Reduktor RV vs. napęd harmoniczny w robotach ABB
Gdy niektórzy ludzie po raz pierwszy zapoznają się z przemysłowymi robotami ABB, ich wzrok skupia się na szafach sterowniczych, silnikach serwonapędowych oraz panelach teach pendant. Jednak w rzeczywistości to, czy robot porusza się „stabilnie czy nie, precyzyjnie czy nie, trwale czy nie”, zależy od elementów ukrytych w jego stawach – a więc od kilku reduktorów.
Wszyscy technicy zajmujący się konserwacją robotów ABB wielokrotnie spotykali się z następującym problemem: po kilku latach eksploatacji robot zaczyna powoli wykazywać odchylenia toru ruchu, niestabilność spawania, drgania, hałas oraz błędy pozycjonowania. Po przeprowadzeniu kompleksowej diagnostyki okazuje się, że najczęstszą przyczyną tych problemów jest zużycie reduktorów znajdujących się w stawach robota. W głowicy robotów ABB najczęściej stosowane są dwa typy reduktorów: reduktor RV oraz reduktor harmoniczny.
Klienci często zadają pytania: „Jaka jest różnica między tymi dwoma reduktorami?”, „Dlaczego ABB musi to robić? Dlaczego ABB stosuje reduktory typu RV dla niektórych wałów, a harmoniczne dla innych?”, „Który z nich jest bardziej wytrzymał?”, „Który z nich zapewnia większą dokładność?”. Dziś porozmawiamy z wami wyłącznie na podstawie doświadczenia zdobytego w warsztacie. 
Reduktor w robotach ostatecznie służy do tego, aby...
Serwonapędy przemysłowych robotów – zwiększają prędkość obrotową, ale istnieje tu poważny problem: wysoka prędkość nie oznacza dużej mocy. W rzeczywistych warunkach pracy robot wymaga niskiej prędkości, dużego momentu obrotowego oraz wysokiej precyzji i stabilności wyjściowej. Wyobraź sobie: podczas spawania robot musi śledzić szew w sposób szczególnie płynny; przy manipulowaniu przedmiotami ważących setki funtów stawy robota muszą wytrzymać ogromne obciążenia i nie mogą drgać. Zadaniem przekładni jest obniżenie „głupiej” prędkości silnika, wzmacnianie momentu obrotowego oraz zapewnienie dokładnego pozycjonowania wału wyjściowego. Można więc uznać reduktor za „wzmacniacz siły” i „strażnika precyzji” w stawach robota. U wielu robotów ABB, gdy reduktor się zużyje, można to od razu poczuć: tor ruchu staje się coraz bardziej niestabilny, błąd powtarzalnego pozycjonowania rośnie z dnia na dzień, ramiona zaczynają drgać, przyspieszanie i hamowanie stają się nieregularne, jakość spawania ulega pogorszeniu, a w końcu system alarmowy aktywuje się wskutek krytycznych błędów.
Reduktor RV: solidny i odporny na odkształcenia nośnik
Jaką rolę pełni reduktor RV? Wiele osób nazywa go również reduktorem cykloidalnym. Najlepszą cechą tego urządzenia jest jedna rzecz: jego sztywność oraz wyjątkowa odporność na odkształcenia. Służy on w ciężkoobciążonych robotach przemysłowych do przenoszenia dużych obciążeń – dlatego właśnie w robotach ABB przeznaczonych do spawania, manipulacji, paletyzacji i innych zadań wymagających dużej mocy, zwłaszcza w podstawie, ramionach oraz najbardziej obciążonych stawach kończyn, montuje się głównie reduktory RV. Pomyśl tylko: gdy całe ramię dużego robota ABB unoszone jest w górę, łożyska w jego podstawie muszą przenosić ogromne siły bezwładności. Gdyby reduktor w tym miejscu nie był wystarczająco sztywny, cały robot pracowałby niestabilnie, jakby był pijany, kołysząc się przy każdej operacji. Najmocniejszą cechą reduktora RV jest właśnie ta „twarda kość”.
Dlaczego reduktor RV jest tak wytrzymał? Ma to związek ze swoją wewnętrzną strukturą. W zwykłym reduktorze zębnym w danym momencie może być zaangażowana jedna lub dwie zębatki, ale w reduktorze RV sytuacja wygląda inaczej – jednocześnie styka się wiele zębatek, a siła jest rozprowadzana na większą powierzchnię. To podobne do sytuacji, w której grupa osób wspólnie podnosi ciężki przedmiot, zamiast polegać na jednej osobie, która ma go unieść. Dzięki temu obciążenie jest równomierne, odporność na uderzenia jest wysoka, a ryzyko pęknięcia zębów niewielkie; nawet długotrwała praca przy dużych obciążeniach przebiega stabilnie. Dlatego też reduktory RV stosowane w ciężkich robotach ABB mogą działać przez wiele lat. Szczególnie wyraźnie widać to w warsztatach spawalniczych samochodowych: te roboty spawalnicze ABB pracują codziennie ponad dziesięć godzin, wykonując ciągłą rotację przez kilka lat – pierwszym elementem, który zwykle nie wytrzymuje, nie jest często sterownik, lecz części mechaniczne w stawach, które stopniowo zużywają się i tworzą luzy. Ogólnie rzecz biorąc, całkowita żywotność reduktora RV jest rzeczywiście bardzo długa.
