Przewodnik okablowania Cobota: 9 zasad projektowania zapewniających niezawodny ruch

Producent OEM zajmujący się opakowaniami wdrożył 62 roboty współpracujące na trzech liniach, a następnie w pierwszym kwartale stracił 11 nieplanowanych zmian, ponieważ uprząż na nadgarstek ciągle zawodziła w pobliżu kołnierza narzędzia. Główną przyczyną nie była marka cobota. Był to pakiet okablowania zbudowany jak statyczne okablowanie maszynowe: mieszane przewody zasilania i wejścia/wyjścia w jednej wiązce, bez kontrolowanej pętli serwisowej i promień zgięcia mniejszy niż 7-krotna średnica kabla za każdym razem, gdy ramię sięgało do kartonu. Zamienny zestaw kabli kosztuje mniej niż 1% ogniwa. Przestój kosztuje więcej niż cały robot.

Drugi integrator zastosował inne podejście w przypadku podobnej komórki typu pick-and-place. Dzielą moc serwomechanizmu, sprzężenie zwrotne enkodera i obwody czujników niskiego napięcia; dopasować kurtkę do prania w detergentach; i sprawdził, czy wypełnienie nośnika utrzymuje się poniżej 60%. Ogniwo to przeszło 3 miliony cykli przed pierwszą planowaną wymianą kabla. Lekcja jest prosta: okablowanie cobota ulega awarii wcześnie, gdy zespoły traktują ruch, ekranowanie i konserwację jako szczegóły w hali produkcyjnej, a nie dane wejściowe do projektu.

Ten przewodnik został napisany z myślą o kupujących i inżynierach zaopatrujących się w niestandardowe zespoły kabli, wewnętrzną wiązkę przewodów ramienia robota, przewody łańcuchowe i kable serwosilnika dla collaborative roboty, ramiona robotów przemysłowych i systemy AGV/AMR. Koncentruje się na decyzjach dotyczących okablowania, które najbardziej bezpośrednio wpływają na czas sprawności, łatwość serwisowania i powtarzalną jakość produkcji.

Dlaczego okablowanie cobota ulega awarii wcześniej, niż zespoły się tego spodziewają

Roboty współpracujące wyglądają mechanicznie delikatnie, ponieważ ładowność jest mniejsza, a prędkości są zwykle niższe niż w przypadku dużych ramion przemysłowych. Jednakże pod względem elektrycznym i mechanicznym system kablowy jest nadal dynamiczny. Wiązka przewodów podlega ciągłemu zginaniu, sporadycznym skręcaniu, wymianie narzędzi przez operatora, czyszczeniu kabli i modyfikacjom po stronie szafy podczas uruchamiania. Większość wczesnych awarii wynika z nagromadzenia drobnych kompromisów: złącze wiszące bez podparcia na długości 120 mm, ekran połączony pigtailem zamiast końcówki 360 stopni, elastyczny kabel umieszczony w ścieżce, która faktycznie wymaga wytrzymałości na skręcanie, lub przewód czujnika M8 poprowadzony obok zasilania silnika w tym samym nośniku. Żaden z tych błędów nie wygląda dramatycznie pierwszego dnia. Razem powodują one sporadyczne błędy w trzecim miesiącu.

Jeśli zestaw kabli cobota musi przetrwać od 3 do 5 milionów cykli ruchu, odciążenie, promień zgięcia i zakończenie ekranu muszą zostać określone przed prototypem 2, a nie po FAT.

— Hommer Zhao, założyciel firmy Robotics Cable Assembly

Zasada 1: Najpierw mapuj ruch, promień zagięcia i pętlę serwisową

Prawidłowy projekt okablowania zaczyna się od geometrii ruchu, a nie od stron katalogu złączy. Zmierz rzeczywistą ścieżkę przez każdą pozycję robota, a nie najkrótszą statyczną odległość między punktami końcowymi. W przypadku cobotów najgorszym punktem naprężenia jest często przejście od strony narzędzia, gdzie uprząż opuszcza zwarty odlew ramienia i wchodzi do wspornika EOAT. To przejście wymaga wystarczającej długości, aby pochłonąć ruch, ale nie na tyle luzu, aby kabel się uginał lub ocierał. W praktyce zespoły powinny określić minimalny zainstalowany promień zgięcia wynoszący od 7x do 10x średnica kabla dla ruchomego kabla robota, chyba że wybrany arkusz danych kabla podaje inną przetestowaną wartość. Jeśli ramię obraca się w różnych osiach, sprawdź zarówno zginanie, jak i skręcanie, zamiast zakładać, że liczba prowadników obejmuje wszystko.

