RV-fokozó vs. harmonikus hajtás ABB robotokban
Amikor egyesek először ismerkednek meg az ABB ipari robotokkal, a tekintetük a vezérlőszekrényre, a szervomotorokra és a tanítókészülékre irányul. Valójában azonban a robot mozgása végül „stabil-e vagy sem, pontos-e vagy sem, tartós-e vagy sem” – ezeknek a tulajdonságoknak a gyökere valójában a csuklókban rejtőzik: néhány sebességváltóban.
Az ABB robotok karbantartásával foglalkozó szakemberek többsége már találkozott ezzel a fogaskerék-problémával: néhány év után a robot lassan kezd el mutatni pályaeltolódást, a hegesztés instabillá válik, rezgés és zaj jelentkezik, a pozicionálás során régi eltérések jelennek meg – és amikor körbevizsgálják a csuklókat, gyakran éppen a sebességváltók kivételére kerül sor. Az ABB robotok fejcsuklóiban leggyakrabban két fajta sebességváltót használnak: az egyik az RV-sebességváltó, a másik a harmonikus sebességváltó.
A vásárlók gyakran feltették a kérdést: „Mi a különbség e két fogaskerekes hajtómű között?”, „Miért kell ezt az ABB-nek megtennie? Miért használ az ABB egyes tengelyeknél RV-, másoknál pedig harmonikus hajtóműveket?”, „Melyik tartósabb?”, „Melyik pontosabb?”. Ma tisztán a műhelyi tapasztalatok alapján beszélünk veletek. 
A robotban található fogaskerekes hajtómű végül arra szolgál, hogy mit érjünk el
Ipari robotok szervomotorjai – a forgás sebessége nagyon magas, de ezzel együtt egy végzetes probléma is felmerül: a gyors forgás nem egyenlő nagy erővel. A valós munkavégzés során a robotnak alacsony sebességre, nagy nyomatékra, magas pontosságra és stabil kimeneti teljesítményre van szüksége. Gondoljunk csak a hegesztésre: a hegesztési varrat követése során a mozgásnak különösen simának kell lennie; amikor több száz font súlyú alkatrészt kezel, a csuklóknak képesnek kell lenniük elnyelni az erőt, nem szabad rezegniük. A fogaskerék-hajtómű feladata, hogy lecsökkentse a motor „buta” fordulatszámát, felerősítse az erőt, és egyben biztosítsa, hogy a kimeneti tengely pontosan a megfelelő helyen álljon meg. Ezért a hajtóművet úgy tekinthetjük a csuklókban egy „erőerősítőnek” és egy „pontosság-őrnek”. Sok ABB robotnál, ha a hajtómű elhasználódik, azonnal érezhető a hatása: a pálya egyre inkább „lebegővé” válik, a ismétlődő pozicionálási hiba napról napra növekszik, a kar rezegni kezd, a gyorsítás és lassítás idején egymás után jelennek meg rezgések, a hegesztés minősége egyre jobb és rosszabb lesz, végül a rendszer közvetlenül riasztást ad ki.
RV-fokozatcsökkentő: szilárd és gyártási terhelésnek ellenálló tartó
Mi a szerepe az RV-fokozatcsökkentőnek? Sokan cikloiddal is nevezik. Ennek a szerkezetnek a legfontosabb tulajdonsága egyetlen dolog: merevsége, különösen ellenáll a gyártási terhelésnek. Ez a fokozatcsökkentő elsősorban a nehézüzemi ipari robotokhoz használatos, amelyek a teherhordó karokat mozgatják – például a nagy ABB robotok hegesztési, anyagmozgatási és rakodási feladatainál, különösen az alap, a kar és a kar ízületeinél, valamint a törzsben általában RV-fokozatcsökkentőt alkalmaznak. Gondolja el: amikor egy nagy ABB robot egész karja felfelé lendül, az alap több csapágyának el kell viselnie a tehetetlenségi erők nagyságát. Ha a fokozatcsökkentő ezen a helyen nem elég merev, akkor az egész robot úgy működik, mint egy részeg ember, ingadozva és billegve. Az RV-fokozatcsökkentő legerősebb része éppen ez a „merev csont”.
Miért olyan erős az RV-fékezés? Ennek valami köze van a belső szerkezetéhez. Az átlagos fogaskerék-fékezésnél egyszerre egy vagy két fog is terhelhető, az RV-fékezés azonban másképp működik: egyszerre sok fog érintkezik, így a terhelés eloszlik. Ez olyan, mintha egy csoport ember együtt emelne egy nehéz tárgyat, nem egyetlen személy hordozná azt. Így a terhelés egyenletes, az ütésállóság kiváló, a fogak törésének kockázata is kicsi, és hosszú ideig képes stabilan nagy terhelést viselni. Ezért bírja ki sok évig az ABB nehézüzemű robotjainak RV-fékezése. Különösen a járműipari hegesztőműhelyekben figyelhető meg ez a leginkább: az ABB hegesztőrobotok napi több mint tíz órán át működnek, és évekig folyamatosan forognak; gyakran nem a vezérlőegység, hanem a mechanikus csuklók részei kopnak el először – lassan keletkezik a rések. Általánosságban azonban az RV-fékezés teljes élettartama valóban hosszú.
