Редуктор RV против гармонического привода в роботах ABB
Когда некоторые люди впервые знакомятся с промышленными роботами ABB, их внимание сосредоточено на шкафах управления, серводвигателях и пультах ручного управления. Однако в конечном счёте «стабильность движения робота, точность позиционирования и долговечность» определяются не ими, а компонентами, скрытыми в сочленениях — в первую очередь редукторами.
Большинство специалистов по обслуживанию роботов ABB сталкивались с такой ситуацией: спустя несколько лет эксплуатации робота постепенно начинают проявляться отклонения траектории движения, нестабильность сварки, вибрация, шум и преждевременное отклонение при позиционировании. При диагностике подобных проблем часто выявляется неисправность редукторов в сочленениях. В головной части роботов ABB чаще всего применяются два типа редукторов: планетарные редукторы RV и гармонические редукторы.
Клиенты часто задают вопросы: «В чём разница между этими двумя редукторами?», «Почему ABB вынуждена так поступать? Почему ABB использует редукторы типа RV для некоторых валов и гармонические редукторы — для других?», «Какой из них более долговечен?», «Какой из них обеспечивает большую точность?». Сегодня мы поговорим с вами исключительно на основе практического опыта, накопленного в мастерской. 
Редуктор в роботе в конечном счёте предназначен для того, чтобы...
Серводвигатели промышленных роботов: увеличьте скорость вращения — это быстро, однако существует критическая проблема: высокая скорость вращения не означает высокий крутящий момент. При выполнении реальных задач роботу требуется низкая скорость, высокий крутящий момент, высокая точность и стабильная выходная мощность. Подумайте сами: при сварке инструмент должен точно следовать по шву, а значит, движение должно быть исключительно плавным; при обработке заготовок весом в сотни фунтов суставы должны выдерживать значительные нагрузки и не допускать вибрации. Редуктор снижает «глупо» высокую скорость двигателя, усиливает крутящий момент и обеспечивает точную фиксацию положения выходного вала. Таким образом, редуктор можно рассматривать как «усилитель силы» и «сторожа точности» в суставах робота. Во многих роботах ABB, как только редуктор изнашивается, это сразу становится заметно: траектория движения начинает «плавать», погрешность повторяемости позиционирования постепенно возрастает, рука начинает вибрировать, ускорение и замедление сопровождаются рывками, качество сварки ухудшается, а в конечном итоге система выдаёт аварийное сообщение.
Редуктор RV: прочный и устойчивый к деформации несущий элемент
Какова роль редуктора RV? Многие также называют его циклоидным редуктором. Главное достоинство этого устройства — его высокая жёсткость и исключительная устойчивость к деформации. Он применяется в тяжёлых промышленных роботах для перемещения несущих балок, поэтому в роботах ABB, выполняющих сварку, манипулирование грузами и паллетирование, особенно в базовых, плечевых и локтевых сочленениях — самых нагруженных узлах, — как правило, устанавливаются именно редукторы RV. Подумайте сами: когда весь рычаг большого робота ABB поднимается и совершает размах, инерционные нагрузки, действующие на несколько подшипников в основании, оказываются колоссальными. Если редуктор в этом месте недостаточно жёсткий, вся работа робота будет напоминать движения пьяного человека — он начнёт раскачиваться. Самая сильная черта редуктора RV — это именно эта «твердая кость».
Почему редуктор RV обладает такой высокой прочностью? Это связано с его внутренней конструкцией. В обычном зубчатом редукторе одновременно могут находиться в зацеплении один или два зуба, тогда как в редукторе RV одновременно находится в зацеплении множество зубьев, и нагрузка распределяется равномерно. Это похоже на то, как группа людей совместно поднимает тяжёлый груз, а не полагается на одного человека для его переноски. Таким образом, нагрузка распределяется равномерно, ударная стойкость высока, а риск поломки зубьев невелик; даже при длительной работе под высокой нагрузкой редуктор остаётся стабильным. Именно поэтому редукторы RV, применяемые в тяжёлых промышленных роботах ABB, способны служить многие годы. Особенно наглядно это проявляется в автомобильных сварочных цехах: сварочные роботы ABB работают более десяти часов в сутки, непрерывно вращаясь в течение нескольких лет. При этом первыми, как правило, выходят из строя не контроллеры, а механические соединения — постепенно образуется люфт из-за износа. В целом же общий срок службы редуктора RV действительно очень долгий.
