コボット配線ガイド: 信頼性の高い動作のための 9 つの設計ルール

あるパッケージング OEM は、3 つのラインに 62 台の協働ロボットを導入しましたが、リスト ハーネスがツール フランジ付近で故障し続けたため、第 1 四半期に予定外の 11 シフトを失いました。根本的な原因は協働ロボットのブランドではありませんでした。それは静的な機械の配線のように構築された配線パッケージでした。電源導体と I/O 導体が 1 つの束に混在し、制御されたサービス ループはなく、アームがカートンに到達するたびに曲げ半径がケーブル直径の 7 倍未満に縮小しました。交換用ケーブル セットのコストはセルの 1% 未満です。ダウンタイムはロボット全体よりもコストがかかります。

2 番目のインテグレータは、同様のピック アンド プレース セルに対して異なるアプローチを使用しました。サーボ電源、エンコーダフィードバック、低電圧センサー回路を分割します。ジャケットを洗剤に合わせて洗いました。キャリア充填率が 60% 未満にとどまることを検証しました。このセルは、最初に予定されていたケーブル交換の前に 300 万サイクルを経過しました。教訓は単純です。チームが動作、シールド、メンテナンスを設計入力ではなく作業現場の詳細として扱うと、協働ロボットの配線が早期に失敗します。

このガイドは、カスタム ケーブル アセンブリ、ロボット アーム内部ハーネス、ドラッグ チェーン ケーブル、および サーボ モーター ケーブル を [共同作業] のために調達するバイヤーとエンジニア向けに書かれています。 robots](/applications/collaborative-robots)、産業用ロボット アーム、および AGV/AMR システム。稼働時間、保守性、再現可能な生産品質に最も直接的に影響を与える配線の決定に焦点を当てています。

協働ロボットの配線がチームの予想よりも早く失敗する理由

協働ロボットは、通常、大型の産業用アームよりも積載量が低く、速度も遅いため、機械的に穏やかに見えます。ただし、電気的および機械的には、ケーブル システムは依然として動的です。ハーネスでは、試運転中に継続的な曲げ、時折のねじれ、オペレータによる工具の交換、ケーブルの清掃、およびキャビネット側の変更が発生します。初期の故障のほとんどは、小さな妥協の積み重ねから発生します。コネクタが 120 mm サポートされていない状態でぶら下がっている、シールドが 360 度終端ではなくピグテールで結ばれている、実際にねじれ定格が必要な経路に配置されている高フレックス ケーブル、同じキャリア内のモーター電源の横に配線されている M8 センサー リードなどです。これらの間違いはいずれも、1 日目には劇的なものには見えませんでしたが、これらが重なると、3 か月目までに断続的な障害が発生します。

コボット ケーブル セットが 300 万から 500 万回の動作サイクルに耐える必要がある場合、ストレイン リリーフ、曲げ半径、およびシールド終端は、FAT の後ではなく、プロトタイプ 2 の前に定義する必要があります。

— Hommer Zhao 氏、ロボティクス ケーブル アセンブリー創設者

ルール 1: モーション、曲げ半径、サービス ループを最初にマップする

正しい配線設計は、コネクタのカタログ ページではなく、モーション ジオメトリから始まります。エンドポイント間の静的な最短距離ではなく、各ロボットのポーズを通る実際のパスを測定します。協働ロボットでは、ハーネスがコンパクトなアームの鋳物から出て EOAT ブラケットに入るツール側の移行部が最もストレスのかかる箇所であることがよくあります。この移行部には動きを吸収するのに十分な自由長が必要ですが、ケーブルが揺れたり擦れたりするほどのたるみは必要ありません。実際には、選択したケーブルのデータシートに別のテスト値が示されていない限り、チームはロボット ケーブルを移動するためのケーブル直径の 7 倍から 10 倍の最小設置曲げ半径を定義する必要があります。アームが混合軸を介して回転する場合は、ドラッグ チェーンの数値ですべてがカバーされると考えるのではなく、曲げとねじれの両方を確認してください。

