Μειωτήρας RV έναντι Αρμονικού Κινητήρα σε Ρομπότ ABB
Όταν ορισμένοι άνθρωποι έρχονται για πρώτη φορά σε επαφή με βιομηχανικά ρομπότ ABB, το βλέμμα τους εστιάζεται στις καβινέτες ελέγχου, τους σερβοκινητήρες και τον εκπαιδευτικό πίνακα ελέγχου. Ωστόσο, το καθοριστικό κριτήριο για το κατά πόσο ένα ρομπότ κινείται «σταθερά ή όχι, ακριβώς ή όχι, ανθεκτικά ή όχι» βρίσκεται στην πραγματικότητα κρυμμένο στις αρθρώσεις — δηλαδή σε αυτούς τους μειωτήρες.
Οι περισσότεροι επαγγελματίες που ασχολούνται με τη συντήρηση ρομπότ ABB έχουν αντιμετωπίσει αυτό το πρόβλημα: μετά από λίγα χρόνια λειτουργίας, το ρομπότ αρχίζει σταδιακά να εμφανίζει παρεκτροπές στην τροχιά, αστάθεια στη συγκόλληση, ταλαντώσεις, θόρυβο και απόκλιση στην επανατοποθέτηση. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας διάγνωσης, η εξέταση των αρθρώσεων οδηγεί συχνά στο συμπέρασμα ότι ο μειωτήρας ταχύτητας είναι ο υπεύθυνος. Στις αρθρώσεις των ρομπότ ABB, οι δύο πιο συνηθισμένοι τύποι μειωτήρων που χρησιμοποιούνται στο κεφάλι του ρομπότ είναι ο μειωτήρας RV και ο αρμονικός μειωτήρας.
Οι πελάτες ρωτούν συχνά: «Ποια είναι η διαφορά μεταξύ αυτών των δύο μειωτήρων;», «Γιατί η ABB πρέπει να κάνει αυτό; Γιατί η ABB χρησιμοποιεί μειωτήρες RV για ορισμένους άξονες και αρμονικούς μειωτήρες για άλλους;» «Ποιος είναι πιο ανθεκτικός;» «Ποιος είναι πιο ακριβής;» Σήμερα, θα σας μιλήσουμε, αποκλειστικά βασιζόμενοι στην εμπειρία από το εργαστήριο. 
Ο μειωτήρας στο ρομπότ τελικά είναι αυτός που καθορίζει το αποτέλεσμα
Κινητήρες σερβο για βιομηχανικούς ρομπότ: αυξήστε την ταχύτητα περιστροφής και θα είναι γρήγοροι, αλλά υπάρχει ένα μοιραίο πρόβλημα — η υψηλή ταχύτητα περιστροφής δεν σημαίνει απαραίτητα μεγάλη ροπή. Κατά την πραγματική λειτουργία, το ρομπότ απαιτεί χαμηλή ταχύτητα, υψηλή ροπή, υψηλή ακρίβεια και επίσης σταθερή έξοδο. Σκεφτείτε το: κατά την κόλληση, καθώς το ρομπότ ακολουθεί τη γραμμή κόλλησης, η κίνηση πρέπει να είναι εξαιρετικά ομαλή· όταν χειρίζεται εξαρτήματα που ζυγίζουν εκατοντάδες λίβρες, οι αρθρώσεις πρέπει να αντέχουν την ασκούμενη δύναμη χωρίς να ταλαντεύονται. Αυτό που κάνει ο μειωτήρας είναι να μειώνει την «ανόητη» ταχύτητα του κινητήρα, να ενισχύει τη ροπή και να εξασφαλίζει ότι ο άξονας εξόδου σταματά ακριβώς στη σωστή θέση. Ως εκ τούτου, μπορείτε να θεωρήσετε τον μειωτήρα ως «ενισχυτή δύναμης» και «φύλακα ακρίβειας» στις αρθρώσεις. Σε πολλά ρομπότ ABB, μόλις φθαρεί ο μειωτήρας, το αισθάνεστε αμέσως: η τροχιά γίνεται όλο και πιο «αιωρούμενη», το σφάλμα επαναλαμβανόμενης τοποθέτησης αυξάνεται σταδιακά, η βραχίονας αρχίζει να ταλαντεύεται, η επιτάχυνση και η επιβράδυνση γίνονται όλο και πιο ασταθείς, η ποιότητα της κόλλησης επιδεινώνεται και, σε σημείο κρίσιμης έντασης, ενεργοποιείται αμέσως η συναγερμός.