Гармонический редуктор: создан для «крайней точности».
Гармонический редуктор принципиально отличается от редуктора типа RV: последний разработан для обеспечения «прочности», тогда как гармонический редуктор ориентирован на «крайнюю точность». У гармонического редуктора есть особенно выраженные характеристики: компактные габариты, малый вес, чрезвычайно низкий люфт — настолько низкий, что его практически можно считать пренебрежимо малым, а также поразительно высокая точность. Поэтому, если вы посмотрите на запястье робота ABB — на те оси, особенно в зоне, близкой к инструментальному концу (например, при окраске, прецизионной сборке, захвате мелких деталей или в электронной промышленности), то увидите, что в этой области почти повсеместно применяются гармонические редукторы. Пространство в этой зоне и так крайне ограничено, а требования к точности перемещений — необычайно высоки, поэтому гармонический редуктор здесь просто незаменим.
Почему гармонический редуктор может быть настолько точным? Ключевой фактор заключается в том, что у него практически отсутствует люфт — так называемый «зазор передачи». У многих обычных редукторов эта проблема присутствует: при небольшом перемещении со стороны двигателя выходной вал не следует за ним мгновенно — всегда имеется определённый зазор. Чем больше этот зазор, тем выше неопределённость локализации робота. Гармонические редукторы основаны на принципе гибкой передачи, благодаря чему люфт снижается до очень низкого уровня. Именно поэтому поворот запястья робота ABB ощущается особенно плавно, без характерного ощущения «люфта» или «разболтанности». Особенно это заметно у окрасочных роботов: даже незначительное дрожание траектории распылителя немедленно приводит к появлению полос на окрашенной поверхности, неравномерной толщине покрытия, эффекту «апельсиновой корки» или пропускам при распылении. Поэтому к точности гармонического редуктора в запястье окрасочного робота предъявляются исключительно высокие требования.
Почему ABB не использует просто один редуктор?
Так почему же ABB просто не использует оба типа редукторов, устанавливая RV на крупную ось и гармонические — на мелкую ось? Говоря прямо, промышленные роботы изначально требуют одновременно высокой прочности и высокой точности, причём эти два параметра обеспечиваются соответственно редукторами RV и гармоническими редукторами. Подход ABB к проектированию обычно заключается в использовании редукторов RV для крупных сочленений в передней части робота и гармонических редукторов — для мелких сочленений в задней части. Таким образом, при работе робота общая жёсткость обеспечивает стабилизацию при больших нагрузках, а конечное звено выполняет движения с достаточной точностью, а управление траекторией также остаётся плавным. На самом деле подавляющее большинство промышленных роботов, представленных сегодня на рынке, используют именно такую конструкцию.
Какой из двух типов редукторов — RV или гармонический — чаще выходит из строя?
Что легче сломать — также часто спрашивают клиенты. Реалистично говоря, мы не можем однозначно утверждать, какой редуктор более хрупкий, поскольку они работают в разных условиях. Однако, исходя из практического опыта ремонтных мастерских, гармонический редуктор считается относительно более «хрупким» — хотя и незначительно. Дело в том, что гибкое колесо внутри него постоянно находится в состоянии упругой деформации, а при длительной работе с высокой частотой циклических колебаний постепенно возникает усталостное повреждение. Особенно это касается действий с высокой частотой и малой амплитудой, круглосуточной непрерывной работы, а также частых пусков и остановок — всё это ускоряет износ гармонического редуктора. RV-редуктор, напротив, более чувствителен к ударным нагрузкам при больших усилиях: например, при столкновении робота, перегрузке, аварийной остановке или при эксплуатации в условиях высокой инерции, когда конструкция уже изношена и не способна обеспечить надёжную поддержку — в таких случаях внутренние зубчатые колёса и подшипники могут получить скрытые повреждения.