Harmonikus reduktor: született „szélsőséges pontosságra”.
A harmonikus reduktor teljesen más megközelítést képvisel, mint az RV reduktor; az RV-t úgy tervezték, hogy „építhető” legyen, míg a harmonikus reduktort úgy, hogy „szélsőségesen pontos” legyen. A harmonikus reduktor különösen jellemző tulajdonságai: kis méret, könnyűség, a holtjáték szinte elhanyagolhatóan alacsony, és a pontossága rendkívül magas. Ezért ha megnézzük az ABB robot csuklójának tengelyeit – különösen a szerszám végénél elhelyezkedő szakaszokat, például festésre, precíziós összeszerelésre, kis alkatrészek fogására vagy az elektronikai iparban használt robotoknál – a csuklók majdnem kivétel nélkül harmonikus reduktorokból állnak. Az adott térrész így is szűkös, ráadásul a mozgáspontossággal szemben támasztott követelmény szinte kényszeres mértékű, ezért a harmonikus reduktor ideális megoldást kínál.
Miért lehet ennyire pontos a harmonikus fogaskerék-hajtómű? A kulcs az, hogy szinte nincs átviteli holtjáték – amit gyakran „backlash”-ként emlegetünk. Sok közönséges fogaskerék-hajtóműnél ez a probléma jellemző: amikor a motor oldala egy kicsit elmozdul, a kimenet nem követi azonnal a mozgást, mindig van egy kis holtjáték. Minél nagyobb ez a holtjáték, annál bizonytalanabb lesz a robot helymeghatározása. A harmonikus fogaskerék-hajtóművek egy rugalmas átvitel-elv alapján működnek, így a holtjátékot rendkívül alacsony szintre csökkentik. Ezért érezhető az ABB robot csuklója különösen simán, anélkül a laza, holtjátékos érzés nélkül. Különösen a festőrobotoknál figyelhető meg leginkább: ha a festőpisztoly pályája egy kicsit rezeg, a festékréteg azonnal sávokat, egyenetlen vastagságot, narancsbőr-szerű felületet vagy festékszivárgást mutat, ezért a festőrobotoknál a csuklóban alkalmazott harmonikus fogaskerék-hajtómű pontossága különösen fontos.
Miért nem használ egyszerűen egy fogaskerék-hajtóművet az ABB?
Akkor miért nem használja egyszerűen az ABB mindegyiket, és miért kell az RV-vel felszerelni a nagy tengelyt, míg a harmonikus hajtóművet a kis tengelyre szerelni? Nyíltan megfogalmazva: az ipari robotoknak alapvetően mindkét tulajdonságra – erőre és pontosságra – szükségük van, és e két tulajdonság közül az egyiket az RV-, a másikat a harmonikus hajtómű biztosítja. Az ABB általában úgy tervezi meg robotjait, hogy az RV hajtóművet a test előtti nagy csuklóknál, míg a harmonikus hajtóművet a test hátsó részén lévő kisebb csuklóknál alkalmazza. Így a robot mozgása során a nehéz terhelés stabilitását az általános merevség biztosítja, a végberendezés (manipulátor) mozgása pedig elég finom, a pályavezérlés is sima. Valójában a jelenleg piacon lévő ipari robotok többsége ezt a megoldást követi.
Az RV és a harmonikus hajtómű közül melyik megy tönkre valószínűbben?
Melyiket könnyebb tönkretenni – ezt gyakran megkérdezik az ügyfelek. Realisztikusan szólva nem mondhatjuk egyszerűen, hogy melyik komponens érzékenyebb a másiknál, mivel különböző környezetben működnek. Azonban a gyakorlati műhelyi javítási tapasztalatok alapján a harmonikus reduktor viszonylag „érzékenyebb”, bár csak kicsit. Ennek oka, hogy a belső rugalmas kerék folyamatosan rugalmas deformációban van, és hosszú ideig magas frekvenciájú, előre-hátra mozgásnak van kitéve, amely lassan fáradást okoz. Különösen a magas frekvenciájú, kis amplitúdójú mozgások, a napi 24 órás, megszakítás nélküli működés, valamint a gyakori indítás-megállás működés gyorsítja a harmonikus reduktor kopását. Az RV reduktor inkább a nagy terhelésű ütés hatására sérül, például ha a robot összeütközik, túlterhelés éri, vészhelyzeti leállítás történik, vagy ha régi, nagy tehetetlenségű rendszerben nehezen tudja elviselni a terhelést – ezekben az esetekben könnyen sérülhetnek a fogaskerekek és csapágyak belső részei.
