Спирачни системи за роботизирани приложения

РоботикаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2/2022 • 11.04.2022

  • Спирачните механизми служат както за прилагане на задържащ момент след изключване на задвижването, така и за осигуряване на динамично спиране в случай на авария или инцидент

  • Системите с постоянен магнит са предпочитани за редица прецизни задачи, тъй като осигуряват висока плътност на въртящия момент и не допускат т. нар. мъртъв ход

  • В стандартните приложения по-популярни са спирачните механизми с пружинно задействане, които предлагат сравнително висока ефективност при разумна цена


Повечето съвременни роботи с електрическо задвижване са оборудвани със сервомотори за прецизен контрол и управление на движението. Това елиминира нуждата от съединители, но не и от ефективни спирачни системи, тъй като един от основните рискове в индустриалната роботика са неконтролираните и непровокираните от команда движения. Спирачните механизми служат както за прилагане на задържащ момент след изключване на задвижващия мотор, така и за осигуряване на динамично спиране в случай на авария или инцидент.

При избора на конкретна технология, дизайн и модел спирачки за роботи се съпоставят изискванията на приложението с ключови технически характеристики на системата като въртящ момент, мъртъв ход, съотношение на въртящия момент спрямо диаметъра, диаметър на отворите, време за реакция, цена, а също и с параметри като тегло и монтажна конфигурация.

 

Основни функции и възможности

Спирачните системи за индустриални роботизирани приложения имат две основни функции. Първата е да задържат робота или манипулатора на място при нулева скорост в нормален режим на работа. Втората цел на механизма е в динамични условия да спре движението на робота и да задържи позицията му, например при загуба на мощност, за да се избегнат сблъсък и евентуално повреждане на близкостоящо оборудване или нараняване на оператор в работната зона. За такива сценарии подходящи са спирачните системи с постоянен магнит, както и тези с пружинно задействане. При всички случаи оптималната безопасност е водещ приоритет при избора на спирачен механизъм за промишлени роботи.

Технологиите с постоянен магнит са предпочитани в редица приложения, тъй като осигуряват висока плътност на въртящия момент (съотношение на въртящия момент спрямо диаметъра) в сравнение с пружинните системи. Друго предимство на магнитните спирачки е, че не допускат т. нар. мъртъв ход след задействане. Той представлява хлабина или свободно движение в механизма, причинено от пролуки между отделните компоненти. Може да се определи като максималното разстояние (или ъгъл), на което всяка част от механичната система може да бъде преместена в дадена посока, без да се прилага забележима сила или задвижване към следващата част в механичната последователност.

Пружинните системи, от своя страна, са единственото същинско отказоустойчиво механично задействано решение за спиране на промишлени роботи. В приложения, в които безопасността е от критично значение, използването на отказоустойчив механизъм е абсолютно задължително. Примери за такива са цехове или складови обекти, в които автоматично насочващи се превозни средства (AGV) или роботизирани мотокари се движат в споделено пространство със служителите, монтажни линии с pick-and-place роботи, а също и операционни зали, в които роботи извършват съвместни хирургични операции и боравят със скъпо и потенциално опасно медицинско оборудване в близост до пациенти и лекари.

 

Работни принципи

Спирачните системи с пружинно задействане, които са един от двата основни типа технологии, използвани в роботиката за спиране и задържане на движението, допълнително се подразделят на фрикционни и зъбни според метода си на генериране на спирачния/задържащ въртящ момент.

Ключови елементи на фрикционните спирачки са: възбудителната бобина, фиксирана към машинната рамка или специален стопер, предотвратяващ обратен ход; триещият диск и притискащата плоча. Системите от този тип в повечето случаи (но невинаги) са свързани с вала посредством главина, която от своя страна е застопорена към него с фиксиращ винт. При включено захранване бобината генерира електромагнитно поле, което привлича котвена намотка, притискайки пружините и отваряйки въздушна междина между котвата и фрикционния диск. Това позволява на диска да се върти свободно с главината, вала и товара. Когато захранването бъде изключено, силата на привличане между възбудителната намотка и котвата спада до нула. Пружината между котвата и тялото на магнита притиска котвата в контакт с фрикционния диск. Триещият диск се притиска между плочата и котвата, предавайки въртящ момент и спирайки/задържайки собственото си движение и това на главината и вала.

Спирачките от този тип могат да бъдат проектирани и произведени със специални материали и компоненти спрямо изискванията на конкретно приложение, например за работа във вакуум или влажна среда, в контакт с масла и други химически агенти и др.
Зъбните спирачни механизми с пружинно задействане включват възбудителна бобина, зъбна котва и зъбна плоча, прикрепена към товара. Когато захранването е включено, бобината привлича котвата, компресира пружините и отваря въздушна междина между котвата и плочата. Това позволява на товара да се върти свободно.

