RV-vähennin vs. harmoninen vaihteisto ABB-roboteissa
Kun jotkut ihmiset tulevat ensimmäisen kerran tekemisiin ABB:n teollisuusrobottien kanssa, heidän katseensa keskittyvät ohjauskaappiin, servomoottoreihin ja opetusnäppäimistöön. Mutta lopulta robotti liikkuu – onko se vakaa vai ei, tarkka vai ei, kestävä vai ei – ja kaiken juuri piilee nivelissä: muutamissa vaihteissa.
Useimmat ABB-robottien huoltotyöntekijät ovat kokeneet tämän vaihteiston: muutaman vuoden kuluttua robotti alkaa hitaasti näyttää rataepäjatkuvuuksia, hitsaus ei ole enää vakaa, robotti väriskee, aiheuttaa melua ja sen sijaintitarkkuus heikkenee. Kun tällaisia ongelmia ilmenee, tarkastus yleensä johtaa nivelien tarkastukseen, jolloin usein havaitaan, että nopeusvaihteet nivelissä ovat vaurioituneet. ABB-robottien päässä käytetään yleisimmin kahta eri tyyppistä vaihdetta: yhtä kutsutaan RV-vaihteeksi ja toista harmoniseksi vaihteeksi.
Asiakkaat kysyvät usein: "Mikä on näiden kahden vähentäjän ero?", "Miksi ABB:n täytyy tehdä näin? Miksi ABB käyttää joissakin aksелеissa RV-vähentäjiä ja toisissa harmonisia vähentäjiä?" "Kumpi on kestävämpi?" "Kumpi on tarkempi?" Tänään puhumme teille puhtaasti työpajan kokemuksen perusteella. 
Robotin vähentävä vaihteisto lopussa on juurikin se, mitä se tekee
Teollisuusrobottien servomoottorit, käännä niitä nopeasti – se on mahdollista, mutta siinä on vakava ongelma: nopea kääntäminen ei tarkoita suurta voimaa. Todellisessa työssä robotti tarvitsee alhaista kierrosnopeutta, korkeaa vääntömomenttia ja korkeaa tarkkuutta sekä vakaita tulosteita. Ajattele esimerkiksi hitsausta: hitsauslinjaa seurattaessa liike täytyy olla erityisen tasainen; kun käsittelijä nostaa satoja kilogrammoja painavia työkappaleita, nivelten täytyy kestää suuria voimia ilman ravistelua. Vähennysvaihteiston tehtävä on laskea moottorin liian nopea pyörimisnopeus, suurentaa voimaa ja varmistaa myös, että ulostulovalli pysähtyy tarkalleen oikeaan asemaan. Siksi vähennysvaihdetta voidaan pitää nivelissä ”voiman vahvistimena” ja ”tarkkuuden valvontana”. Monissa ABB-roboteissa, kun vähennysvaihde on kulunut, huomaa sen vaikutukset: liikerata alkaa leijua yhä enemmän, toistettavuusvirhe kasvaa päivä päivältä, käsivarsi alkaa ravistua, kiihdytys ja jarrutus aiheuttavat yhä useammin epätasaisuuksia, hitsaustulosten laatu vaihtelee yhä enemmän, ja lopulta vahva hälytysviesti ilmestyy suoraan näytölle.
RV-vähennin: kova ja valmistukseen kestävä kantaja
Mikä on RV-vähentimen tehtävä? Monet ihmiset kutsuvat sitä myös sykloidivähentimeksi. Tämän laitteen paras ominaisuus on juuri yksi asia: se on jäykkä ja erityisesti kestävä valmistusta vastaan. Sitä käytetään raskastyöisiin teollisuusrobotteihin, jotka kuljettavat palkkia, joten ne, jotka tekevät hitsausta, käsittelyä ja paletointia suurilla ABB-robotteilla – erityisesti perustan, käsien ja kyynärvarren kovimmissa nivelissä – ovat pääasiassa varustettuja RV-vähentimillä. Ajattelepa: kun suuri ABB-robotti heiluttaa koko käsivarttaan ylöspäin, perustan useat laakerit joutuvat kantamaan sen hitausvoimaa – kuinka suuri tuo voima onkin. Jos vähentin ei ole riittävän jäykkä siinä kohdassa, koko robotti toimii kuin humalainen ja heilahtelee. RV-vähentimen vahvin osa on tämä kova luu.