Reduktor harmoniczny: stworzony dla „skrajnej dokładności”.
Reduktor harmoniczny to zupełnie inne podejście niż reduktor RV; ten pierwszy został zaprojektowany tak, aby zapewniać „skrajną dokładność”, podczas gdy reduktor RV został zaprojektowany tak, aby być „budowlany”. Reduktor harmoniczny charakteryzuje się szczególnie wyraźnymi cechami: ma mały rozmiar i niewielką masę, a jego luz wsteczny jest skrajnie niski – tak niski, że praktycznie można go pominąć – oraz zapewnia niezwykle wysoką precyzję. Dlatego też, patrząc na nadgarstek robota ABB, zwłaszcza osie znajdujące się bliżej końcówki narzędzia – np. w zastosowaniach malarskich, precyzyjnej montażu, chwytania małych elementów czy w przemyśle elektronicznym – nadgarstek prawie zawsze wyposażony jest w reduktor harmoniczny. Przestrzeń w tej strefie jest już bardzo ograniczona, a wymagania dotyczące precyzji ruchu są wyjątkowo wysokie, co czyni reduktor harmoniczny rozwiązaniem idealnym.
Dlaczego reduktor harmoniczny może być tak dokładny? Klucz leży w tym, że praktycznie nie ma on luźnego przełożenia – tzw. „backlash”. Wiele zwykłych reduktorów ma ten problem: gdy koniec napędzany silnikiem przesuwa się o niewielką odległość, wyjście nie reaguje natychmiastowo – zawsze występuje pewien luz. Im większy jest ten luz, tym mniej precyzyjna staje się lokalizacja robota. Reduktory harmoniczne opierają się na zestawie zasad elastycznego przekładania, dzięki czemu luz ten jest ograniczony do bardzo niskiego poziomu. Dlatego też ruch nadgarstka robota ABB wydaje się szczególnie płynny, bez charakterystycznego uczucia luźnego przełożenia. Jest to szczególnie widoczne w przypadku robotów malarskich: najmniejsze drgania dyszy natryskowej powodują natychmiastowe powstanie pasków na powierzchni malowanej, nieregularną grubość warstwy lakieru, efekt skórki pomarańczowej lub niedomalowanie – dlatego precyzja reduktora harmonicznego w nadgarstku robota malarskiego ma szczególne znaczenie.
Dlaczego ABB nie stosuje po prostu jednego reduktora?
Dlaczego więc ABB po prostu nie stosuje obu tych typów przekładni, instalując przekładnię RV na dużym wale i przekładnię harmoniczna na małym wale? Mówiąc szczerze, roboty przemysłowe wymagają z natury zarówno wytrzymałości, jak i dokładności – a każda z tych dwóch cech jest zapewniana przez odpowiednio przekładnię RV i przekładnię harmoniczna. Zwykle podejście projektowe ABB polega na zastosowaniu przekładni RV w dużych zawiasach z przodu oraz przekładni harmonicznej w małych zawiasach z tyłu. Dzięki temu konstrukcja zapewnia ogólną sztywność niezbędną do stabilizacji dużych obciążeń, a ruch końcówki ramienia robota jest wystarczająco precyzyjny, a kontrola trajektorii przebiega gładko. W rzeczywistości większość obecnie dostępnych na rynku robotów przemysłowych opiera się właśnie na tym rozwiązaniu jako standardowym.
Która z przekładni – RV czy harmoniczna – jest bardziej narażona na uszkodzenie?
Co łatwiej uszkodzić — to również pytanie, które zawsze zadają klienci. Realistycznie rzecz biorąc, nie możemy po prostu stwierdzić, który z tych elementów jest bardziej delikatny, ponieważ działają one w różnych środowiskach. Jednak na podstawie rzeczywistych doświadczeń warsztatowych z naprawy można stwierdzić, że reduktor harmoniczny jest względnie bardziej „delikatny”, choć tylko nieco. Wynika to z faktu, że koło elastyczne znajdujące się w jego wnętrzu pozostaje w stanie odkształcenia sprężystego, a długotrwałe, wysokoczęstotliwościowe ruchy tam i z powrotem powodują stopniowe zmęczenie materiału. Szczególnie szybko zużywają się reduktory harmoniczne pracujące w trybie wysokoczęstotliwościowym przy małej amplitudzie, bez przerwy, dzień i noc, oraz często uruchamiane i zatrzymywane. RV-reduktor natomiast bardziej obawia się uderzeń spowodowanych dużymi obciążeniami, np. gdy robot uderzy w przeszkodę, pracuje w warunkach przeciążenia, wykonywane są nagłe zatrzymania awaryjne lub gdy urządzenie pracuje przez długi czas przy dużej bezwładności, co utrudnia jego stabilne funkcjonowanie; w takich przypadkach łatwo uszkodzić zębatki i łożyska wewnętrzne, powodując niewidoczne uszkodzenia.