В случай на изключено захранване намотката освобождава котвата, пружините я притискат към плочата, така че зъбните елементи да се зацепят помежду си и товарът да бъде спрян/задържан. Профилите на тези елементи могат да бъдат модифицирани според желания резултат. При стандартен профил спирачният механизъм е силен, издръжлив и с двупосочно действие. Той може да се задейства, докато товарът е в движение при ниски обороти. Разширяването на ъгъла на зъбите позволява на спирачката да се задейства при по-високи скорости. Този дизайн донякъде е ограничен според максималния въртящ момент, който може да понесе. Когато той се увеличи твърде много, спирачният механизъм се приплъзва, вместо да се задейства, което позволява системи от този тип да бъдат използвани за контрол на въртящия момент при претоварване. Този специфичен зъбен профил не позволява зацепване при натоварване и когато системата сменя посоките на движение.

 

Съображения при избор на решение

Изискванията към спирачните системи за промишлени роботи варират в широки граници според отрасъла и потребностите на приложението, но са налице някои ключови техни характеристики, които е препоръчително да бъдат взети предвид при избора на решение за даден практически сценарий. Обикновено първият параметър, който отчитат проектантите, е въртящият момент. Той е необходим за спиране или поддържане на статичното положение на робота и зависи от теглото, конструкцията, натоварването и скоростта.

Не по-малко важен е т. нар. мъртъв ход (или хлабина), който в случая означава с какъв ъгъл ще се измести (завърти) валът, докато спирачката го задържа. Това празно движение зависи от главината, използвана за свързване на вала със спирачния механизъм. Важно е да се отбележи, че главината трябва все пак да осигурява достатъчно хлабина, за да позволи на котвата да се движи аксиално по протежение на вала. В резултат на това пружинните спирачки винаги имат известен мъртъв ход след задействане. Допустимата хлабина зависи от изискванията и прецизността на приложението.

Когато точността на движенията е водещ приоритет, компромиси с такъв празен ход често изобщо не се допускат и проектантите се спират на магнитни спирачни системи. Примери за високопрецизни приложни сценарии са полупроводниковата индустрия и производството на медицински компоненти и устройства. В редовите промишлени задачи обаче по-популярни остават пружинните механизми, тъй като осигуряват сравнително висока ефективност на разумна цена.
Следващият ключов параметър е диаметърът на отворите, който е необходим при роботизираните манипулатори и рамена за прокарване на кабели, лазери и оптични влакна. Традиционно тези отвори са най-големи при магнитните спирачни системи, следвани от зъбните механизми с пружинно задействане.

Изборът на решение зависи и от необходимото съотношение между въртящия момент и диаметъра, тъй като индустриалните роботи обикновено работят в ограничено пространство. Производителите на оригинално оборудване обикновено търсят възможно най-голям такъв коефициент, особено за спирачките, които се монтират в базите на роботизираните рамена.
Що се отнася до времето за реакция, което е критично при предпазните/ обезопаснителните спирачни механизми за роботи, магнитните системи са първенци. Когато бюджетът е водещ фактор при избора, фрикционните спирачки се оказват най-рентабилни, тъй като осигуряват ефективна работа в широк набор от приложения. Най-скъпи пък са зъбните пружинни механизми поради необходимостта от прецизни производствени методи за изработка на зъбните предавки.

 

Иновации

Все по-популярни в роботиката стават т. нар. нископрофилни спирачни механизми, които се налагат на пазара вследствие на мегатенденцията при роботизираните рамена и мехатронните системи непрекъснато да се смаляват по размер. Те са функционално идентични на конвенционалните решения с пружинно задействане, но постигат същия въртящ момент при около две трети от дебелината на стандартните дискове. Това позволява изключително компактен дизайн на задвижванията и спирачните системи, които се интегрират в шарнирните съединения между подвижните сегменти на роботизирани рамена, в AGV техника и др. В редица съвременни приложения, разбира се, не е наложително спирачката да бъде вградена в робота, което позволява тя да бъде монтирана отделно и размерът й не е от толкова критично значение.

Спирачните системи за индустриални роботи днес се предлагат с множество специализирани функции и аксесоари. Такава е например възможността за редуциране на задържащото напрежение. След като механизмът с пружинно задействане се изключи при номинално напрежение, той може да превключи към режим на задържащо напрежение, равно на 50% от номиналното. Тази опция е особено практична при самонасочващи се превозни средства и други мобилни роботизирани приложения, които работят с батерийно захранване. Допълнителен плюс е по-малкото количество топлина, генерирана от възбудителната бобина.

Някои производители и системни интегратори доставят спирачните системи за роботи с пълна кабелна окомплектовка – термосвиваеми тръби, телени обшивки, затягащи приспособления за кабелите, етикети и т.н. – заедно с необходимите конектори и/или щепсели. Това превръща спирачните механизми в готови за интегриране “plug-and-play” решения, които пестят ценно време на потребителите и елиминират нуждата от сложен или времеемък кабелен монтаж на място.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top