Jak zidentyfikować zużytą przekładnię robota ABB przed jej awarią?
Widzieliśmy to zbyt wiele razy w praktyce przez lata. Robot ABB na linii produkcyjnej działał bez zarzutu, a nagle pewnego dnia spawanie zaczęło odchylać się od zadanej ścieżki, tor ruchu ulegał dryfowi, poszczególne ruchy stawały się niestabilne, a w skrajnych przypadkach dochodziło do natychmiastowego wyłączenia urządzenia z powodu alarmu — cała linia zatrzymywała się zupełnie. Wszyscy czekali w chaosie, próbując zlokalizować usterkę: sprawdzano program, enkoder, oprzyrządowanie, a ostatecznie — po rozbiorze — okazało się, że przekładnia była uszkodzona już od dawna, ale nikt wcześniej nie zauważył tych drobnych sygnałów.
Szczególnie w przypadku robotów przeznaczonych do spawania, manipulacji, załadunku i rozładunku oraz tłoczenia długotrwała, obciążona praca przy ciągłej rotacji powoduje, że przekładnia rzadko nagle zawodzi bez ostrzeżenia. W rzeczywistości daje ona sygnały ostrzegawcze — takiego „powitania” — znacznie wcześniej, ale wiele warsztatów przyzwyczaiło się traktować je jako „stare maszyny właśnie tak działają” i ignorować je. 
Po raz pierwszy wiele osób zauważa problem, gdy robot „nie jest już tak dokładny, jak kiedyś.”
To jest naprawdę najbardziej typowy pierwszy objaw. Ciekawe jest to, że inżynierowie polowi prawie nigdy nie myślą o przekładni jako o pierwszej możliwości. Ich procedura diagnozowania problemów wygląda zwykle następująco: najpierw podejrzewają, że napęd TCP nie jest odpowiednio wyregulowany – np. czy ktoś przypadkowo uderzył w głowicę; następnie sprawdzają program, aby upewnić się, że punkty są poprawne; potem analizują sygnał z enkodera pod kątem ewentualnej utraty impulsów; a nawet podejrzewają, że parametry serwonapędu uległy dryfowi lub że uchwyty są luźne. Taki cykl sprawdzania jest zupełnie typowy, a dopiero na końcu – po pomiarze za pomocą miernika – stwierdzają, że luz wsteczny określonej osi jest wyraźnie większy. Szczególnie łatwo zauważyć to w robotach spawalniczych: pierwotnie szew był bardzo gładki, natomiast obecnie pojawia się niestabilna łuk elektryczny, ścieżka łuku nie jest jednolita, a przy każdym uruchomieniu tego samego programu tor ruchu wykazuje niewielkie odchylenia. Czasem klienci są przekonani, że problem dotyczy systemu wizyjnego, lecz w rzeczywistości przyczyną jest zużycie wewnętrznego luzu przekładni, co powoduje, że przekazywanie ruchu nie następuje zgodnie z ruchem ramienia robota.
Zużycie przekładni robota ABB, „luzy” będą coraz bardziej widoczne
Każda osoba zajmująca się konserwacją zna pojęcie „luzu”, oznaczającego występowanie szczeliny w połączeniu. Strona silnikowa oczywiście się obraca, ale strona mechaniczna musi najpierw pokonać pewien niewielki luz, zanim zacznie się przesuwać. Połączenia nowego robota są bardzo ścisłe, jednak po długotrwałym użytkowaniu planetarnych przekładni i łożysk wewnątrz skrzyni biegów zaczynają się one zużywać: luz między zębami zwiększa się, łożyska stają się luźne, a dokładność zazębienia maleje. Wówczas robot zaczyna wykazywać niedokładności powtarzalnego pozycjonowania, dryf trajektorii oraz lekkie drgania podczas przyspieszania i hamowania. Najbardziej uciążliwe jest to, że na początku ten stan nie jest szczególnie poważny – wiele osób może nawet przez kilka miesięcy funkcjonować bez większych problemów; jednak gdy zużycie określonej osi przekroczy próg krytyczny, pogorszenie zachodzi bardzo szybko – pierwsze dwa tygodnie mogą być tylko lekkim odchyleniem, a następnie nagle pojawia się komunikat o kolizji lub przeciążeniu.
Stawy robota zaczynają „dzwonić” – w rzeczywistości jest to już bardzo niebezpieczne!