1. ハーネスの長さをフリーズする前に、ホーム、リーチ、リカバリー、メンテナンスのポーズをキャプチャします。
2. すべてのクランプ、ガイド、およびコネクタの出口で取り付けられた最小の曲げ半径を測定します。
3. モーションが必要とする場合にのみサービス ループを予約します。制御されていない緩みは、独自の摩耗点を生み出します。
4. クランプの間隔、固定方法、および許容される自由吊り長さを図面パッケージに記録します。

ルール 2: 電源、フィードバック、通信パスを分離する

ソフトウェアのバグのように見えるコボットの問題の多くは、配線分離の失敗です。モーター電源、ブレーキライン、エンコーダーペア、イーサネット、および 24 V センサー I/O は、同じ非制御バンドルには属しません。特にコンパクトなアームが物理的な分離をほとんど残さない場合、サーボのスイッチング エッジとブレーキの過渡現象によって、低レベルのフィードバックや産業用イーサネット パケットが破損するほどのノイズが注入される可能性があります。可能な限り分割されたルーティングを使用します。つまり、1 つのゾーンで電源、別のゾーンでフィードバックと通信、そして 3 番目のゾーンで低レベルのセンサーを使用します。配線でキャリアを共有する必要がある場合は、分周器を使用し、ツイストペア信号回路を大電流導体から遠ざけてください。

ルール 3: 実際の動作経路に合わせてケーブル構造を選択する

協働ロボットのすべての可動ケーブルに同じ構造が必要なわけではありません。アームの内部配線には、多くの場合、コンパクトでねじり耐性のあるハーネスが必要です。外部の水平移動には、専用の ドラッグ チェーン ケーブル を使用した方が適切な場合があります。ツール側のアクチュエータは、保護された モールド ケーブル アセンブリ 内で電力と信号を結合することがよくありますが、ベース キャビネットは コントロール キャビネット配線 へのよりクリーンな移行が必要な場合があります。調達チームは、1 つのユニバーサル ケーブル タイプを要求するのをやめ、代わりに各ブランチのモーション ゾーンを定義することで時間を節約できます。 1,000 万回のドラッグ チェーン サイクルに耐えたケーブルでも、ロボットの手首内で曲げとねじりを組み合わせた動作を行うと、すぐに故障する可能性があります。

ルール 4: 摩耗アイテムと同様にコネクタとストレイン リリーフを保護する

協働ロボットのコネクタの故障は、通常、最初に機械的で、次に電気的です。 M8、M12、またはカスタムの丸型コネクタは、適切な電流および IP ターゲットを満たしていても、ハーネスがバックシェルをサポートしていないため、依然として失敗します。バックシェル、ブーツ、またはクランプ ブラケットを使用して、接点終端に最大の動作負荷がかからないようにしてください。ツールチェンジャーおよびアーム先端モジュールの場合、最終組み立て後の挿入力、引き抜き抵抗、ケーブル出口角度を含む保持チェックを定義します。アプリケーションで繰り返し工具交換が行われる場合は、設計レビュー中に嵌合サイクルをカウントしてください。グリッパーを毎週交換するセルでは、100 サイクル定格のコネクタはメンテナンスに適した選択肢ではありません。

ルール 5: 実際に伝送する信号のシールドを接地する

シールドは装飾的なアップグレードではありません。終端が回路と一致する場合にのみ機能します。サーボ電源ケーブルのシールドは通常、高周波スイッチング ノイズを抑えるために両端で低インピーダンスの 360 度接地を必要とします。エンコーダおよび一部のデータ シールドは、ドライブまたはネットワークの設計に応じて片端接地が必要な場合があります。重要なのは、単純化しすぎた経験則ではなく、電気的機能に従うことです。チームは、その実践を機器メーカーの要件および 国際電気標準会議 標準に記載されている広範な制御規律に合わせて調整し、そのシールド計画をビルド パッケージに文書化する必要があります。シールド処理をベンチ上の組立業者に任せると、現場でのばらつきが保証されます。