Jakie są objawy zapowiadające awarię przekładni?
W praktyce objawy wczesnego uszkodzenia reduktora są szczególnie widoczne, ale wiele osób na początku uważa je za usterki serwomechanizmu lub silnika – ostatecznie okazuje się jednak, że problem dotyczy reduktora. Jeśli mam podpowiedzieć, to przy wystąpieniu poniższych objawów należy przede wszystkim rozważyć awarię reduktora. Dokładność pozycjonowania robota stopniowo się pogarsza – jest to najbardziej typowy objaw. W szczególności w przypadku robotów spawalniczych początkowo punkt spawania jest prawidłowy, lecz z czasem odchylenia stają się coraz większe; po ponownej kalibracji punktu zerowego dokładność utrzymuje się przez jeden-dwa dni, a następnie znów gwałtownie się pogarsza – w dziewięciu przypadkach na dziesięć przyczyną jest zużycie luzów w reduktorze. Ruchy robota zaczynają drgać, co szczególnie wyraźnie widać przy niskich prędkościach; niektóre roboty ABB podczas powolnego ręcznego sterowania pokrętłem wykazują odczuwalne „skoki” i drgania – ruch nie jest płynny, co najprawdopodobniej wskazuje na zużycie elementów wewnętrznych. W stawach pojawia się hałas: charakterystyczne „klikanie”, dźwięk tarcia metalu czy głuche uderzenia – nie należy ich lekceważyć. Szczególnie wyraźny hałas występuje, gdy uszkodzone są łożyska w reduktorze typu RV, a mimo to wielu użytkowników nadal eksploatuje urządzenie, aż do całkowitego zniszczenia całego stawu. Dodatkowym objawem może być nadmierne nagrzewanie się stawów – po zużyciu reduktora tarcie znacznie wzrasta, a temperatura wału staje się wyraźnie wyższa niż w pozostałych miejscach; w skrajnych przypadkach można nawet wyczuć zapach zdegradowanej smary.
Jak go utrzymywać, aby służył dłużej?
Konserwacja tego elementu jest często zaniedbywana przez wiele fabryk, które skupiają się wyłącznie na części elektrycznej i zakładają, że urządzenie po prostu działa na linii produkcyjnej. Jednak reduktor robotów jest najbardziej narażony na uszkodzenia w przypadku długotrwałego braku opieki. Szczególnie dotyczy to robotów ABB pracujących w trzech zmianach. Zazwyczaj przypominamy naszym klientom kilka ważnych wskazówek: obserwujcie zmiany temperatury, słuchajcie hałasu, odczuwajcie drgania, zwracajcie uwagę na wszelkie różnice – nawet te nieznaczne w porównaniu do poprzedniego dnia; regularnie sprawdzajcie również stan smarowania. Wiele reduktorów nie ulega nagłemu uszkodzeniu – w rzeczywistości przez długi czas zachodzi proces zużycia, ale nikt go wcześniej nie zauważa. Wczesne wykrycie problemu pozwala np. wymienić łożysko lub odświeżyć olej, co zapobiega konieczności całkowitej wymiany reduktora.
Spadek dokładności ma swoje źródło głównie w reduktorze
U wielu robotów ABB dokładność spada, ale przyczyną niekoniecznie jest enkoder lub silnik. Bowiem, jak sobie wyobrażasz, Twój system sterowania oraz obliczenia są dokładne, jednak jeśli sama część mechaniczna posiada luzy, to końcowy ruch nadal będzie odchylał się od założonego. Dlatego też u niektórych robotów ABB enkoder działa prawidłowo, silnik również jest sprawny, nikt nie zmieniał parametrów, a mimo to trajektoria ruchu nie jest stabilna. Po rozmontowaniu zawiasów okazuje się, że reduktor uległ zużyciu. Zjawisko to występuje szczególnie często u robotów spawalniczych użytkowanych przez kilka lat.
Czy naprawić, czy wymienić reduktor
Decyzja o naprawie czy wymianie przekładni zależy od konkretnej sytuacji. W niektórych przypadkach, takich jak zużycie łożysk, awaria smarowania lub niewielka luźność, możliwa jest naprawa. Jeśli jednak zębatki wewnętrzne są już uszkodzone, koło elastyczne uległo zmęczeniu i pęknięciu lub zużycie wewnętrzne jest bardzo poważne, zazwyczaj bardziej opłacalne jest bezpośrednie wymienienie przekładni na nową. Wynika to z faktu, że koszty przestoju robota są często znacznie wyższe niż cena samej przekładni. Szczególnie w liniach produkcyjnych pojazdów samochodowych jednodniowy przestój pozwala zakupić kilka główek przekładni.
