软件、运动系统与元件、集成标准与客制产品专业厂商Kollmorgen Corp.指出,热环境效应(thermal environmental effect)是最关键的影响因素。

模块化机械电子机器人关节内含煞车、连接缆线、编码器(encoder)或解角器(resolver)、无框马达(frameless motor)、专属传动系统(gearing system)、伺服驱动器(servo drive)、扭力传感器(torque sensor)等元件。strain-wave传动系统是最主要的环境热源,在总功率损耗的占比可达30%,若无法有效散热会影响机器人寿命与效能。

造成strain-wave传动功率损耗的机制包括:元件本身与元件间的承轴摩擦耗损、间歇性的重复弹性应变能(elastic strain energy)与柔轮(flexspline)所造成的机械耗损、润滑剂的黏性摩擦所造成的分子摩擦耗损、柔轮与钢轮(circular spline)造成的摩擦耗损,这些功率耗损当中有部分会受到环境作业温度的高度影响。

strain-wave传动的主要元件包括椭圆形的波产生器、柔轮、刚轮,柔轮是决定strain-wave传动寿命的元件。strain-wave传动的最高作业温度为摄氏50~70度,取决于制造商与所采用的润滑剂等级,作业温度过高会增加strain-wave传动的齿轮啮合摩擦与接触压力、破坏润滑剂薄膜并造成齿轮的接触面磨损。

死机器手臂的首要设计目标为精简化、轻量化、灵巧化、可靠度,则具备高扭力密度、强化散热能力、客制化设计弹性的无框马达将是首选,可提供商业与技术竞争优势。当环境温度高于马达额定温度(通常为摄氏40度)时马达效能会降低,并造成机器人关节的功率耗损增加,而最佳化的电磁设计可在机器人的作业速度范围内提供最高的马达效率。

伺服驱动器是协作机器人(cobot)、工业多关节型(articulated)机器人、医疗机器人等许多机器人的关键电子元件。根据Arrhenius定律,作业温度每高于额定温度摄氏10度,电子元件的预期寿命会减少50%,高温会大幅增加电子元件的故障率,并使热杂讯升高进而导致电气杂讯增加。

电力致动煞车的线圈在作业时会产生热,当高于环境温度达摄氏30度,煞车线圈的电阻会增加12%,作业时会产生更多热。而机器人用到的许多传感器如编码器、解角器、扭力传感器等均极易受环境温度影响,环境温度升高会降低传感器的输出,而热膨胀也会影响传感器的效能表现,最严重不仅会使传感器损坏,甚至造成灾难性故障。

机器人的动态特性与定位控制准确性取决于其有效负荷(payload)与整体系统惯性(system inertia),负载过重可能造成传动齿断裂,而高系统惯性通常会降低定位控制的准确性,这都会造成机器人失去动态平衡与运动稳定性。柔轮疲劳断裂是造成strain-wave齿轮故障最常见的原因,终端用户必须避免让机器人在接近本身共振频率下作业以避免振动磨损。

机器人关节轴承润滑油脂对马达与strain-wave传动的效能表现有关键性影响,油脂黏性与分子摩擦受温度改变,低温会显著降低油脂流动性造成润滑不足、轴承摩损、系统故障;而高温可能造成油脂黏性降低导致漏油、油脂氧化降低黏性而失去润滑作用、增稠剂变质造成润滑油流失,每升高摄氏10度的作业温度会使润滑油的寿命减半。

腐蚀、粉尘、湿度、冲击、毒性、潮湿与泥泞、振动等恶劣环境因素都可能严重影响机器人的使用寿命与效能表现,因此外部涂装、材料、密封的选择对于保护机器人的内外部元件至为关键。此外实务上机器人的整个生命周期从制造、组装、运送、仓储、现场作业等阶段都可能产生磨损。


  •     按赞加入DIGITIMES智能应用粉丝团
更多关键字报导: 机器人 工业机器人