Milyen előjelek utalnak arra, hogy egy sebességváltó meghibásodás felé tart?
A gyakorlatban a reduktor előfutára problémák nélkül különösen nyilvánvaló, de sokan kezdetben szervómotorról vagy motorról gondolkodnak, pedig a hiba valójában a reduktorban rejlik. Ha megkérdeznének, hogy mikor kell reduktor-hibára gondolni, akkor az alábbi tünetek megjelenése esetén érdemes ezt figyelembe venni. A robot pozícionálása egyre pontatlanabbá válik – ez a legjellemzőbb tünet. Különösen a hegesztőrobotoknál: kezdetben a hegesztési pont pontos, majd egyre nagyobb lesz a eltérés; a nullpont újra kalibrálása egy-két napra javítja a helyzetet, majd ismét romlik – ilyen esetek kilencből tízben a reduktor hézagának kopása miatt következnek be. A robot mozgása remegni kezd, alacsony sebességnél különösen észrevehető; egyes ABB robotoknál, amikor kézzel forgatva lassan irányítjuk a robotot, egymás után érezhetők apró rángások, rezgések, nem elég sima a mozgás – legvalószínűbb, hogy a belső alkatrészek kopásnak indultak. A csuklókból zaj hallatszik: kattanás, fémes súrlódási hang, mély dobbanás – ne hagyjuk figyelmen kívül! Különösen akkor, ha az RV-reduktor csapágyai meghibásodtak, a zaj különösen erős, mégis sokan tovább használják a berendezést, és végül az egész csukló tönkremegy. Továbbá a csuklók erősen felmelegednek: ha a reduktor kopik, a súrlódás jelentősen megnő, így a tengely hőmérséklete nyilvánvalóan magasabb lesz, mint a többi részé, súlyos esetben akár a zsír lebomlásának jellegzetes szaga is érződik.
Hogyan lehet karbantartani, hogy hosszabb ideig használható maradjon?
Ezen alkatrész karbantartását sok gyár hajlamos figyelmen kívül hagyni a mechanikus rész tekintetében, úgy vélik, hogy a gép egyszerűen bekapcsolható. Azonban a robotcsökkentők legnagyobb ellensége az, ha hosszú ideig senki sem foglalkozik velük. Különösen a háromműszakos üzemelésre tervezett ABB robotok esetében általában néhány szót ismételgetünk az ügyfeleknek: érezze meg a hőmérsékletváltozást, figyelje meg a zajt, érezze a rezgést, és figyeljen oda, hogy a napi változások ne legyenek túl nagyok; a kenésre is rendszeresen figyelni kell a helyzetnek megfelelően. Sok csökkentő nem hirtelen válik selejté, hanem valójában már hosszú ideje kopik – csak senki nem vette észre. Korai észlelés esetén akár egy csapágy cseréje vagy az olaj cseréje is megoldást jelenthet, így elkerülhető, hogy az egész csökkentő selejtként végződjön.
A pontosság csökkenése gyökere legtöbbször a csökkentőben rejlik
Sok ABB robot pontossága csökken, és a gyökér ok valójában nem feltétlenül az enkóderben vagy a motorban rejlik. Gondolja el: a vezérlőrendszer és a számítások is pontosak, de ha maga a mechanikus rész hézagot tartalmaz, akkor a végleges mozgás mégis torzulni fog. Ezért fordul elő, hogy egyes ABB robotoknál az enkóder és a motor is rendben van, senki sem módosította a paramétereket, mégis instabil a pálya. Amikor a csuklókat szétszerelik, kiderül, hogy a fogaskerék-hajtómű elkopott. Ez különösen gyakori több éve üzemelő hegesztőrobotoknál.
Javítani vagy cserélni kell-e a fogaskerék-hajtóművet
A sebességváltó javítása vagy cseréje az aktuális helyzettől függ. Egyes esetekben – például csapágykopás, kenés meghibásodása vagy csak kis mértékű játék – a javítás lehetséges. Ha azonban a fogaskerekek már eltörtek, a rugalmas kerék fáradt és eltört, vagy a belső kopás rendkívül súlyos, akkor gyakran gazdaságosabb közvetlenül új sebességváltót beszerezni. Ennek az az oka, hogy a robot leállásából eredő kár gyakran sokkal drágább, mint maga a sebességváltó. Különösen az autógyártó soroknál, ahol egy napos leállás elegendő ahhoz, hogy több fogaskerék-meghajtót is meg lehessen vásárolni.
