Кабелни решения за индустриални роботи

ЕлектроапаратурaСп. Инженеринг ревю - брой 2/2020 • 01.04.2020

Досега индустриалните роботи изпълняваха сложни и повтарящи се процеси в заводите, но дигитализацията и технологичният напредък разширяват тяхното приложение в редица сектори. Производствените предприятия навлизат в ерата на интеграция и свързаност, които целят намаляване на разходите при увеличена безопасност. Роботите на бъдещето ще работят с увеличени отговорности рамо до рамо с хората в почти всички сектори на индустрията. Те ще бъдат основата при внедряване на Industry 4.0, комбинирайки технологии, които ще позволят използването на големи масиви от данни (Big Data) и аналитични инструменти, вземането на решения и автономното им функциониране.

Но не само роботите еволюират - компоненти като кабели и конектори също трябва да бъдат съобразени със съвременната напреднала технология на роботизация. Без надежден източник на захранване и управление дори най-усъвършенстваните роботи няма да могат да се справят със задачите си. Тази еволюция води до увеличено търсене на смарт кабели и конектори, които да бъдат основа за синхронизирано действие на роботите, целящо производството на висококачествени продукти.

Кабелите за роботи трябва да отговарят на най-високите изисквания по отношение на механични, химични и термични свойства. Те трябва да издържат на бързо ускорение и забавяне, натоварване на опън, натиск и усукване, както и на милиони цикли на огъване. Освен това е необходимо те да са устойчиви на високи температури, пръски от заваряване, масла и различни други химикали.

 

Тенденции при кабелите

Няколко тенденции оформят съвременните технологии в роботиката и подпомагат разширяването на приложението й отвъд утвърдената експлоатация в автомобилостроенето. Като цяло роботите стават все по-малки, по-леки, по-сръчни, по-лесни за използване и по-евтини. С това се увеличава и тяхната подвижност. Роботи с шест оси например често се инсталират върху платформи, за да се придвижват от една задача към друга. Кабелите трябва да отговорят на тези нови изисквания за подвижност, като компаниите предлагат “plug-and-play” решения, които свързват роботите към т. нар. “седма ос”, която служи за преместване на роботите в различни положения. В такива случаи за улеснен монтаж се доставят като цялостни решения кабеловодещи вериги с предварително инсталирани кабели.

В допълнение, имайки предвид тенденцията за олекотяване на роботите, кабелите също трябва да станат по-леки, а и по-компактни. Въпреки че кабелите стават по-тънки, а пластмасовата обшивка – по-лека, капацитетът на захранване остава същият, без да се губи ефективност. За постигане на тази икономия на тегло често се използват специализирани пластмаси, алуминий с медно покритие и различни алуминиеви сплави, въпреки че медта все още се счита за оптималния избор, когато приоритетно се търсят издръжливост и компактни напречни сечения. Друга стратегия, която е насочена както към олекотяване, така и към пестене на пространство, е да се комбинират няколко функции в един компонент. Някои решения например съчетават линии за пренос на данни и енергия в един кабел, което е полезно при минимизиране на заеманото от кабелите пространство и свързаната с тях маса в приложения с динамични ускорения. Обикновено в такива случаи се използват два кабела – един за захранване и друг за пренос на данни относно позицията и скоростта на двигателя. При хибридните кабелни решения енергията и данните се пренасят по обща линия, позволявайки максимална икономия на тегло и пространство. В други случаи хибридните кабели комбинират дори повече функции – пренос на сигнали за управление, захранване и масло или сгъстен въздух.

Друг аспект на стремежа към пестенe на пространство в приложенията на роботи е изборът между вътрешно или външно окабеляване. Ако се разгледа динамична и пространствено ограничена производствена среда, например голяма работна клетка, в която 15 или повече заваряващи роботи функционират заедно за сглобяване на автомобилно шаси, външно окабеляване би отнело твърде много място и би направило операциите много по-тромави. Производителите на кабели често работят в тясно сътрудничество с доставчиците на роботи, за да осигурят кабели, които преминават във вътрешността на роботите, спестявайки пространство и свеждайки до минимум опасности като заплетени линии и кабели, които се разхлабват при големи работни скорости.

Тъй като скорости на движение и спиране от такава величина са обичайни за приложенията на роботи, кабелите трябва да се проектират така, че да съответстват на изискванията за тези скорости и движения. Те трябва да бъдат колкото е възможно по-леки и гъвкави, за да се сведе до минимум масата, която трябва да се премества, като същевременно трябва да издържат и на милионите цикли на огъване и усукване, без да се повредят.

Кабелите за торсионни натоварвания са специално проектирани да издържат на увеличени натоварвания на усукване и се отличават с по-различна конструкция в сравнение с непрекъснато огъващите се кабели, чиито проводници са плътно навити. Кабелите за роботи се характеризират със значително по-свободно усукване на проводника, за да се компенсират по-натоварващите торсионни сили. При торсионни приложения трябва да се имат предвид следните параметри: максимална скорост и ускорение; минимален радиус на огъване на кабелите и проводниците; общо тегло на всички подвижни компоненти (включително кабеловодещите вериги и съответните кабели); както и желаният експлоатационен живот на цялата система.