1. Uchwyć pozycje wyjściowe, sięgające, regeneracyjne i konserwacyjne, zanim zamrozisz długość uprzęży.
2. Zmierz najmniejszy zainstalowany promień zgięcia na każdym zacisku, prowadnicy i wyjściu złącza.
3. Rezerwuj pętlę serwisową tylko tam, gdzie wymaga tego ruch; niekontrolowany luz tworzy własny punkt zużycia.
4. Zapisz odstępy zacisków, metodę mocowania i dozwoloną długość swobodnego zwisania na pakiecie rysunku.

Zasada 2: Oddzielne ścieżki zasilania, informacji zwrotnej i komunikacji

Wiele problemów z robotami, które wyglądają jak błędy oprogramowania, wynika z błędów segregacji okablowania. Moc silnika, przewody hamulcowe, pary enkoderów, Ethernet i wejścia/wyjścia czujnika 24 V nie należą do tego samego niekontrolowanego pakietu. Krawędzie przełączania serwomechanizmu i stany nieustalone hamowania mogą generować wystarczający szum, aby zakłócić sprzężenie zwrotne niskiego poziomu lub pakiety przemysłowej sieci Ethernet, szczególnie gdy kompaktowe ramię pozostawia niewielką separację fizyczną. Jeśli to możliwe, używaj podzielonego routingu: zasilanie w jednej strefie, sprzężenie zwrotne i komunikacja w drugiej, a czujniki niskiego poziomu w trzeciej. Jeżeli trasowanie musi współdzielić nośną, należy zastosować dzielniki i trzymać obwody sygnałowe skrętki z dala od przewodów wysokoprądowych.

Zasada 3: Dobierz konstrukcję kabla do rzeczywistej ścieżki ruchu

Nie każdy ruchomy kabel w cobocie wymaga tej samej konstrukcji. Wewnętrzne prowadzenie ramion często wymaga kompaktowych, odpornych na skręcanie uprzęży. Zewnętrzne przemieszczenie poziome może lepiej obsługiwać dedykowane przewody łańcuchowe. Siłowniki umieszczone po stronie narzędzia często łączą moc i sygnał w chronionym zespole formowanego kabla, podczas gdy szafka podstawowa może wymagać bardziej przejrzystego przejścia do okablowania szafy sterowniczej. Zespoły zakupowe oszczędzają czas, gdy przestają prosić o jeden uniwersalny typ kabla i zamiast tego definiują strefę ruchu dla każdej gałęzi. Kabel, który przetrwa 10 milionów cykli łańcucha przeciągającego, może nadal szybko ulec uszkodzeniu w przypadku połączonego ruchu zginania i skręcania wewnątrz nadgarstka robota.

Zasada 4: Chroń złącza i elementy odciążające, tak jak elementy zużywalne

Awarie złączy w robotach współpracujących mają zazwyczaj w pierwszej kolejności podłoże mechaniczne, a w drugiej kolejności elektryczne. Złącze M8, M12 lub niestandardowe złącze okrągłe może spełniać wymagania dotyczące odpowiedniego prądu i docelowego poziomu IP, a mimo to nadal nie działać, ponieważ wiązka przewodów pozostawia nieobsługiwaną tylną obudowę. Użyj osłon tylnych, osłon lub wsporników zaciskowych, aby zakończenie styku nie przenosiło pełnego obciążenia związanego z ruchem. W przypadku magazynów narzędzi i modułów końcówek ramion należy zdefiniować kontrolę mocowania obejmującą siłę wsuwania, opór wyciągania i kąt wyjścia kabla po końcowym montażu. Jeśli aplikacja wymaga wielokrotnych zmian narzędzi, należy policzyć cykle łączenia podczas przeglądu projektu. Złącze przystosowane do 100 cykli nie jest wyborem przyjaznym w konserwacji w ogniwie, w którym co tydzień wymieniane są chwytaki.

Zasada 5: Uziemij ekrany sygnału, który faktycznie niesiesz

Ekranowanie nie jest ulepszeniem dekoracyjnym. Działa tylko wtedy, gdy zakończenie pasuje do obwodu. Ekrany kabli zasilających serwa zazwyczaj wymagają uziemienia 360 stopni o niskiej impedancji na obu końcach, aby powstrzymać szumy przełączania o wysokiej częstotliwości. Enkoder i niektóre osłony danych mogą wymagać uziemienia z jednej strony, w zależności od napędu lub projektu sieci. Chodzi o to, aby kierować się funkcją elektryczną, a nie nadmiernie uproszczoną zasadą. Zespoły powinny dostosować swoją praktykę do wymagań producenta sprzętu i szerszej dyscypliny kontrolnej określonej w normach Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej, a następnie udokumentować plan osłony w pakiecie konstrukcyjnym. Jeśli obróbkę osłony pozostawi się monterowi na stole warsztatowym, gwarantowana jest zmienność pola.