Miksi RV-vähennin on niin vahva? Siihen vaikuttaa sen sisäinen rakenne. Tavallisessa vaihteistossa yhtä aikaa voivat olla rasituksessa yksi tai kaksi hammasta, mutta RV-vähennin eroaa tässä: siinä on yhtä aikaa kosketuksissa useita hammaita, jolloin voima jakautuu tasaisesti. Tämä on kuin ryhmä ihmisiä, jotka nostavat yhdessä raskasta esinettä, eikä yksittäinen henkilö kannattele sitä yksin. Näin voima jakautuu tasaisesti, iskunkestävyys on vahva ja hammasmurtumisen riski pieni; myös pitkäaikainen raskas kuormitus kestää hyvin. Siksi monet ABB:n raskaslastuiset robottivähentimet kestävät useita vuosia. Erityisesti autoteollisuuden hitsauspajoissa tämä on erityisen selvästi havaittavissa: ne ABB:n hitsausrobotit toimivat päivittäin yli kymmenen tuntia ja pyörivät jatkuvasti useita vuosia – ensimmäisenä usein epäonnistuu ei ohjain, vaan mekaanisen osan liitoskohdat, joissa ajan myötä muodostuu hitaasti välystä. Yleisesti ottaen RV-vähentimen kokonaiselinkaari on kuitenkin todella pitkä.
Harmoninen vähentäjä: syntynyt ”erinomaisen tarkkuuden” saavuttamiseksi.
Harmoninen vähentäjä on täysin erilainen lähestymistapa kuin RV-vähentäjä, joka on suunniteltu ”rakennettavaksi”, kun taas harmoninen vähentäjä on suunniteltu ”erinomaisen tarkaksi”. Harmonisella vähentäjällä on erityisen selvä ominaisuus: pieni koko, kevyt paino, takaiskukäyrä on erinomaisen alhainen – niin alhainen, että se on melkein merkityksetön – ja tarkkuus on hätkähtävän korkea. Siksi tarkastele ABB-robotin ranneakseja, erityisesti työkalupään lähellä olevia osioita, kuten maalausta, tarkkaa kokoonpanoa, pienien osien tarttumista tai elektroniikkateollisuudessa käytettyjä robotteja: niiden ranteet ovat lähes poikkeuksetta varustettu harmonisilla vähentäjillä. Kyseisessä alueessa tila on jo niukka, ja liikkeen tarkkuutta koskeva vaatimus on äärimmäisen korkea, joten harmoninen vähentäjä sopii juuri tähän käyttötarkoitukseen.
Miksi harmoninen vähentäjä voi olla niin tarkka? Avainasemassa on se, että siinä ei ole lähes lainkaan välitysväliä, jota kutsumme usein 'takaiskuksi'. Monilla tavallisilla vähentäjillä on tämä ongelma: moottoripää liikkuu hiukan, mutta ulostulo ei seuraa liikettä välittömästi – välissä on aina väli. Mitä suurempi väli on, sitä epävarmemmaksi robottin sijaintitieto muuttuu. Harmoniset vaihteistot perustuvat joustavan välityksen periaatteisiin, jolloin takaisku saadaan hyvin alhaiseen tasoon. Siksi ABB-robottien ranne tuntuu kääntyvän erityisen sujuvasti ilman tuota löysää välin tunnetta. Erityisesti maalausroboteissa tämä on kaikkein selvintä: jos suihkutuspistoolin rata heilahtelee hiukan, maalipinta muodostaa heti juovia, epätasaisen paksuuden, appelsiinikuoren tai suihkun vuodon. Maalausrobottien ranneharmonisten vähentäjien tarkkuus onkin erityisen tärkeä.
