RV reduktor vs. harmonický převodovka v robotech ABB
Když se někteří lidé poprvé setkají s průmyslovými roboty ABB, jejich pozornost je zaměřena na řídicí skříně, servomotory a učící zařízení. Ve skutečnosti však základní otázky, zda se robot pohybuje „stabilně či ne, přesně či ne, trvanlivě či ne“, mají kořen ve spojích – konkrétně v několika převodovkách.
Většina techniků zabývajících se údržbou robotů ABB již zažila tento problém: po několika letech provozu se u robota postupně objevují odchylky dráhy pohybu, nestabilní svařování, otřesy, hluk a posuny při polohování. Po důkladné diagnostice se často ukáže, že problém leží v převodovkách umístěných v jednotlivých kloubech. V hlavových kloubech robotů ABB se nejčastěji vyskytují dva typy převodovek: RV převodovky a harmonické převodovky.
Zákazníci často ptají: „Jaký je rozdíl mezi těmito dvěma reduktory?“, „Proč ABB musí postupovat takto? Proč ABB používá RV reduktory u některých hřídelí a harmonické reduktory u jiných?“, „Který z nich je odolnější?“, „Který z nich je přesnější?“ Dnes se vám o tom povíme, a to výhradně na základě zkušeností z dílny. 
Redukční převodovka v robotu je nakonec tím, co vytváří
Servomotory průmyslových robotů – zvyšte otáčky, což je rychlé, ale existuje fatální problém: vysoká rychlost otáčení se nerovná velké síle. Při skutečné práci robot vyžaduje nízkou rychlost, vysoký točivý moment, vysokou přesnost a zároveň stabilní výstup. Zamyslete se nad tím: při svařování musí pohyb sledovat svářecí šev zvláště hladce; při manipulaci s pracovními předměty vážícími stovky liber musí klouby odolat značnému zatížení a nesmí se chvět. Úkolem převodovky je snížit „hloupé“ otáčky motoru, zesílit výstupní sílu a zároveň zajistit, aby se výstupní hřídel zastavila přesně v požadované poloze. Můžete si tedy převodovku představit jako „zesilovač síly“ a „strážce přesnosti“ v kloubech. U mnoha robotů ABB stačí, aby se převodovka opotřebila, a už cítíte: trajektorie se stává stále více „plující“, chyba opakovaného nastavení polohy se denně zhoršuje, paže začíná vibrovat, zrychlení a zpomalení se stávají postupně nepravidelnějšími, kvalita svařování se stále více kolísá a silné body přímo vyvolávají poplach – všechno se „vysuší“.
RV reduktor: pevný a odolný vůči deformaci nosič
Jakou roli hraje RV reduktor? Mnoho lidí jej také nazývá cykloidním reduktorem. Jeho nejlepší vlastnost je právě jedna: je tuhý a zvláště odolný proti deformaci. Používá se u průmyslových robotů těžkého typu, například pro přepravu nosné konstrukce, a proto se využívá u robotů ABB pro svařování, manipulaci, paletizaci a podobné náročné úkoly – zejména v základně, paži a kloubech paže, kde je zatížení nejvyšší; břicho (tj. střední část) robotů je obvykle vybaveno právě RV reduktorem. Zamyslete se: když se celá paže velkého robotu ABB zvedne a rozkýve, jak obrovskou setrvačnou sílu musí unést ložiska v základně! Pokud není reduktor na tomto místě dostatečně tuhý, celý robot bude pracovat jako opilý – bude se kývat a otáčet. Nejsilnější vlastností RV reduktoru je právě tato „tvrdá kostra“.
Proč je reduktor RV tak výkonný? Má to něco společného s jeho vnitřní konstrukcí. U běžného ozubeného reduktoru může být zároveň namáhán jeden nebo dva zuby, ale u reduktoru RV tomu tak není – zde je v kontaktu najedou mnoho zubů současně, čímž se síla rovnoměrně rozprostírá. Je to jako kdyby skupina lidí společně zvedala těžkou zátěž, nikoli aby na to spoléhala jediná osoba. Tímto způsobem je zatížení rovnoměrné, odolnost proti nárazům vysoká a riziko zlomení zubů je malé; i při dlouhodobém provozu za těžké zátěže zůstává stabilita vysoká. Právě proto mohou být reduktory RV pro těžké průmyslové roboty ABB používány po mnoho let. Zejména v automobilových svařovacích dílnách je to velmi patrné: tyto svařovací roboty ABB pracují denně více než deset hodin a nepřetržitě se otáčejí po několik let – často nejdříve selže ne řídicí jednotka, ale mechanické klouby, jejichž části postupně opotřebí a vznikne mezi nimi mezera. Obecně lze říci, že celková životnost reduktoru RV je skutečně velmi dlouhá.