Rzadko zdarza się, że awarie w terenie są spowodowane jednym dramatycznym błędem w okablowaniu. Widzimy trzy małe kompromisy, które kumulują się, aż sygnał 24 V spadnie poniżej progu dokładnie w niewłaściwym momencie cyklu robota.

— Hommer Zhao, założyciel firmy Robotics Cable Assembly

Zasada 6: Dopasuj kurtkę, uszczelnienie i nośnik do środowiska

Czyste laboratorium elektroniczne, magazynowa stacja dokująca AMR i linia cobotów do przetwarzania żywności nie wymagają tej samej osłony kabla. PUR jest często najlepszym domyślnym rozwiązaniem w zakresie odporności na ścieranie i olej. TPE może być mocniejszy w przypadku powtarzającego się zginania przy wahaniach temperatury. Silikon wytrzymuje ciepło, ale łatwiej go rozerwać. PCV może być dopuszczalne w chronionej szafce, ale zazwyczaj jest to niewłaściwe rozwiązanie ekonomiczne w przypadku ramienia dynamicznego. Ta sama logika dotyczy uszczelnienia wnikania: jeśli końcowe zastosowanie przewiduje zmycie, zdefiniuj uszczelnienie złącza i geometrię obtrysku wokół rzeczywistego poziomu narażenia, zamiast korzystać z zastrzeżenia własności intelektualnej skopiowanego z katalogu. Punkty odniesienia, takie jak kod IP, dyrektywa RoHS i ISO 9001 nie zastępują testów, ale pomagają działowi zamówień publicznych zadawać właściwe pytania przed wydaniem.

Zasada 7: Zaprojektuj konserwację w uprzęży

Pakiet okablowania jest gotowy do produkcji tylko wtedy, gdy technik zajmujący się konserwacją może go zidentyfikować, sprawdzić i wymienić bez zgadywania. Oznacza to oznakowane gałęzie, dostępne punkty rozłączenia i pakiet rysunków pasujący do dostarczonej wiązki przewodów. Oznacza to również realistyczne podejście do okresów międzyobsługowych. Jeśli robot będzie pracował na dwie zmiany, pięć dni w tygodniu, a kabel nadgarstkowy jest traktowany jako materiał eksploatacyjny objęty 24-miesięcznym okresem użytkowania, należy z góry określić sposób wymiany. Najlepsze możliwości dyskusje nie dotyczą uniemożliwiania wymiany kabla; chodzi im o to, aby wymiana była kontrolowana, szybka i odporna na błędy.

• Oznacz oba końce i każdą rozgałęzioną gałąź identyfikatorami z kontrolą wersji.
• Zapewnij dostępność złączy, które można wymieniać na miejscu, bez konieczności demontażu całego ramienia.
• Używaj kluczowania asymetrycznego lub kodowania kolorami, gdy ryzyko błędnego wiązania jest wysokie.
• Dokumentuj numery części zamiennych dla pełnego zestawu kabli i odgałęzień narażonych na duże zużycie.
• Dodaj kryteria kontroli zużycia płaszcza, poluzowania zacisków i luzów na złączach.

Zasada 8: Przetestuj prototyp jak zestaw kabli produkcyjnych

Test ciągłości na stanowisku badawczym nie wystarczy. Prototypowe zestawy kabli należy sprawdzić na rzeczywistej ścieżce ruchu przy rzeczywistym obciążeniu, profilu przyspieszenia i procedurze czyszczenia. Walidacja elektryczna powinna obejmować kontrolę ciągłości, rezystancji izolacji oraz, w stosownych przypadkach, kontrolę integralności sygnału lub utraty pakietów. Walidacja mechaniczna powinna obejmować testy rozciągania na krytycznych zakończeniach, obserwację ruchu nośnika i kontrolę po cyklu na zaciskach i wyjściach złączy. Jeśli program ma dużą objętość, fazę prototypu należy wykorzystać do zdefiniowania kryteriów akceptacji do produkcji, a nie tylko do udowodnienia, że ​​jedna ręcznie zbudowana próbka może zostać przeniesiona raz.

Zasada 9: Zamroź rozwiązania alternatywne i dokumentację przed zwiększeniem skali

Skala obnaża każde nieudokumentowane założenie. Wersja pilotażowa może przetrwać z jedną partią złączy, jednym wykwalifikowanym technikiem i jedną zapamiętaną sztuczką routingu. Produkcja masowa wymaga kontroli wersji. Zamrażaj zatwierdzone zamienniki dla rodzin przewodów, złączy, uszczelek, etykiet i form. Powiąż je z tym samym planem testów elektrycznych i mechanicznych, jaki zastosowano w konfiguracji podstawowej. Jest to szczególnie ważne w przypadku niestandardowych rozwiązań złączy, wiązek hybrydowych i wszelkich gałęzi wchodzących do kompaktowej głowicy narzędzia. Jeśli po wydaniu zostaną wprowadzone zastępstwa, powinny one wywołać przegląd, a nie improwizację na ławce rezerwowych.