Miksi ABB ei yksinkertaisesti käytä vain yhtä vaihteistoa?
Miksi ABB ei siis käytä molempia, vaan asentaisi RV:n suureen akseliin ja harmonisen vaihteiston pienempään akseliin? Suoraan sanottuna teollisuusrobotit tarvitsevat perimmiltään sekä voimaa että tarkkuutta, ja näistä kahdesta ominaisuudesta kumpikin on keskitetty joko RV- tai harmonisvaihteistoon. ABB:n suunnittelutapa on yleensä käyttää RV-vaihteistoa etuosan suurissa liitoskohdissa ja harmonisvaihteistoa takaosan pienissä liitoskohdissa. Tällä tavoin raskas kuorma saadaan pitämään kokonaisuutena vakautettuna, lopputuloksena saavutetaan riittävän tarkka toiminta ja radan ohjaus on myös tasainen. Itse asiassa nykyisin markkinoilla olevien teollisuusrobottien suurin osa noudattaa tätä yleistä mallia.
Kumpi – RV- vai harmonisvaihteisto – on todennäköisemmin vioittunut?
Mikä on helpommin rikki menevä, kysyvät asiakkaat aina. Realistisesti ajatellen emme voi yksinkertaisesti sanoa, kumpi on herkempi kuin kumpi, koska ne toimivat erilaisissa ympäristöissä. Käytännön työpajan korjausten perusteella harmoninen vähentäjä on kuitenkin suhteellisesti ottaen hieman "herkempi". Tämä johtuu siitä, että sen sisällä oleva joustava pyörä on jatkuvasti kimmoisessa muodonmuutostilassa, ja pitkäaikainen korkeataajuinen edestakainen liike aiheuttaa hitaasti väsymistä. Erityisesti korkeataajuiset pieniamplitudiset toiminnot, jotka toimivat yöllä ja päivällä tauotta sekä usein käynnistettävät ja pysäytettävät toiminnot, kiihdyttävät harmonisen vähentäjän kulumista. RV-vähentäjää taas pelottaa enemmän raskas kuormitustärähdys, esimerkiksi robottien törmäykset, ylikuormitus, hätäpysähtyminen tai vanheneminen korkean hitausmomentin vaikutuksesta, jolloin se ei pysty enää kantamaan kuormaa – näissä tapauksissa on helppoa aiheuttaa sisäisille hammaspyörille ja laakerille näkymättömiä vaurioita.
Mitkä ovat vaihteiston kuoleman esikuvailevat merkit?
Käytössä vähentimen (reducer) edeltäjän ongelmat tulevat erityisen selviksi, mutta monet ihmiset ajattelevat aluksi ongelman johtuvan servosta tai moottorista – tuloksena on kuitenkin vähentimen vika. Jos haluaisin antaa ohjeen, niin kun kohtaatte seuraavat oireet, pitäisi heti ajatella vähentimeen liittyvää vikaa. Robotin sijaintitarkkuus heikkenee yhä enemmän – tämä on tyypillisin oire. Erityisesti hitsausrobotissa hitsauspiste on aluksi oikein, mutta sitten poikkeama kasvaa yhä enemmän; nollapisteen uudelleenkalibrointi toimii vain päivän tai kahden ajan, minkä jälkeen ongelma palautuu – tämäntyyppinen tilanne johtuu yhdeksässä tapauksessa kymmenestä vähentimen välyksen kuluttumisesta. Robotin liikkeet alkavat tärähtää, mikä on erityisen ilmeistä alhaisilla nopeuksilla; joissakin ABB-robotteja käytettäessä käsinohjattua hitaalla nopeudella suoritettavaa osoittamista tehdessä tuntee yksi toisensa jälkeen tärähtelyä ja epätasaisuutta, eikä liike ole riittävän sujuva – todennäköisin syy on sisäisten osien kuluminen. Liitoskohdista kuuluu melua: napautusääniä, metallin kitkasta aiheutuvia ääniä tai matala paukku – näitä ei saa sivuuttaa. Erityisen ilmeistä melu on RV-vähentimen laakerivioissa, ja monet ihmiset jatkavat silti käyttöä, mikä lopulta tuhoaa koko liitoskohdan. Lisäksi liitoskohdat voivat kuumeta huomattavasti: kun vähentimen kuluminen on alkanut, kitka lisääntyy merkittävästi, ja akselin lämpötila tuntuu selvästi korkeammalta kuin muilla osilla; pahimmillaan voi jopa haistaa rasvan hajoamisen aiheuttamaa tahmeaa hajua.