Harmonický reduktor: narozen pro „extrémní přesnost“.
Harmonický reduktor je zcela odlišným přístupem než RV reduktor, který je navržen tak, aby byl „vyroben“, zatímco harmonický reduktor je navržen tak, aby byl „extrémně přesný“. Harmonický reduktor má zvláště výrazné vlastnosti: malé rozměry, nízkou hmotnost, velmi nízkou zpětnou vůli – až téměř zanedbatelnou – a úžasnou přesnost. Pokud se tedy podíváte na zápěstí robotů ABB, zejména na osy v blízkosti nástrojového konce, například u aplikací jako natírání, přesné montážní operace, uchopení malých dílů nebo robotické aplikace v elektronickém průmyslu, zjistíte, že zápěstí je téměř výhradně vybaveno harmonickým reduktorem. Prostor v této oblasti je již velmi omezený a požadavky na přesnost pohybu jsou nepřiměřeně vysoké, což harmonický reduktor naprosto ideálně splňuje.
Proč může být harmonický reduktor tak přesný? Klíčovou roli hraje skutečnost, že téměř nemá žádnou převodovou vůli, kterou často označujeme jako „záběrovou vůli“. Mnoho běžných reduktorů má tento problém: když se motorový konec pohne o malinko, výstup se nepohne okamžitě – vždy zde zůstává jistá vůle. Čím je tato vůle větší, tím nejistější je lokalizace robota. Harmonické převodovky využívají princip pružného přenosu, díky němuž je záběrová vůle snížena na velmi nízkou úroveň. Proto se například zápěstí robotu ABB otáčí zvláště hladce a nepůsobí dojmem volného, „rozluhovaného“ spojení. Zejména u natěrkových robotů je tento efekt nejzřetelnější: i mírné otřesy trysky způsobí na natřeném povrchu vznik pruhů, nerovnoměrnou tloušťku nátěru, strukturu typu „pomerančová kůže“ nebo dokonce propísknutí nátěru. Proto je u natěrkových robotů na přesnosti harmonického reduktoru zápěstí zvláště závislé.
Proč ABB prostě nepoužívá pouze jeden převodový stupeň?
Proč tedy ABB prostě nepoužívá oba typy převodovek a nenainstaluje RV na velkou osu a harmonickou převodovku na malou osu? Jednoduše řečeno, průmyslové roboty z principu vyžadují jak sílu, tak přesnost, přičemž každá z těchto dvou vlastností je zajištěna právě jedním z uvedených typů převodovek. Návrhový přístup společnosti ABB obvykle spočívá v použití převodovky RV pro velké klouby na přední straně a harmonické převodovky pro malé klouby na zadní straně. Tím se dosáhne stability celkové tuhosti při zatížení velkou hmotností, zároveň je pohyb na konci pažete dostatečně jemný a řízení dráhy je také hladké. Ve skutečnosti je tento přístup nyní na trhu s průmyslovými roboty zdaleka nejrozšířenější.
Která z převodovek – RV nebo harmonická – je pravděpodobnější, že se porouchá?
Co se snáze poškodí, je také otázka, kterou zákazníci vždy klade. Realisticky vzato nemůžeme jednoduše říct, který reduktor je citlivější než druhý, protože pracují v různých prostředích. Podle skutečných zkušeností z dílen však harmonický reduktor vykazuje relativně větší „citlivost“. Důvodem je, že pružné kolo uvnitř je trvale ve stavu elastické deformace a při dlouhodobém vysokofrekvenčním pohybu tam a zpět postupně dochází k únavě materiálu. Zejména vysokofrekvenční pohyby s malou amplitudou, nepřetržitý provoz po celý den i v noci nebo časté starty a zastavení zrychlují opotřebení harmonického reduktoru. RV reduktor je naopak více náchylný k poškození při nárazovém zatížení velkou hmotností – například při srážce robotů, přetížení, nouzovém zastavení nebo při provozu starých zařízení s vysokou setrvačností, kdy je těžké zajištění dostatečné tuhosti; v těchto případech může dojít k neviditelným poškozením ozubených kol a ložisek uvnitř.