 

Полагане на кабелите

В последните години окабеляването е на фокус, тъй като надеждността на машините се увеличава значително, въпреки че роботите стават все по-сложни. За съжаление, методите, използвани за прикрепяне и направляване на кабелите, не следват този модел. Въпреки че полагането на кабелите и шлаухите често се смята за допълнение при проектиране, то е наистина жизнено важна част на всеки добре функциониращ робот. През годините методите за окабеляване се променят драстично. Експертите са единодушни, че една от най-често допусканите грешки е подценяване на въпросите, свързани с полагането на кабелите. По време на конференция, организирана от Асоциацията на индустрията за роботи (RIA), група водещи системни интегратори посочват проблемите с окабеляването като причина номер едно за престой на роботизираните клетки. Те варират от оплетени и огънати кабели до цялостни повреди, които предизвикват прекъсвания на производството, загуба на приходи и уронване на репутацията. Ето защо начините, по които се полагат и направляват кабелите на роботите, са толкова важни.

Има различни възможности за насочване и защита на кабелите на роботите. Сред добре познатите решения са гъвкавите тръби, затворените шлаух пакети и кабеловодещите вериги за роботи. Гофрираните или гъвкави тръби са една от възможностите за защита на кабелите за роботи и се предлагат в широк спектър от размери и видове. Те имат изключителна устойчивост на скъсване в точките на свързване и дълъг експлоатационен живот дори при цикли на обратно огъване.

Въпреки това гофрираните тръби имат и своите ограничения. Те осигуряват минимална устойчивост на усукване и могат да бъдат фиксирани само в две точки при определена дължина. Освен това тръбите могат да се удължат при движението на робота, което подлага кабелите на прекомерно натоварване. Понякога възникват съприкосновения с инструментите, тъй като няма управление на траекторията на движение.

Затворените шлаух пакети се инсталират директно към робота и се предлагат в множество конфигурации. Те представляват гофрирани тръби, монтирани в подсилен с пластмаса корпус за допълнителна защита на кабелите. Дизайнът на системата с пружинен механизъм свежда до минимум точките, в които има риск от закачане и притискане. Поради изцяло затворения корпус поддръжката на кабелите е трудна, а тъй като тези решения не са модулни, ако някой компонент се повреди, трябва да се смени целият пакет. Проблеми могат да възникнат също и ако се промени програмирането или движенията на робота. Това се дължи на факта, че затворените шлаух пакети не предотвратяват риска от надвишаване на максималния радиус на огъване на кабелите.

Кабеловодещите вериги за роботи могат да се използват универсално за роботи с 6 оси. Системата се монтира директно към робота и е налична на пазара в множество конфигурации. Подобно на затворените шлаух пакети, и тук има пружинен механизъм, което минимизира потенциалните точки на закачане и притискане.

Кабеловодещите вериги за роботи обаче предлагат и допълнителни предимства, които не са характерни за другите системи. Те могат да разполагат с възможност за освобождаване на напрежението с цел да се удължи експлоатационният живот на кабелите. В допълнение, добавянето или отстраняването на кабели става бързо и лесно, без да е нужно да се демонтира цялата система. Определеният радиус на огъване на кабеловодещите вериги за роботи защитава кабелите от надвишаване на техния собствен максимален радиус на огъване. Сред ограниченията на системата са минимална устойчивост на силно концентрирани киселини и основи, както и липса на издръжливост при извършване на кръгови движения с тежки товари. Кабеловодещите вериги са особено подходящи за заваръчни роботи в тесни пространства, приложения с множество инструменти, задачи, включващи манипулиране и операции по заглаждане на повърхности (почистване на чеплъци). За допълнителна гъвкавост кабеловодещите вериги за роботи се предлагат с изцяло затворена конструкция, дизайн с изтегляне за лесен достъп до кабелите или като олекотени системи с ниска стойност за приложения, които не изискват кабелите да са изцяло капсуловани.

 

Правилно специфициране и инсталиране

Поради ограничения във времето често стандартни индустриални кабели се избират като “достатъчно добри”, без да се отчита средата на приложение. Бързите и повтарящи се движения, които са обичайни за много от приложенията на роботи, например изискват кабели с висока гъвкавост. Ако вместо тях се изберат стандартни кабели, това вероятно ще доведе до преждевременно износване – особено при кабели, които предоставят захранване и пренос на данни до инструмента в края на ръката на робота.

От ключово значение е да се определят изискванията за радиус на огъване, т. е. каква ще бъде обичайната степен на огъване на кабела. Важен фактор е минималният радиус на огъване, който обикновено е по-малък при фиксирани инсталации и по-голям при гъвкави приложения. В допълнение, трябва да се има предвид какъв тип обшивка се изисква, за да бъде кабелът устойчив на фактори на работната среда като метални стружки или заваръчни пръски. При подходящо планиране и специфициране правилният кабелен канал и кабеловодещи вериги помагат да се защитят кабелите и да се поддържа работата на роботизираните клетки.
Когато става дума за индустриални кабели, грешното инсталиране е често срещан проблем. Кабелите често се полагат неправилно, като проблемите варират от прекомерно обтягане до превишаване на капацитета на кабеловодещите вериги. Когато няма възможност за свободно движение на кабелите, може да възникне абразивно износване, което да доведе до преждевременна повреда.