Podczas normalnej pracy robot wydaje bardzo równy dźwięk, czyli charakterystyczny, jednostajny brzęk silnika połączony z gładkim dźwiękiem mechanicznym. Jednak gdy skrzynia biegów zaczyna ujawniać problemy, dźwięk natychmiast się zmienia: pojawia się metaliczne trzaskanie lub syczenie wynikające z tarcia, a także charakterystyczne „klik-klik-klik-klik”. Podczas przyspieszania i hamowania można nawet usłyszeć cichy, niski dźwięk; dotykając stawów ręką, można odczuć wibracje lub uderzenia w ich wnętrzu. Wielu doświadczonych operatorów pracujących na linii mówi wtedy: „Ostatnio ten robot nie brzmi jak zwykle.” Gdy usłyszysz takie uwagi, nie zwlekaj z interwencją – w tym momencie istnieje duże prawdopodobieństwo, że zębatki zostały poprzeszarpane, siatkę łożyska uszkodzono lub smar stracił swoje właściwości, co spowodowało bezpośredni kontakt metalu z metalem. Kontynuowanie pracy w takich warunkach sprawi, że niewielkie zużycie szybko przejdzie w intensywne zgrzytanie zębów, a po uszkodzeniu zębów cała reduktor staje się praktycznie nieużywalny.
Mówiąc o tym, widzieliśmy zbyt wiele problemów z przekładniami w warsztacie – tak naprawdę ich źródłem jest smarowanie. Wiele fabryk uruchamia roboty codziennie, a smarowanie i konserwacja są wykonywane w sposób szczególnie powierzchowny, zwłaszcza na starszych liniach produkcyjnych. Cykl dodawania smaru został od dawna ustalony bez uwzględnienia starzenia się uszczelek olejowych; nikt nie zwraca uwagi na wycieki oleju w stawach – po prostu usuwa je ściereczką i nadal uruchamia urządzenie, podczas gdy smar miesza się z parą wodną, kurzem lub proszkiem metalowym, co nadal jest uznawane za normalne. Przez długi czas warunki smarowania pogarszają się, co natychmiast prowadzi do wzrostu tarcia wewnątrz przekładni, a następnie do podwyższenia temperatury; warstwa olejowa na powierzchni zębów przestaje się utrzymywać, zaczyna się niestandardowy zużycie. Reduktor ABB charakteryzuje się bardzo wysoką precyzją – dopasowanie zębów oraz luz pomiędzy łożyskami są szczególnie małe, co oznacza, że wymagania dotyczące smarowania są bardzo surowe. Gdy tylko smar staje się rozcieńczony, wyschnięty lub zanieczyszczony, tempo zużycia rośnie wykładniczo. Niektóre przekładnie są tak gorące, że nie można ich dotknąć – jest to często sygnał całkowitego awarii smarowania, a olej od dawna przestał pełnić funkcję ochronną.
Wskaźnik temperatury to dość wyrazisty sygnał wizualny.
Można spróbować sprawdzić temperaturę połączeń poszczególnych osi po pewnym czasie pracy robota. W normalnych warunkach wzrost temperatury jest stosunkowo stabilny, a żadne z połączeń nie nagrzewa się nagle znacznie bardziej niż pozostałe. Szczególnie w przypadku dużych obciążonych połączeń, takich jak J2 i J3, długotrwała nadmierna temperatura wskazuje najprawdopodobniej na zbyt duże tarcie wewnętrzne, niedostateczne smarowanie, uszkodzenie łożysk lub pracę w stanie przeciążenia. Wiele przekładni przez długi czas cicho pracuje w stanie „gorączki”, zanim ostatecznie zaklinuje się. Dlatego coraz więcej fabryk regularnie skanuje całą linię połączeń robotów termowizjerem – ta metoda okazuje się bardzo skuteczna: wiele problemów można wykryć na podstawie zmian temperatury już na wczesnym etapie, bez konieczności czekania na awarię robota.
Roboty ABB zaczynają drżeć – w wielu przypadkach problem nie jest już lekki!
Możesz zauważyć drżenie całej ramy podczas przyspieszania oraz kilkukrotne wibracje tuż po zatrzymaniu. Przy wysokich prędkościach tor ruchu nie jest okrągły i gładki, a odczuwalne jest delikatne, zgrzytające drganie. Wielu ludzi uważa, że problemem jest nieodpowiednie dostosowanie wzmocnienia serwosilnika, jednak jeśli potwierdzisz, że enkoder działa poprawnie, silnik nie jest uszkodzony, a parametry nie uległy zmianie, to najprawdopodobniej przyczyną jest niska sztywność wewnętrzna reduktora. Dotyczy to szczególnie stawów wyposażonych w przekładnie typu RV, gdzie wibracje stopniowo narastają – od braku jakichkolwiek objawów do wyraźnych drgań – w miarę zużywania się kółka cykloidalnego i łożysk, co czyni je coraz trudniejszymi do ukrycia.