Jaké jsou předchůdce selhání převodovky?
Na poli je předchůdce poruchy reduktoru zvláště zřetelný, avšak mnoho lidí na první pohled myslí, že jde o servomotor nebo motor, zatímco ve skutečnosti je příčinou právě reduktor. Pokud bych měl říci, když narazíte na následující příznaky, měli byste ihned zvážit možnost poruchy reduktoru. Poloha robota se stává stále nepřesnější – to je nejtypičtější příznak. Zejména u svařovacích robotů je na začátku svařovací bod správný, ale postupně se objevuje stále větší odchylka; po znovunastavení nulového bodu funguje robot jeden až dva dny a poté se opět začne chovat chybně – v devíti případech ze deseti jde o opotřebení mezery v reduktoru. Pohyb robota začíná být třesivý, což je zvláště patrné při nízkých rychlostech; u některých robotů ABB se při pomalém ručním ovládání pomocí otočného kolečka (handwheel) cítí postupné „klikání“ nebo „bublání“, pohyb není hladký – nejpravděpodobnější příčinou je opotřebení vnitřních částí. V kloubech se objevují neobvyklé zvuky: klikání, kovové tření, tlumené dunění – tyto projevy nesmíte podceňovat. Zejména u RV reduktorů je špatný stav ložisek velmi zřetelně slyšitelný, přesto mnoho uživatelů pokračuje v provozu, až nakonec dojde k úplnému poškození celého kloubu. Dále se může projevit výrazné zahřívání kloubů; jakmile se reduktor opotřebí, zvýší se tření a teplota hřídele je zřetelně vyšší než u ostatních částí – v extrémních případech dokonce cítíte zápach rozkládající se mazací pasty.
Jak ho udržovat, aby vydržel déle?
Údržba tohoto komponentu je často v mnoha továrnách zanedbávána, zejména mechanická část – předpokládá se, že zařízení běží bez problémů. Robotický reduktor je však nejvíce zranitelný v případě dlouhodobého zanedbání. To platí zejména pro roboty ABB provozované ve třech směnách. Obvykle jsme zákazníkům zdůrazňovali následující body: sledujte změny teploty, poslouchejte hlučnost, cítíte vibrace a věnujte pozornost tomu, zda se rozdíly oproti předchozímu dni nezvětšují. Také pravidelně kontrolujte stav mazání podle aktuálních podmínek. Mnoho reduktorů není najedou náhle zahozeno – ve skutečnosti již dlouhou dobu trpí opotřebením, jen nikdo to nepozoroval. Včasný zásah může stačit k výměně ložiska nebo výměně oleje, což řeší problém; pokud se však zásah odloží, celý reduktor může skončit jako šrot.
Pokles přesnosti má svůj kořen většinou v reduktoru
U mnoha robotů ABB dochází k nepřesnostem, jejichž kořen není nutně v enkodéru nebo motoru. Protože si říkáte: ‚No dobře, mám řídicí systém a ten přesně vypočítává polohu‘ – avšak pokud samotná mechanická část má vůli, bude konečná poloha stále nesprávná. Právě proto u některých robotů ABB funguje enkodér bezchybně, motor je v pořádku, nikdo neprováděl žádné změny parametrů, a přesto se trajektorie pohybu nestabilizuje. Při demontáži kloubů se ukáže, že reduktor je opotřebený. To je zvláště časté u svařovacích robotů, které jsou již několik let v provozu.
Zda opravit nebo vyměnit reduktor
Rozhodnutí, zda převodovku opravit nebo vyměnit, závisí na konkrétní situaci. V některých případech – například při opotřebení ložisek, selhání mazání nebo jen mírném zvětšení vůle – lze převodovku opravit. Pokud jsou však ozubená kola uvnitř již poškozena, pružné kolo unavené a prasklé nebo je vnitřní opotřebení velmi závažné, je často ekonomičtější převodovku ihned nahradit novou. Důvodem je, že náklady způsobené prostojem robotů jsou často mnohem vyšší než cena samotné převodovky. To platí zejména u automobilových výrobních linek, kde prostoj po dobu jednoho dne stačí k nákupu několika převodovek.