Prowadnik kablowy może chronić ruch lub go zniszczyć. Gdy wypełnienie przekracza około 60%, ciśnienie ścianki bocznej, ciepło i punkty przecięcia szybko rosną, a pierwsza awaria pojawia się zwykle w najmniejszym kablu sygnałowym.

— Hommer Zhao, założyciel firmy Robotics Cable Assembly

Lista kontrolna kupującego przed publikacją zapytania ofertowego

1. Zdefiniuj każdą strefę ruchu: obudowę statyczną, zewnętrzny łańcuch hamulcowy, ramię wewnętrzne i elastyczność po stronie narzędzia.
2. Wymień wymagania dotyczące prądu, napięcia, szybkości transmisji danych i ekranowania dla każdej grupy obwodów.
3. Podaj minimalny promień zgięcia, oczekiwany kąt skręcenia i docelowy cykl życia.
4. Określ narażenie środowiska: olej, chłodziwo, środek dezynfekujący, promieniowanie UV, odpryski spawalnicze lub zmywanie.
5. Określ oczekiwania dotyczące cyklu łączenia złączy i wymaganą metodę odciążenia.
6. Zidentyfikuj zatwierdzonych zastępców i kto może autoryzować zastępstwa.
7. Wymagaj pokrycia testów elektrycznych oraz wszelkich testów rozciągania, testów elastyczności lub sprawdzania utraty pakietów.
8. Powiąż wersję wiązki przewodów z modelem robota, wersją EOAT i zestawem dokumentów konserwacyjnych.

Często zadawane pytania

Jak długo powinien wystarczyć zestaw kabli cobota?

Nie ma uniwersalnej liczby, ale dynamiczne gałęzie cobotów są zwykle określane na około 1 milion do 5 milionów cykli, w zależności od promienia zgięcia, skręcenia, prędkości i środowiska. Jeśli dostawca nie może powiązać roszczenia dotyczącego żywotności z warunkami testowymi, jest to kwestia marketingu, a nie inżynierii.

Czy przewody zasilania i enkodera mogą mieć ten sam nośnik kablowy?

Tak, ale tylko przy kontrolowanej separacji. Stosuj przekładki, zachowuj odstępy i sprawdzaj wymagania dotyczące konkretnego napędu i enkodera. W ogniwach kompaktowych odstęp 50 mm lub podzielony pas może zadecydować o stabilnym sprzężeniu zwrotnym i sporadycznych usterkach.

Jaki promień zgięcia należy zastosować w przypadku kabli robota współpracującego?

Zacznij od arkusza danych kabla. Jeśli testowana wartość nie jest dostępna, wiele zespołów stosuje średnicę kabla od 7x do 10x jako konserwatywny zakres roboczy dla ruchomego kabla. Ciasne nadgarstki robota często wymagają niestandardowego prowadzenia, ponieważ wszystko poniżej tego progu przyspiesza zmęczenie pasma.

Kiedy potrzebujemy kabla odpornego na skręcanie zamiast kabla z prowadnikiem kablowym?

Jeśli ścieżka kablowa wielokrotnie się skręca, zwłaszcza powyżej plus minus 90 stopni na metr, poproś o konstrukcję odporną na skręcanie. Oceny łańcuchów przeciąganych opisują głównie powtarzające się zginanie w jednej płaszczyźnie. Nadgarstki robotów i zestawy ubrań często wymagają jednoczesnego sprawdzenia obu testów.

Które złącza są najlepsze dla oprzyrządowania cobota i gałęzi czujników?

M8 i M12 są powszechne, ponieważ są kompaktowe i dostępne w wersjach z uszczelnieniem do IP67 lub wyższym, ale prawidłowa odpowiedź zależy od prądu, liczby cykli i zajmowanej przestrzeni. W przypadku programów EOAT charakteryzujących się dużą zmianą, parametry cyklu łączenia i odciążenie są tak samo ważne, jak rozmiar styku.

Co należy uwzględnić w zapytaniu ofertowym okablowania cobota?

Uwzględnij co najmniej rysunki, układ pinów, model robota, model EOAT, ścieżkę kabla, prąd i napięcie, oczekiwaną liczbę cykli, środowisko, preferencje złącza i wymagane testy. Jeśli celem jest program produkcyjny, dodaj zatwierdzone zamienniki, roczną wielkość i strategię wymiany konserwacyjnej.