Какие признаки указывают на то, что редуктор выходит из строя?
На практике предвестники неисправности редуктора проявляются особенно явно, однако изначально многие ошибочно полагают, что проблема связана с сервоприводом или двигателем, тогда как на самом деле виноват редуктор. Если спросить меня, при каких симптомах следует в первую очередь подозревать неисправность редуктора, то вот основные признаки: точность позиционирования робота постепенно ухудшается — это наиболее типичный случай. Особенно это заметно у сварочных роботов: сначала сварочная точка совпадает точно, затем отклонение всё увеличивается; после повторной калибровки нулевой точки работоспособность сохраняется всего один-два дня, а затем снова возникают проблемы — в девяти случаях из десяти причина кроется в износе зазоров редуктора. Движения робота начинают «дрожать»: особенно это заметно при работе на низких скоростях. Например, у некоторых роботов ABB при медленном ручном позиционировании с помощью маховика ощущается последовательная «тряска» или «подёргивание», движение становится неплавным — скорее всего, внутренние детали уже изношены. В сочленениях появляется посторонний шум: щелчки, звуки металлического трения, глухие удары — не стоит их игнорировать. Особенно ярко шум проявляется при неисправности подшипников в RV-редукторе, и многие операторы продолжают эксплуатацию несмотря на это, пока в конечном итоге не выходит из строя весь узел сочленения. Также наблюдается сильный нагрев сочленений: при износе редуктора трение возрастает, и температура вала становится заметно выше, чем у других элементов; в запущенных случаях можно даже почувствовать характерный запах прогорклой смазки.
Как правильно эксплуатировать устройство, чтобы продлить его срок службы?
Обслуживание данного компонента часто игнорируется многими заводами: механическую часть считают второстепенной и полагают, что достаточно просто включить оборудование в линию. Однако редуктор промышленного робота — это самая уязвимая часть, особенно при длительном простое без надлежащего ухода. Особенно это касается роботов ABB, работающих в трёхсменном режиме. Мы обычно напоминаем заказчикам несколько важных правил: следите за изменениями температуры, прислушивайтесь к шуму, ощущайте вибрацию, обращайте внимание на любые отклонения по сравнению с предыдущим днём; смазку также следует проводить регулярно — в зависимости от конкретных условий эксплуатации. Многие редукторы выходят из строя не внезапно, а постепенно: на самом деле они долгое время работают в режиме «сухого трения», просто никто этого не замечает. При раннем обнаружении проблемы достаточно заменить подшипник или произвести замену масла — и проблема будет решена; если же затянуть с обслуживанием, редуктор полностью выйдет из строя и превратится в металлолом.
Снижение точности в первую очередь связано с неисправностями редуктора
У многих роботов ABB снижение точности обусловлено не обязательно неисправностью энкодера или двигателя. Ведь, как вы думаете, ваша система управления и затем «скот» (т.е. исполнительные механизмы) повторно рассчитывают траекторию с высокой точностью, однако если в самой механической части имеется люфт, то конечное движение всё равно будет отклоняться. Именно поэтому у некоторых роботов ABB энкодер исправен, двигатель исправен, параметры никто не изменял, но траектория остаётся нестабильной. При разборке сочленений выясняется, что редуктор изношен. Это особенно характерно для сварочных роботов, эксплуатируемых в течение нескольких лет.
Ремонт или замена редуктора
Решение о ремонте или замене редуктора зависит от конкретной ситуации. В некоторых случаях, например при износе подшипников, нарушении смазки или незначительном увеличении зазора, его можно отремонтировать. Однако если шестерни внутри уже повреждены, гибкое колесо усталостно разрушено или внутренний износ очень серьёзный, то зачастую экономически целесообразнее сразу заменить редуктор на новый. Это связано с тем, что убытки от простоя робота часто значительно превышают стоимость самого редуктора. Особенно это актуально на автомобильных сборочных линиях, где простои в течение одного дня могут обойтись дороже нескольких редукторов.