Μειωτήρας RV: στέρεος και ανθεκτικός σε κατασκευαστικές τάσεις φορέας
Ποιος είναι ο ρόλος του μειωτήρα RV; Πολλοί άνθρωποι τον αποκαλούν επίσης κυκλοειδή μειωτήρα. Το καλύτερο πράγμα γι’ αυτόν είναι ακριβώς ένα: είναι σκληρός και ειδικά ανθεκτικός σε κατασκευαστικές τάσεις. Χρησιμοποιείται σε βαρέων τύπων βιομηχανικά ρομπότ για να μεταφέρει τη δοκό, οπότε εκείνοι που ασχολούνται με τη συγκόλληση, τη μεταφορά, την παλετοποίηση μεγάλων ρομπότ ABB — ιδιαίτερα στη βάση, το βραχίονα και τις πιο απαιτητικές αρθρώσεις του βραχίονα — έχουν σχεδόν πάντα εγκατεστημένο μειωτήρα RV στο «στομάχι» τους. Σκεφτείτε λίγο: όταν ολόκληρος ο βραχίονας ενός μεγάλου ρομπότ ABB ανυψώνεται και κινείται, η δύναμη αδράνειας που πρέπει να αντέξουν οι μερικές μόνο δακτύλιοι στη βάση είναι τεράστια. Αν ο μειωτήρας δεν είναι αρκετά σκληρός σε εκείνο το σημείο, ολόκληρο το ρομπότ θα λειτουργεί σαν μεθυσμένο, κουνώντας το κορμί του. Το πιο ισχυρό χαρακτηριστικό του μειωτήρα RV είναι ακριβώς αυτό το «σκληρό οστό».
Γιατί είναι τόσο ισχυρός ο μειωτήρας RV; Αυτό σχετίζεται με την εσωτερική του δομή. Ένας συνηθισμένος μειωτήρας γραναζιών μπορεί, κατά την ίδια χρονική στιγμή, να έχει σε επαφή ένα ή δύο δόντια υπό φόρτιση, ενώ ο μειωτήρας RV δεν λειτουργεί κατ’ αυτόν τον τρόπο: σε αυτόν, πολλά δόντια βρίσκονται σε επαφή ταυτόχρονα, οπότε η δύναμη κατανέμεται ομοιόμορφα. Είναι σαν μια ομάδα ανθρώπων που σηκώνουν κάτι βαρύ μαζί, αντί να εξαρτώνται από ένα μόνο άτομο για να το μεταφέρει. Με αυτόν τον τρόπο, η δύναμη είναι ομοιόμορφη, η αντοχή στις κρούσεις είναι υψηλή και ο κίνδυνος σπάσιμου δοντιών είναι επίσης μικρός· επιπλέον, μπορεί να αντέχει επί μακρόν σε βαριά φορτία με σταθερή απόδοση. Γι’ αυτόν τον λόγο, πολλοί βαρέων τύπων ρομποτικοί μειωτήρες RV της ABB μπορούν να λειτουργούν για πολλά χρόνια. Ιδιαίτερα στα εργαστήρια αυτοκινήτων για συγκόλληση είναι εμφανές, όπου εκείνα τα ρομπότ συγκόλλησης της ABB λειτουργούν καθημερινά για περισσότερο από δέκα ώρες, με συνεχή περιστροφή επί αρκετά χρόνια· συχνά, το πρώτο που «καταρρέει» δεν είναι ο ελεγκτής, αλλά τα μηχανικά μέρη των αρθρώσεων, τα οποία σταδιακά φθείρονται και δημιουργούν χάσματα. Ωστόσο, γενικά, η συνολική διάρκεια ζωής του μειωτήρα RV είναι πραγματικά μεγάλη.
Αρμονικός μειωτήρας: γεννημένος για «ακραία ακρίβεια».
