Hiilikuituiset robottikäsivarret lyhentävät automaation sykliaikaa

Teollisuusrobotit elävät ja kuolevat sykliajan mukaan. Kolmen kg:n hyötykuormalla varustettu poiminta-ja-paikkarobotti suorittaa 28 800 sykliä päivässä. 0.1 sekunnin lyhennys jokaisesta liikkeestä – vähentämällä moottoreiden kiihdytettävän ja hidastettavan massan määrää – säästää 48 minuuttia tuotantoaikaa päivässä. Hiilikuiturobottien käsivarret saavuttavat tämän massan vähennyksen olemalla vain marginaalisesti alumiinia kevyempiä, vaan olemalla 60 % kevyempiä samalla jäykkyydellä. Tässä on tekninen perustelu muutokselle.

Raskaiden robottikäsivarsien todellinen hinta

Tyypillinen kuusiakselisen nivelrobotin alumiininen robottivarsi painaa 12–18 kg 1.5 metrin ulottuvuudella. Moottoreiden on kiihdytettävä tätä massaa pysähdyksestä täyteen nopeuteen ja takaisin pysähtymiseen tuhansia kertoja päivässä. Jokainen varren massakilo vaatii noin 0.5–1.0 kg lisää moottorin massaa saman kiihtyvyysprofiilin saavuttamiseksi. Tämä kokonaisvaikutus tarkoittaa, että 5 kg:n painonpudotus varressa tarkoittaa 8–10 kg:n vähennystä robotin kokonaismassassa, mikä puolestaan ​​mahdollistaa pienemmän jalustan, kevyemmät laakerit ja edullisemmat vaihteistot. Painonsäästöt heijastuvat koko robotin suunnitteluun.

Energiakustannukset ovat yhtä merkittävät. Kuusiakselinen robotti, joka liikuttaa 12 kg:n käsivarren massaa, kuluttaa noin 4–6 kW nopeassa liikkeessä. Käsivarren massan vähentäminen 60 %:lla vähentää energiankulutusta noin 40 % – säästää 2 000–4 000 dollaria vuodessa sähköä robottia kohden teollisuushinnoilla. 50 robotin tehtaalle tämä tarkoittaa 100 000–200 000 dollarin vuotuisia energiansäästöjä.

Miksi alumiini ei pärjää

Alumiini on ollut robottikäsivarren oletusmateriaali vuosikymmeniä, koska se on tuttu, työstettävä ja kohtuullisen kevyt, 2.7 g/cm³. Alumiinin ominaisjäykkyys (kimmokerroin jaettuna tiheydellä) on kuitenkin noin 26 GPa/(g/cm³). Kvasi-isotrooppisessa kokoonpanossa hiilikuitu saavuttaa noin 40–50 GPa/(g/cm³) – lähes kaksinkertaisen jäykkyyden. Tämä tarkoittaa, että hiilikuitukäsi voi olla puolet alumiinikäsivarren painosta samalla jäykkyydellä tai jäykempi samalla painolla.

Myös alumiini kärsii väsymisestä – sillä ei ole kestävyysrajaa. Jokainen jännityssykli, olipa se kuinka pieni tahansa, kuluttaa murto-osan materiaalin väsymiskestosta. Robottikäsivarsi, joka tekee 28 800 sykliä päivässä, kerää 10 miljoonaa sykliä vuodessa – pitkälle alumiinin korkean väsymissyklin alueelle. Oikein suunnitelluilla hiilikuitukomposiiteilla on käytännössä ääretön väsymiskesto robottikäsivarsissa havaittavilla jännitystasoilla, koska kuorman kantavat elastiset hiilikuidut eikä metallikidehila, joka kerää dislokaatioita.

Miten hiilikuitu ratkaisee ongelman

Hiilikuiturobottikäsivarret rakennetaan tyypillisesti rullalle käärityistä putkista päärakenneliitoksina, ja putkien päihin on kiinnitetty koneistettuja alumiini- tai titaanipäätteitä. Putken seinämä on suunniteltu tarjoamaan vaadittu taivutusjäykkyys ja -lujuus kaikkiin suuntiin. Kvasiisotrooppinen [0/±45/90] lay-up tarjoaa tasapainoiset ominaisuudet – 0°:n viilut antavat aksiaalijäykkyyden, ±45°:n viilut antavat vääntölujuuden ja 90°:n viilut estävät putken ovaalistumisen taivutuskuormien alla.

Painonsäästöt ovat dramaattisia. 1.5 metrin hiilikuituvarsilenkki, jonka halkaisija on 50 mm ja seinämän paksuus 3 mm, painaa noin 1.1 kg. Vastaava alumiinilenkki (sama jäykkyys) painaa 2.8 kg – 2.5 kertaa painavampi. Täydellinen 6-akselinen robottivarsi, joka on rakennettu hiilikuitulenkeillä, painaa tyypillisesti 5–8 kg verrattuna alumiinin 12–18 kg:aan – 55–60 %:n vähennys.

Mitattavat tulokset: Mitä odottaa vaihdon jälkeen

Yritykset, jotka ovat vaihtaneet robottikäsivarret alumiinista hiilikuidusta valmistettuihin, raportoivat johdonmukaisista tuloksista: sykliajan lyheneminen 15–25 % nopeamman kiihtyvyyden ja hidastuvuuden ansiosta, moottorin koon pieneneminen 1–2 runkokoolla (mikä vähentää moottorin kustannuksia 30–40 %), energiankulutuksen väheneminen 35–45 % ja laakerin käyttöiän pidentyminen 2–3 kertaa pienempien dynaamisten kuormien ansiosta. Hiilikuitukäsivarsi maksaa tyypillisesti 20–40 % enemmän kuin alumiinikäsivarsi, jonka se korvaa, mutta maksaa itsensä takaisin moottorin säästöinä ja energiankulutuksen vähenemisenä 12–18 kuukauden jatkuvan käytön aikana.

Hiilikuitu- ja alumiinirobottikäsivarren vertailu

CFRP-TSTAR valmistaa hiilikuituisia robottivarsilenkkejä räätälöidyillä layup-aikatauluilla, jotka on optimoitu taivutusjäykkyyden, vääntölujuuden ja tärinänvaimennuksen suhteen. Liimatut päätyliittimet tarkoilla kohdistustoleransseilla. Ota meihin yhteyttä ja kerro robottisi tekniset tiedot painonpudotusanalyysiä varten.