Роботизированные манипуляторы из углеродного волокна сокращают время цикла автоматизации.

Успех или неудача промышленных роботов зависит от времени цикла. Робот-манипулятор, выполняющий 20 перемещений в минуту с полезной нагрузкой 3 кг, совершает 28 800 циклов в день. Сокращение времени каждого перемещения на 0.1 секунды — за счет уменьшения массы, которую должны разгонять и замедлять двигатели, — экономит 48 минут производственного времени в день. Роботизированные манипуляторы из углеродного волокна достигают этого снижения массы не за счет незначительного уменьшения веса по сравнению с алюминиевыми, а за счет уменьшения веса на 60% при эквивалентной жесткости. Вот инженерное обоснование перехода на углеродное волокно.

Реальная стоимость тяжелых роботизированных манипуляторов

Типичная алюминиевая роботизированная рука для 6-осевого шарнирного робота весит 12–18 кг при радиусе действия 1.5 метра. Двигатели должны разгонять эту массу из состояния покоя до полной скорости и обратно до полной остановки тысячи раз в день. Каждый килограмм массы руки требует примерно 0.5–1.0 кг дополнительной массы двигателя для достижения того же профиля ускорения. Этот кумулятивный эффект означает, что уменьшение веса руки на 5 кг приводит к уменьшению общей массы робота на 8–10 кг, что, в свою очередь, позволяет использовать меньшее основание, более легкие подшипники и более дешевые редукторы. Экономия веса распространяется на всю конструкцию робота.

Энергетические затраты также имеют существенное значение. Шестиосевой робот, перемещающий манипулятор массой 12 кг, потребляет примерно 4–6 кВт во время быстрых движений. Сокращение массы манипулятора на 60% снижает энергопотребление примерно на 40% — экономия составляет 2,000–4,000 долларов в год на электроэнергию на одного робота по промышленным тарифам. Для завода с 50 роботами это означает экономию энергии в размере 100 000–200 000 долларов в год.

Почему алюминий не оправдывает ожиданий

Алюминий десятилетиями был основным материалом для роботизированных манипуляторов, поскольку он хорошо известен, поддается механической обработке и достаточно легок — 2.7 г/см³. Однако удельная жесткость алюминия (модуль упругости, деленный на плотность) составляет около 26 ГПа/(г/см³). Углеродное волокно в квазиизотропной структуре достигает приблизительно 40–50 ГПа/(г/см³) — почти вдвое больше. Это означает, что манипулятор из углеродного волокна может весить вдвое меньше, чем манипулятор из алюминия, при той же жесткости, или даже больше при том же весе.

Алюминий также подвержен усталости — у него нет предела выносливости. Каждый цикл напряжения, каким бы малым он ни был, сокращает срок службы материала при усталости. Роботизированная рука, совершающая 28 800 циклов в день, накапливает 10 миллионов циклов в год — это уже высокоцикловая усталость алюминия. Композиты из углеродного волокна, при правильном проектировании, имеют практически бесконечный срок службы при усталости при уровнях напряжения, наблюдаемых в роботизированных руках, поскольку нагрузка передается упругими углеродными волокнами, а не кристаллической решеткой металла, в которой накапливаются дислокации.

Как углеродное волокно решает эту проблему

Роботизированные манипуляторы из углеродного волокна обычно изготавливаются из труб, намотанных методом рулонной обмотки, для основных конструктивных элементов, с обработанными на станке алюминиевыми или титановыми концевыми фитингами, приваренными к концам труб. Стенка трубы спроектирована таким образом, чтобы обеспечить необходимую жесткость и прочность на изгиб во всех направлениях. Квазиизотропная [0/±45/90] структура обеспечивает сбалансированные свойства — слои с углом 0° обеспечивают осевую жесткость, слои с углом ±45° — прочность на кручение, а слои с углом 90° предотвращают деформацию трубы под изгибающими нагрузками.

Экономия веса значительна. 1.5-метровое звено из углеродного волокна диаметром 50 мм и толщиной стенки 3 мм весит примерно 1.1 кг. Эквивалентное алюминиевое звено (с той же жесткостью) весит 2.8 кг — в 2.5 раза тяжелее. Полный 6-осевой роботизированный манипулятор, собранный с использованием звеньев из углеродного волокна, обычно весит 5–8 кг против 12–18 кг для алюминиевых звеньев — снижение веса на 55–60%.

Измеримые результаты: чего ожидать после перехода на другой метод?

Компании, перешедшие с алюминиевых манипуляторов на манипуляторы из углеродного волокна, сообщают о стабильных результатах: сокращение времени цикла на 15–25% за счет более быстрого ускорения и замедления, уменьшение размеров двигателя на 1–2 типоразмера (снижение стоимости двигателя на 30–40%), снижение энергопотребления на 35–45% и увеличение срока службы подшипников в 2–3 раза за счет снижения динамических нагрузок. Манипулятор из углеродного волокна обычно стоит на 20–40% дороже, чем заменяемый им алюминиевый, но окупается за счет экономии на двигателе и снижения энергопотребления в течение 12–18 месяцев непрерывной работы.

Сравнение роботизированных манипуляторов из углеродного волокна и алюминия.

CFRP TSTAR Компания производит звенья роботизированных манипуляторов из углеродного волокна с индивидуальной схемой укладки волокон, оптимизированной для жесткости на изгиб, прочности на кручение и гашения вибраций. Концевые фитинги с клеевым соединением и точными допусками на выравнивание. Свяжитесь с нами, предоставив технические характеристики вашего робота, для анализа снижения веса.