Както беше споменато, линейните движения със силно огъване са свързани с различни натоварвания и изисквания към кабелите в сравнение с торсионното усукване по специфична ос на робота. Специализираните кабели са проектирани така, че да издържат на тези торсионни движения и да осигурят поддържане на успоредното разположение на кабелните снопове. Използването на грешен тип кабел в силно динамична среда е вероятно да доведе до неочаквани и нежелани периоди на престой. Докато гъвкавите кабели са подложени на постоянно огъване, когато са положени в кабеловодеща верига, торсионните приложения усукват кабелите надлъжно при движението на ръката на робота. Необходимо е да се специфицират кабели, които могат да се справят с огъване, усукване или и с двата типа движения в зависимост от изискванията на приложението. Специализираните кабели за роботи се класифицират според способността им да извършват до 10 или 20 милиона цикъла на усукване или огъване. Ето защо преди да се вземе окончателно решение, трябва щателно да се проучат спецификациите на кабелите или да се проведе консултация с доставчика им. Предварителното планиране и обмисляне на избора на кабелите може значително да допринесе за избягване на периоди на престои, свързани с тях – твърде често срещано явление в динамичните приложения на роботите. Консултацията с опитен системен интегратор или производител на кабели е отлично начало на процеса.

 

Конектори

Хилядите свързвания, осъществявани както чрез кабели, така и безжично, трябва да бъдат 100% надеждни, за да се може предимствата на дългия експлоатационен живот и високата ефективност да доведат до очакваните при внедряване на роботизирани системи ползи по отношение на разходите. Броят подсистеми с множество различни характеристики, които трябва да бъдат свързани, е огромен. Примерите включват сензори с ниска мощност, както вътрешни, така и външни спрямо роботизираната платформа, които подават сигнали от порядъка на миливолтове, както и сложни роботизирани ръце или изпълнителни устройства с хаптична способност да усещат и манипулират с предмети, които изискват данни в реално време и видеострийм, получавани от източници на електромагнитни смущения. В допълнение, може да е необходимо свързванията да предоставят и големи токове при импулсни натоварвания към двигатели, сервомотори и други електромеханични устройства.

Свързванията за захранване, данни и сигнали често са в непосредствена близост, което изисква използването на съединители с много гнезда. Тъй като трасетата им често преминават през едно и също пространство или дори през един и същи конектор, съществува възможност за електрически смущения между системите.
Работната среда също определя избора на конектор, тъй като части от роботизираната платформа могат да се движат по няколко оси, като всяка генерира собствени нива на натоварване и вибрации. Други фактори, които трябва да се имат предвид, са температурни екстремуми, наличие на вода, прах, корозивна атмосфера, експозиция на химикали и близост до опасни технологични процеси като заваряване.

Вариантите на съединители включват кръгли, правоъгълни, многоблокови, конектори за данни и редови клеми. При ограничения в пространството и голям брой съединения добър избор са модулните конектори, които могат да бъдат персонализирани с комбинация от контакти за захранване, данни и сигнали. Някои производители предлагат уникални съединителни конфигурации, базирани на избор от широк спектър свързващи модули, капаци и корпуси. Този подход намалява общия брой конектори и габаритите на решението, без да е необходимо цялостно проектиране на персонализиран съединител.

В роботизираните приложения има случаи, в които определени части от системата се движат спрямо статични такива. Това създава торсионни натоварвания, приложени върху конектора и свързаните към него кабели. Поради това е нужно да се обмисли възможността за освобождаване на напрежението на конектора, както и изборът на кабели и методите на полагането им в рамките на системата.

В някои случаи е необходимо части от робота да се въртят, поради което се използват slip-ring конектори, за да се гарантира висока надеждност на връзката. Това са електромеханични части, които разрешават инженерния проблем, свързан с осигуряването на надеждно съединяване към въртящ се обект чрез пренос на енергия или данни през метална или графитна четка, която поддържа контакт с метален пръстен при въртенето му. Електрическото съпротивление е по-високо, отколкото при статичните конекторни решения, но подвижните части могат да се износят или окислят с времето.

Конекторите могат да се разделят също и на такива със и без заключващ механизъм. Заключването при кръглите конектори обикновено се постига, като се използва накрайник с резба, а при правоъгълните съединители – чрез заключващи лостове. Конекторите за данни без заключващ механизъм, като USB, са подходящи за предаване на данни с висока скорост, но се изключват лесно и не се препоръчват за среди с по-тежки работни условия. В такива случаи се използват подсилени модели конектори със заключващ механизъм, осигуряващи защита срещу експозиция на течности и прах.

Новият Специален брой: Хранително-вкусова промишленост в България/2020

Специален брой: Хранително-вкусова промишленост в България-2020

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

Top