Ο αρμονικός μειωτήρας αποτελεί μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση από τον RV, ο οποίος σχεδιάζεται να «κατασκευάζεται», ενώ ο αρμονικός μειωτήρας σχεδιάζεται για «ακραία ακρίβεια». Ο αρμονικός μειωτήρας διαθέτει ιδιαίτερα εμφανή χαρακτηριστικά: μικρό μέγεθος, ελαφρύ βάρος, ελάχιστη ή σχεδόν αμελητέα ανακρουστική κίνηση (backlash) και εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια. Επομένως, όταν κοιτάζετε τον καρπό των ρομπότ ABB, οι άξονες, και ιδιαίτερα οι τμήματα κοντά στο τέλος του εργαλείου — όπως σε εφαρμογές βαφής, ακριβούς συναρμολόγησης, λήψης μικρών εξαρτημάτων ή στην ηλεκτρονική βιομηχανία — χρησιμοποιούν σχεδόν αποκλειστικά αρμονικούς μειωτήρες. Ο διαθέσιμος χώρος σε αυτήν την περιοχή είναι ήδη περιορισμένος, ενώ οι απαιτήσεις όσον αφορά την ακρίβεια της κίνησης είναι εξαιρετικά αυστηρές· ο αρμονικός μειωτήρας είναι λοιπόν η τέλεια λύση.
Γιατί ο αρμονικός μειωτήρας μπορεί να είναι τόσο ακριβής; Το κλειδί βρίσκεται στο γεγονός ότι δεν παρουσιάζει σχεδόν καθόλου διακένο μετάδοσης, το οποίο συνήθως αναφέρουμε ως «backlash». Πολλοί συνηθισμένοι μειωτήρες παρουσιάζουν αυτό το πρόβλημα: όταν η μηχανή κινείται ελαφρώς, η έξοδος δεν ακολουθεί αμέσως την κίνηση, υπάρχει πάντα ένα διακένο. Όσο μεγαλύτερο είναι το διακένο, τόσο περισσότερο αβέβαιη γίνεται η τοποθέτηση (localization) του ρομπότ. Οι αρμονικοί μειωτήρες βασίζονται σε ένα σύνολο αρχών ευέλικτης μετάδοσης, μειώνοντας το backlash σε πολύ χαμηλό επίπεδο. Γι’ αυτόν τον λόγο αισθάνεστε την περιστροφή του καρπού του ρομπότ ABB ιδιαίτερα ομαλή, χωρίς εκείνη την αίσθηση χαλαρότητας που οφείλεται στο διακένο. Ιδιαίτερα εμφανές είναι στα ρομπότ βαφής: ακόμη και μια ελάχιστη ταλάντωση της τροχιάς του εκτοξευτήρα βαφής οδηγεί αμέσως σε διαγώνιες ρίγες, ανομοιόμορφο πάχος επικάλυψης, φαινόμενο «φλούδας πορτοκαλιού» (orange peel) ή ακόμη και σε ανεπαρκή κάλυψη (leakage of spray). Γι’ αυτό το λόγο, η ακρίβεια του αρμονικού μειωτήρα στον καρπό των ρομπότ βαφής είναι ιδιαίτερα κρίσιμη.
Γιατί η ABB δεν χρησιμοποιεί απλώς έναν μειωτήρα;
Λοιπόν, γιατί η ABB δεν χρησιμοποιεί απλώς όλα αυτά και δεν εγκαθιστά το RV στον μεγάλο άξονα και τον αρμονικό μειωτήρα στον μικρό άξονα; Με απλά λόγια, οι βιομηχανικοί ρομπότ ενδεικτικά χρειάζονται ταυτόχρονα και αντοχή και ακρίβεια, και καθένα από αυτά τα δύο χαρακτηριστικά καλύπτεται αντίστοιχα από τους μειωτήρες RV και αρμονικούς. Η προσέγγιση σχεδιασμού της ABB είναι συνήθως να χρησιμοποιεί τον μειωτήρα RV για τις μεγάλες αρθρώσεις στο μπροστινό μέρος και τον αρμονικό μειωτήρα για τις μικρές αρθρώσεις στο πίσω μέρος. Έτσι, η διαδρομή εξασφαλίζει τη συνολική σκληρότητα για τη σταθεροποίηση των βαρέων φορτίων, ενώ η ακρίβεια στο τελικό σημείο είναι επαρκής και ο έλεγχος της τροχιάς είναι επίσης ομαλός. Στην πραγματικότητα, οι περισσότεροι βιομηχανικοί ρομπότ που υπάρχουν σήμερα στην αγορά ακολουθούν αυτό το κυρίαρχο μοντέλο.