1 つの劇的な配線ミスが原因で現場で障害が発生することはほとんどありません。 3 つの小さな妥協が積み重なり、ロボット サイクルのまさに間違った時点で 24 V 信号がしきい値を下回ります。

— Hommer Zhao 氏、ロボティクス ケーブル アセンブリー創設者

ルール 6: ジャケット、シーリング、キャリアを環境に適合させる

クリーンなエレクトロニクス研究室、倉庫の AMR ドック、食品加工協働ロボット ラインには、同じケーブル ジャケットは必要ありません。多くの場合、PUR が耐摩耗性と耐油性の点で最適なデフォルトです。 TPE は、温度変化による繰り返しの屈曲に対してより強力です。シリコンは熱に耐えますが、破れやすいです。 PVC は、保護されたキャビネット内では許容される場合がありますが、通常、ダイナミック アームでは間違った経済的措置です。同じロジックが入口シーリングにも当てはまります。最終用途でウォッシュダウンが予想される場合は、カタログからコピーした IP クレームを使用するのではなく、実際の暴露レベルに合わせてコネクタ シーリングとオーバーモールドのジオメトリを定義します。 IP コード、RoHS 指令、ISO 9001 などの参照ポイントはテストに代わるものではありませんが、調達がリリース前に適切な質問をするのに役立ちます。

ルール 7: ハーネスへの設計メンテナンス

配線パッケージは、保守技術者が当てずっぽうで識別、検査、交換できる場合にのみ生産準備が整います。つまり、ラベル付きの分岐、アクセス可能な切断ポイント、出荷されたハーネスと一致する図面パッケージが必要になります。また、サービス間隔について現実的であることも意味します。ロボットが 2 シフト、週 5 日稼働し、リスト ケーブルが 24 か月の消耗品として扱われる場合は、その交換ロジックを事前に指定します。 機能 に関する最良の議論は、ケーブルの交換を不可能にすることではありません。交換を管理され、迅速で、間違いのないものにすることが重要です。

• リビジョン管理された識別子を使用して、両端と分岐のすべてにラベルを付けます。
• アーム全体を分解しなくても、現場交換可能なコネクタに手が届くようにします。
• 誤嵌合のリスクが高い場合は、非対称キーイングまたはカラーコーディングを使用します。
• 完全なケーブル セットおよび摩耗の激しい分岐のスペア部品番号を文書化します。
• ジャケットの摩耗、クランプの緩み、コネクタの遊びに関する検査基準を追加します。

ルール 8: 製品ケーブル セットと同様にプロトタイプをテストする

ベンチでの導通テストだけでは十分ではありません。プロトタイプのケーブル セットは、実際のペイロード、加速プロファイル、およびクリーニング ルーチンを使用して、実際の動作パスで検証する必要があります。電気的検証には、導通性、絶縁抵抗、および関連する場合には信号の完全性またはパケット損失のチェックが含まれる必要があります。機械的検証には、重要な終端での引張試験、キャリアの移動観察、クランプとコネクタ出口でのサイクル後の検査が含まれる必要があります。プログラムの量が多い場合は、プロトタイプ段階を使用して、単に 1 つの手作りサンプルが 1 回動作できることを証明するだけでなく、実稼働の受け入れ基準を定義します。

ルール 9: スケールアップ前に代替案とドキュメントを凍結する

スケールは文書化されていないあらゆる仮定を明らかにします。パイロット ビルドは、1 つのコネクタ ロット、1 人の熟練した技術者、および 1 つの記憶された配線トリックがあれば存続する可能性があります。量産にはリビジョン管理が必要です。ワイヤー ファミリ、コネクタ、シール、ラベル、オーバーモールド用の凍結承認代替品。これらを、一次構成に使用したのと同じ電気的および機械的テスト計画に結び付けます。これは、カスタム コネクタ ソリューション、ハイブリッド ハーネス、およびコンパクト ツール ヘッドに入るあらゆるブランチにとって特に重要です。リリース後に代替選手が導入された場合は、ベンチの即興演奏ではなく、レビューをトリガーする必要があります。

