Roboty przemysłowe żyją i umierają w zależności od czasu cyklu. Robot typu pick-and-place, wykonujący 20 ruchów na minutę z obciążeniem 3 kg, zużywa 28 800 cykli dziennie. Skrócenie każdego ruchu o 0.1 sekundy – poprzez zmniejszenie masy, którą silniki muszą przyspieszać i zwalniać – pozwala zaoszczędzić 48 minut czasu produkcji dziennie. Ramiona robotyczne z włókna węglowego osiągają tę redukcję masy nie dzięki temu, że są nieznacznie lżejsze od aluminium, ale dzięki temu, że są o 60% lżejsze przy zachowaniu tej samej sztywności. Oto argumenty inżynieryjne przemawiające za wprowadzeniem tej zmiany.
Rzeczywisty koszt ciężkich ramion robotycznych
Typowe aluminiowe ramię robota 6-osiowego z przegubem waży 12–18 kg, a jego zasięg wynosi 1.5 metra. Silniki muszą przyspieszać tę masę od zera do pełnej prędkości i z powrotem, aż do zatrzymania, tysiące razy dziennie. Każdy kilogram masy ramienia wymaga około 0.5–1.0 kg dodatkowej masy silnika, aby osiągnąć ten sam profil przyspieszenia. Ten efekt skumulowany oznacza, że redukcja masy ramienia o 5 kg przekłada się na redukcję całkowitej masy robota o 8–10 kg, co z kolei pozwala na zastosowanie mniejszej podstawy, lżejszych łożysk i tańszych przekładni. Oszczędności te przekładają się na całą konstrukcję robota.
Koszt energii jest równie wysoki. Sześcioosiowy robot poruszający ramieniem o masie 12 kg zużywa około 4–6 kW podczas szybkiego ruchu. Zmniejszenie masy ramienia o 60% zmniejsza zużycie energii o około 40% – oszczędzając 2,000–4,000 dolarów rocznie na robota na energii elektrycznej według stawek przemysłowych. Dla fabryki z 50 robotami oznacza to 100 000–200 000 dolarów rocznych oszczędności energii.
Dlaczego aluminium jest niewystarczające
Aluminium od dziesięcioleci jest standardowym materiałem na ramiona robotów, ponieważ jest znane, podatne na obróbkę skrawaniem i stosunkowo lekkie – jego waga wynosi 2.7 g/cm³. Jednak aluminium ma sztywność właściwą (moduł sprężystości podzielony przez gęstość) wynoszącą około 26 GPa/(g/cm³). Włókno węglowe w układzie quasi-izotropowym osiąga około 40–50 GPa/(g/cm³) – prawie dwukrotnie. Oznacza to, że ramię z włókna węglowego może ważyć o połowę mniej niż ramię aluminiowe przy tej samej sztywności lub być sztywniejsze przy tej samej wadze.
Aluminium również jest podatne na zmęczenie – nie ma limitu wytrzymałości. Każdy cykl naprężeń, niezależnie od tego, jak mały, pochłania ułamek trwałości zmęczeniowej materiału. Ramię robota wykonujące 28 800 cykli dziennie kumuluje 10 milionów cykli rocznie – co stanowi okres wysokiej trwałości zmęczeniowej aluminium. Kompozyty z włókna węglowego, odpowiednio zaprojektowane, mają praktycznie nieskończoną trwałość zmęczeniową przy poziomach naprężeń obserwowanych w ramionach robotów, ponieważ obciążenie przenoszą elastyczne włókna węglowe, a nie metalowa sieć krystaliczna, która akumuluje dyslokacje.
Jak włókno węglowe rozwiązuje problem
Ramiona robotów z włókna węglowego są zazwyczaj budowane z rur zwijanych w rolkę, stanowiących główne ogniwa konstrukcyjne, z obrobionymi maszynowo aluminiowymi lub tytanowymi łącznikami wklejonymi w końce rur. Ścianka rury jest zaprojektowana tak, aby zapewnić wymaganą sztywność i wytrzymałość na zginanie we wszystkich kierunkach. Układ warstw quasi-izotropowy [0/±45/90] zapewnia zrównoważone właściwości — warstwy o kącie 0° zapewniają sztywność osiową, warstwy o kącie ±45° wytrzymałość na skręcanie, a warstwy o kącie 90° zapobiegają owalizacji rury pod wpływem obciążeń zginających.
Oszczędności masy są spektakularne. 1.5-metrowe ogniwo ramienia z włókna węglowego o średnicy 50 mm i grubości ścianki 3 mm waży około 1.1 kg. Odpowiednie ogniwo aluminiowe (o tej samej sztywności) waży 2.8 kg – 2.5 raza więcej. Kompletne 6-osiowe ramię robota zbudowane z ogniw z włókna węglowego waży zazwyczaj 5–8 kg w porównaniu z 12–18 kg w przypadku aluminium – co stanowi redukcję o 55–60%.
Mierzalne rezultaty: czego można się spodziewać po zmianie
Firmy, które przestawiły ramiona robotów z aluminium na włókno węglowe, zgłaszają spójne rezultaty: skrócenie czasu cyklu o 15–25% dzięki szybszemu przyspieszaniu i hamowaniu, zmniejszenie rozmiaru silnika o 1–2 rozmiary ramy (zmniejszając koszt silnika o 30–40%), zmniejszenie zużycia energii o 35–45% oraz wydłużenie żywotności łożysk o 2–3 razy dzięki niższym obciążeniom dynamicznym. Ramię z włókna węglowego zazwyczaj kosztuje o 20–40% więcej niż zastępowane przez nie ramię aluminiowe, ale inwestycja zwraca się dzięki oszczędnościom w silniku i redukcji zużycia energii w ciągu 12–18 miesięcy ciągłej pracy.
Porównanie ramion robota z włókna węglowego i aluminium
| Właściwość | Włókno węglowe (quasi-izo) | Aluminium 6061-T6 | Aluminium 7075-T6 |
|---|---|---|---|
| Gęstość (g/cm³) | 1.6 | 2.7 | 2.8 |
| Moduł sprężystości (GPa) | 40-55 | 69 | 71 |
| Sztywność właściwa | 25-34 | 25.5 | 25.4 |
| Tłumienie wibracji | 0.5–1.0% (wysoki) | 0.1% (niski) | 0.1% (niski) |
| Trwałość zmęczeniowa (10 mln cykli) | Nieskończony (bez ograniczeń) | ~100 MPa wytrzymałość | ~160 MPa wytrzymałość |
| Rozszerzalność termiczna | ~0.5 ppm/°C | 23.6 ppm/°C | 23.5 ppm/°C |
| Waga ramienia (1.5 m, 50 mm średnicy zewnętrznej) | 1.1 kg | 2.8 kg | 2.9 kg |
TSTAR z CFRP Produkujemy ogniwa ramion robotów z włókna węglowego z niestandardowymi schematami układania, zoptymalizowanymi pod kątem sztywności zginania, wytrzymałości na skręcanie i tłumienia drgań. Klejone końcówki z precyzyjnymi tolerancjami ustawienia. Skontaktuj się z nami, podając specyfikację swojego robota, aby uzyskać analizę redukcji masy.