Ποιος από τους μειωτήρες RV και αρμονικό είναι πιο πιθανό να προκαλέσει βλάβη;
Το ποιο είναι ευκολότερο να σπάσει είναι επίσης αυτό που οι πελάτες ρωτούν πάντα. Ρεαλιστικά, δεν μπορούμε απλώς να πούμε ποιο είναι πιο ευαίσθητο από το άλλο, καθώς λειτουργούν σε διαφορετικά περιβάλλοντα. Ωστόσο, βάσει της πραγματικής εμπειρίας από το εργαστήριο επισκευών, ο αρμονικός μειωτήρας είναι σχετικά πιο «ευαίσθητος», λίγο περισσότερο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο ελαστικός τροχός εντός του μειωτήρα βρίσκεται συνεχώς σε κατάσταση ελαστικής παραμόρφωσης, ενώ η συχνή εναλλαγή του προς τα εμπρός και προς τα πίσω υπό υψηλή συχνότητα, με την πάροδο του χρόνου, οδηγεί στην κόπωσή του. Ιδιαίτερα οι υψηλής συχνότητας κινήσεις με μικρό πλάτος, οι οποίες λειτουργούν συνεχώς, ημέρα και νύχτα, καθώς και οι συχνές εκκινήσεις και στάσεις, επιταχύνουν τη φθορά του αρμονικού μειωτήρα. Ο μειωτήρας RV, αντιθέτως, είναι περισσότερο ευάλωτος σε επιβαρύνσεις από μεγάλα φορτία, όπως για παράδειγμα οι συγκρούσεις ρομπότ, η υπερφόρτωση, οι αιφνίδιες ακινητοποιήσεις ή η λειτουργία σε κατάσταση υψηλής αδράνειας, όπου η μηχανική καταπόνηση είναι τόσο μεγάλη ώστε να μην μπορεί να υποστηριχθεί από το σύστημα — σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, είναι εύκολο να προκληθεί κρυφή ζημιά στα εσωτερικά γρανάζια και τα κουζινέτα.
Ποια είναι τα προειδοποιητικά σημάδια ενός μειωτήρα που πλησιάζει στο τέλος της διάρκειας ζωής του;
Στον χώρο, ο πρόδρομος της βλάβης του μειωτήρα είναι ιδιαίτερα εμφανής, αλλά πολλοί άνθρωποι αρχικά νόμιζαν ότι η αιτία ήταν ο σερβοκινητήρας ή ο κινητήρας· το αποτέλεσμα, ωστόσο, είναι ο μειωτήρας. Αν μου ζητούσατε να σας πω πότε πρέπει να σκεφτείτε τον μειωτήρα, θα έλεγα ότι αυτό πρέπει να γίνει όταν συναντήσετε τα παρακάτω συμπτώματα: Η τοποθέτηση του ρομπότ γίνεται όλο και λιγότερο ακριβής — αυτό είναι το πιο χαρακτηριστικό σύμπτωμα. Ιδιαίτερα στα ρομπότ συγκόλλησης, αρχικά το σημείο συγκόλλησης είναι σωστό, αλλά στη συνέχεια παρουσιάζεται όλο και μεγαλύτερη απόκλιση· αν επαναρυθμίσετε το μηδενικό σημείο, η βελτίωση διαρκεί μόνο μία ή δύο ημέρες και στη συνέχεια η απόκλιση επανέρχεται — σε εννέα στις δέκα περιπτώσεις, αυτό οφείλεται στη φθορά της ράβδου (gap) του μειωτήρα. Το ρομπότ αρχίζει να τρέμει κατά την εκτέλεση των κινήσεών του, ενώ το φαινόμενο είναι ιδιαίτερα εμφανές σε χαμηλές ταχύτητες· σε ορισμένα ρομπότ ABB, όταν χρησιμοποιείτε τον χειριστήριο (handwheel) για να κινήσετε αργά το ρομπότ, αισθάνεστε μια διαδοχική, τρεμόπαινη κίνηση, χωρίς την απαιτούμενη ομαλότητα — πιθανότατα οι εσωτερικές επιφάνειες έχουν φθαρεί. Εμφανίζονται θόρυβοι από τις αρθρώσεις: κλικ, ήχοι μεταλλικής τριβής, χαμηλοί βουητοί — μην τους υποτιμάτε. Ιδιαίτερα όταν οι κυλινδρικοί τροχοί (bearings) στον μειωτήρα RV είναι κατεστραμμένοι, οι θόρυβοι είναι εξαιρετικά εμφανείς, αλλά πολλοί χρήστες συνεχίζουν να τον χρησιμοποιούν, με αποτέλεσμα τελικά να καταστραφεί ολόκληρη η άρθρωση. Επιπλέον, οι αρθρώσεις γίνονται εξαιρετικά ζεστές· όταν ο μειωτήρας φθαρεί, η τριβή αυξάνεται σημαντικά, και η θερμοκρασία του άξονα αισθάνεται σαφώς υψηλότερη από εκείνη των άλλων αξόνων· σε σοβαρές περιπτώσεις, μπορείτε ακόμη και να μυρίσετε την αποδιάρθρωση του λιπαντικού, με χαρακτηριστική οσμή παστώδους ουσίας.