Miten sitä voidaan huoltaa, jotta se kestäisi pidempään?
Tämän komponentin huolto on monien tehtaiden tapauksessa altis jäämään huomiotta mekaanisen osan osalta; he ajattelevat, että laite voidaan vain käynnistää tuotantolinjalla. Mutta robotin väsytin on kuitenkin kaikkein herkempi pitkäaikaiselle huollon puutteelle. Erityisesti kolmen vuoron vuorottelussa toimivat ABB-robotit vaativat usein asiakkaillemme muutamia neuvoja: tarkkaile lämpötilan muutoksia, kuuntele melua, tunnista värähtelyjä ja kiinnitä huomiota siihen, ettei ero päivän sisällä kasva liian suureksi. Voiteluun tulee myös kiinnittää säännöllisesti huomiota tilanteen mukaan. Monet väsytinmekanismit eivät hylätä yhtäkkiä, vaan ne ovat itse asiassa kuluneet pitkään, mutta kukaan ei ole huomannut sitä. Aikainen havainto voi mahdollistaa esimerkiksi laakerin vaihdon tai voiteluöljyn vaihdon, mikä ratkaisee ongelman; viivästetty toiminta taas johtaa koko väsytimen romuttamiseen.
Tarkkuuden lasku johtuu useimmiten väsytimestä
Monien ABB-robottien tarkkuus heikkenee, mutta syy ei välttämättä ole enkooderissa tai moottorissa. Ajattelepa: jos ohjausjärjestelmäsi ja sen jälkeen laskenta ovat tarkkoja, mutta mekaanisessa osassa itsessään on välystä, lopullinen liike on kuitenkin edelleen epätarkka. Siksi joillakin ABB-roboteilla enkooderi toimii normaalisti, moottori toimii normaalisti, kukaan ei ole muuttanut parametrejä, mutta liikerata ei ole vakaa. Kun nivelosat puretaan, vaihteisto on kulunut. Tämä on erityisen yleistä hitsausroboteissa, jotka ovat olleet käytössä useita vuosia.
Korjataanko vai vaihdetaanko vaihteisto
Siihen, korjataanko vai vaihdetaanko vaihteisto, vaikuttavat käytännön olosuhteet. Joissakin tapauksissa, kuten laakerien kulumassa, voitelun epäonnistumisessa ja hieman liian suuressa välyksessä, vaihteisto voidaan korjata. Jos kuitenkin vaihteiston sisällä olevat hammaspyörät ovat jo rikki, joustoratas on väsynyt ja rikki tai sisäinen kuluminen on erittäin vakavaa, uuden vaihteiston suora vaihto on usein kustannustehokkaampaa. Tämä johtuu siitä, että robottilinjan pysähtymisestä aiheutuvat kustannukset ovat usein paljon suuremmat kuin vaihteiston itse kustannukset. Erityisesti autoteollisuuden linjoilla yhden päivän pysähtyminen riittää usein ostamaan useita vaihteistoja.