Istnieje również inny problem, który łatwo przeoczyć – wycieki oleju.
Widziałem zbyt wiele fabryk, w których, jak tylko zauważają kroplę oleju wyciekającego z połączenia robotów ABB, pierwszą reakcją jest wytarcie jej ściereczką i stwierdzenie: „To nic poważnego, nadal działa”. W rzeczywistości jednak wyciek oleju zazwyczaj oznacza, że uszczelki uległy zużyciu, co powoduje wyciek oleju na zewnątrz oraz przedostawanie się brudu do wnętrza. Skrzynie biegów najbardziej obawiają się braku oleju – zwłaszcza w przypadku tych pracujących 24 godziny na dobę w trybie ciągłego obrotu, ponieważ niedobór smaru przyspiesza zużycie elementów w łańcuchu smarowania niemal natychmiast. Wiele skrzyń biegów można naprawić, ale z powodu długotrwałego, lekceważonego wycieku oleju w końcu całkowicie zużywają się ich wewnętrzne elementy, a jedynym wyjściem pozostaje wymiana całej jednostki.
Zobaczcie tutaj – możecie zadać sobie pytanie: dlaczego u wielu robotów fabrycznych ABB po kilku latach eksploatacji zaczynają się gromadzić problemy z przekładnią? W rzeczywistości, po dokładnym przemyśleniu, jest to zupełnie normalne. Przemysłowe roboty same w sobie są maszynami pracującymi z wysoką częstotliwością: roboty spawalnicze cały dzień poruszają się tam i z powrotem, roboty manipulacyjne ciągle uruchamiają się i zatrzymują, podlegając przy tym przyspieszeniom i hamowaniom, ciężkie roboty paletyzujące pracują przez długi czas z pełnym obciążeniem i dużą prędkością, a roboty do załadunku i rozładunku obrabiarek wykonują codziennie tysiące cykli. Przekładnia jest więc stale narażona na uderzenia oraz naprężenia zmienne. Niezależnie od tego, jak wysoka jest jakość produktów ABB, zużycie elementów mechanicznych to prawo fizyczne, którego nikt nie może uniknąć. Szczególnie u robotów pracujących przez cały rok przy granicznych wartościach obciążenia znamionowego życie przekładni skraca się jeszcze bardziej wyraźnie.
Wielu ludzi zastanawia się nad pytaniem: czy naprawić, czy wymienić przekładnię?
Nasze doświadczenie wskazuje, że jeśli występuje jedynie niewielki wzrost luzu, okresowe stukanie lub zaczynają przeciekać uszczelki olejowe, w niektórych przypadkach można spróbować naprawić je poprzez regenerację łożysk i uszczelek olejowych oraz ponowne dostosowanie wcisku wstecznego. Jednak jeśli dokładność została znacznie utracona, przekładnie wewnętrzne zostały przeobciążone, drgania są tak silne, że cały ramień drży, urządzenie pracowało przez długi czas w wysokiej temperaturze lub po rozmontowaniu okazało się, że wnętrze jest pełne opiłków żelaznych, to w większości przypadków bardziej opłacalne jest bezpośrednie wymienienie przekładni na nową. Bowiem gdy robot nagle ulegnie awarii z powodu zatrzymania się przekładni, straty są liczone w godzinach, a nawet w minutach – w porównaniu z kosztami postoju linii produkcyjnej cena samej przekładni jest naprawdę nieistotna.
Dopiero po stopniowym zrozumieniu tego toku rozumowania coraz więcej fabryk zrezygnowało z oczekiwania na zaistnienie awarii i późniejszego jej naprawiania, a zamiast tego podejmuje inicjatywę przeprowadzania konserwacji predykcyjnej. Regularnie mierzy się drgania, wykorzystuje się kamerę termowizyjną do analizy rozkładu temperatury, stosuje się przyrządy pomiarowe do sprawdzania zmian luzów, śledzi się tendencje dotyczące dokładności toru ruchu oraz analizuje się nowe częstotliwości dźwięków powstających w trakcie pracy. Stopniowo uświadamiamy sobie, że przekładnia robotów ABB Robotics, zanim ulegnie całkowitej awarii, faktycznie generuje wystarczające sygnały ostrzegawcze – wcześniej jednak nikt systematycznie ich nie analizował. Wczesne wykrycie problemu pozwala na obniżenie kosztów konserwacji, uniknięcie nieplanowanych przestoju, zapobiega nagłemu wyłączeniu się urządzenia w środku nocy oraz zapobiega uszkodzeniom wtórnym silnika i enkodera spowodowanym przez przeciążenie przekładni.