Πώς να το συντηρείτε για να του επεκτείνετε τη διάρκεια ζωής;
Η συντήρηση αυτού του εξαρτήματος είναι κάτι που πολλές βιομηχανίες τείνουν να παραβλέπουν, ιδιαίτερα όσον αφορά το μηχανικό τμήμα, πιστεύοντας ότι αρκεί απλώς να λειτουργεί στη γραμμή. Ωστόσο, ο μειωτήρας του ρομπότ είναι το εξάρτημα που φοβάται περισσότερο την παραμέληση επί μακρόν. Ιδιαίτερα στις περιπτώσεις ρομπότ ABB που λειτουργούν σε τριώρο πρόγραμμα, συνηθίζουμε να υπενθυμίζουμε στους πελάτες μας μερικά βασικά σημεία: παρατηρήστε τις αλλαγές στη θερμοκρασία, προσέξτε τους θορύβους, αισθανθείτε την ταλάντωση και ελέγξτε εάν υπάρχουν διαφορές σε σύγκριση με την προηγούμενη ημέρα· επίσης, η λίπανση πρέπει να ελέγχεται τακτικά, ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας. Πολλοί μειωτήρες δεν απορρίπτονται ξαφνικά, αλλά στην πραγματικότητα υφίστανται συνεχή τριβή επί μακρόν, χωρίς όμως κανείς να το αντιλαμβάνεται. Η πρώιμη ανίχνευση μπορεί να οδηγήσει στην αντικατάσταση ενός εδράνου ή στην αλλαγή του λιπαντικού, ενώ η καθυστέρηση μπορεί να οδηγήσει στην ολική απόρριψη του μειωτήρα.
Η μείωση της ακρίβειας οφείλεται κυρίως στον μειωτήρα
Πολλά ρομπότ ABB χάνουν την ακρίβειά τους, αλλά η ρίζα του προβλήματος δεν βρίσκεται αναγκαστικά στον κωδικοποιητή ή στον κινητήρα. Διότι, σκεφτείτε: το σύστημα ελέγχου σας — και οι υπολογισμοί του — μπορεί να είναι ακριβείς, όμως αν το μηχανικό μέρος έχει από μόνο του κενά, η τελική κίνηση θα παρουσιάζει πάντα απόκλιση. Γι’ αυτό και σε ορισμένα ρομπότ ABB ο κωδικοποιητής λειτουργεί φυσιολογικά, ο κινητήρας είναι εντάξει, κανείς δεν έχει τροποποιήσει τις παραμέτρους, ωστόσο η τροχιά δεν είναι σταθερή. Κατά την αποσυναρμολόγηση των αρθρώσεων διαπιστώνεται ότι ο μειωτήρας έχει φθαρεί. Αυτό είναι ιδιαίτερα συνηθισμένο σε ρομπότ για συγκόλληση που βρίσκονται σε λειτουργία εδώ και αρκετά χρόνια.
Επισκευή ή αντικατάσταση του μειωτήρα
Εάν θα επισκευαστεί ή θα αντικατασταθεί ο μειωτήρας εξαρτάται από την πραγματική κατάσταση. Σε ορισμένες περιπτώσεις, όπως η φθορά των κουζινέτων, η αποτυχία λίπανσης και η ελαφρά υπερβολική διαδρομή, μπορεί να πραγματοποιηθεί επισκευή. Ωστόσο, εάν οι εσωτερικοί τροχοί έχουν ήδη σπάσει, ο εύκαμπτος τροχός έχει υποστεί κόπωση και έχει σπάσει ή η εσωτερική φθορά είναι πολύ σοβαρή, τότε συνήθως είναι πιο οικονομικά αποδοτικό να αντικατασταθεί αμέσως με έναν καινούργιο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το κόστος της αναστολής λειτουργίας ενός ρομπότ είναι συχνά πολύ υψηλότερο από το ίδιο το κόστος του μειωτήρα. Ιδιαίτερα στις αυτοκινητοβιομηχανικές γραμμές, όπου η αναστολή λειτουργίας για μία μέρα είναι αρκετή για να αγοραστούν πολλοί μειωτήρες.