ケーブルキャリアは動きを保護することも、破壊することもできます。充填率が約 60% を超えると、側壁の圧力、熱、交差点が急速に上昇し、通常、最初の故障は最小の信号ケーブルで発生します。

— Hommer Zhao 氏、ロボティクス ケーブル アセンブリー創設者

RFQ リリース前のバイヤーチェックリスト

1. すべてのモーション ゾーンを定義します: 静的キャビネット、外部ドラッグ チェーン、内部アーム、ツール側のフレックス。
2. 各回路グループの電流、電圧、データ レート、およびシールド要件をリストします。
3. 最小曲げ半径、予想されるねじり角度、および目標サイクル寿命を記載します。
4. 環境暴露を指定します: オイル、冷却剤、消毒剤、UV、溶接スパッタ、またはウォッシュダウン。
5. コネクタの嵌合サイクルの予想と必要な張力緩和方法を説明します。
6. 承認された代替者と、誰が代替者を承認できるかを特定します。
7. 電気的テストのカバレッジに加えて、プル テスト、フレックス テスト、またはパケット損失の検証が必要です。
8. ハーネス リビジョンをロボット モデル、EOAT リビジョン、および保守文書セットに関連付けます。

よくある質問

コボット ケーブル セットはどのくらいの期間使用できますか?

正直な普遍的な数値はありませんが、動的コボット ブランチは、曲げ半径、ねじれ、速度、環境に応じて、一般的に約 100 万から 500 万サイクルと指定されています。サプライヤーが寿命要求をテスト条件に結び付けることができない場合、その数値はエンジニアリングではなくマーケティングの問題です。

電源ワイヤとエンコーダワイヤは同じケーブルキャリアを共有できますか?

はい、ただし、制御された分離が必要な場合に限ります。仕切りを使用し、間隔を維持し、特定のドライブとエンコーダの要件を検証します。コンパクトなセルでは、50 mm の間隔または分割されたレーンが、安定したフィードバックと断続的な障害の違いを生む可能性があります。

協働ロボットのケーブルにはどのような曲げ半径を使用する必要がありますか?

まずはケーブルのデータシートから始めます。テストされた値が利用できない場合、多くのチームは、移動ケーブルの保守的な作業範囲として 7 倍から 10 倍のケーブル直径を使用します。ロボットの手首がきつい場合は、そのしきい値を下回るとストランドの疲労が加速するため、多くの場合カスタム配線が必要になります。

ドラッグ チェーン ケーブルの代わりにねじり定格ケーブルが必要になるのはどのような場合ですか?

ケーブル経路が繰り返しねじれる場合、特に 1 メートルあたりプラスまたはマイナス 90 度を超える場合は、ねじり定格構造を依頼してください。ドラッグ チェーンの評価は、主に 1 つの平面内で繰り返される曲げを表します。ロボットの手首とドレスパックでは、多くの場合、両方のテストを一緒にレビューする必要があります。

コボット ツールやセンサー ブランチに最適なコネクタはどれですか?

M8 と M12 はコンパクトであり、最大 IP67 以上の密閉型が利用できるため一般的ですが、正しい答えは電流、サイクル数、スペース要求によって異なります。変化の多い EOAT プログラムの場合、嵌合サイクル定格と張力緩和はコンタクト サイズと同じくらい重要です。

コボット配線の RFQ には何を含めるべきですか?

少なくとも、図面、ピン配置、ロボット モデル、EOAT モデル、ケーブル パス、電流と電圧、予想されるサイクル数、環境、コネクタの設定、および必要なテストが含まれます。ターゲットが実稼働プログラムの場合は、承認された代替プログラム、年間ボリューム、およびメンテナンス交換戦略を追加します。