Hướng dẫn đi dây Cobot: 9 quy tắc thiết kế cho chuyển động đáng tin cậy

Một OEM đóng gói đã triển khai 62 rô-bốt hợp tác trên ba dây chuyền, sau đó mất 11 ca làm việc ngoài kế hoạch trong quý đầu tiên vì dây đai cổ tay liên tục bị hỏng gần mặt bích dụng cụ. Nguyên nhân sâu xa không phải là thương hiệu cobot. Đó là một gói đi dây được xây dựng giống như đi dây máy tĩnh: các dây dẫn nguồn và I/O hỗn hợp trong một bó, không có vòng lặp dịch vụ được kiểm soát và bán kính uốn cong giảm xuống dưới 7 lần đường kính cáp mỗi khi cánh tay đưa vào thùng carton. Bộ cáp thay thế có giá chưa tới 1% cell. Thời gian ngừng hoạt động tốn kém hơn toàn bộ robot.

Nhà tích hợp thứ hai đã sử dụng một cách tiếp cận khác trên một ô chọn và đặt tương tự. Chúng phân chia nguồn điện servo, phản hồi bộ mã hóa và mạch cảm biến điện áp thấp; kết hợp áo khoác với chất tẩy rửa; và xác nhận mức lấp đầy của nhà cung cấp dịch vụ ở mức dưới 60%. Tế bào đó đã vượt qua 3 triệu chu kỳ trước khi thay đổi cáp theo kế hoạch đầu tiên. Bài học rất đơn giản: hệ thống dây điện của cobot sớm bị lỗi khi các nhóm coi chuyển động, tấm chắn và bảo trì là các chi tiết tại xưởng thay vì đầu vào thiết kế.

Hướng dẫn này được viết cho người mua và kỹ sư tìm nguồn cung ứng cụm cáp tùy chỉnh, bộ dây bên trong cánh tay robot, cáp xích kéo và cáp động cơ servo dành cho robot cộng tác, [industrial-robots] cánh tay robot](/applications/industrial-robot-arms) và hệ thống AGV/AMR. Nó tập trung vào các quyết định đi dây ảnh hưởng trực tiếp nhất đến thời gian hoạt động, khả năng bảo trì và chất lượng sản xuất lặp lại.

Tại sao hệ thống dây điện của cobot lại hỏng sớm hơn dự kiến của các đội

Robot cộng tác trông nhẹ nhàng về mặt cơ học vì tải trọng thấp hơn và tốc độ thường thấp hơn tốc độ của các cánh tay công nghiệp lớn. Tuy nhiên, về mặt điện và cơ khí, hệ thống cáp vẫn động. Dây nịt bị uốn cong liên tục, thỉnh thoảng bị xoắn, thay đổi công cụ do người vận hành điều khiển, làm sạch cáp và sửa đổi phía tủ trong quá trình vận hành. Hầu hết các hư hỏng ban đầu đều xuất phát từ sự thỏa hiệp nhỏ: đầu nối treo không được hỗ trợ cho 120 mm, tấm chắn được buộc bằng bím tóc thay vì đầu cuối 360 độ, cáp có độ uốn cao được đặt trong một đường dẫn thực sự cần định mức xoắn hoặc dây dẫn cảm biến M8 được định tuyến bên cạnh nguồn điện động cơ bên trong cùng một sóng mang. Không có lỗi nào trong số này có vẻ nghiêm trọng vào ngày đầu tiên. Chúng cùng nhau tạo ra các lỗi không liên tục vào tháng thứ 3.

Nếu bộ cáp cobot phải tồn tại từ 3 đến 5 triệu chu kỳ chuyển động thì khả năng giảm sức căng, bán kính uốn cong và điểm cuối của tấm chắn phải được xác định trước nguyên mẫu 2 chứ không phải sau FAT.

— Hommer Zhao, Người sáng lập, Robotics Cable Assembly

Quy tắc 1: Lập bản đồ chuyển động, bán kính uốn cong và vòng lặp dịch vụ trước

Thiết kế nối dây chính xác bắt đầu bằng hình học chuyển động chứ không phải các trang danh mục đầu nối. Đo đường đi thực qua từng tư thế của robot chứ không phải khoảng cách tĩnh ngắn nhất giữa các điểm cuối. Trên cobot, điểm căng thẳng tồi tệ nhất thường là quá trình chuyển đổi phía công cụ, trong đó bộ dây nịt rời khỏi phần đúc cánh tay nhỏ gọn và đi vào giá đỡ EOAT. Quá trình chuyển đổi đó cần có đủ độ dài tự do để hấp thụ chuyển động, nhưng không quá chùng đến mức dây cáp bị cọ xát hoặc cọ xát. Trong thực tế, các đội nên xác định bán kính uốn cong lắp đặt tối thiểu từ 7x đến 10x đường kính cáp để di chuyển cáp robot trừ khi bảng dữ liệu cáp đã chọn đưa ra giá trị được thử nghiệm khác. Nếu cánh tay quay qua các trục hỗn hợp, hãy kiểm tra cả độ uốn và độ xoắn thay vì cho rằng số xích kéo bao trùm mọi thứ.

1. Ghi lại các tư thế về nhà, vươn người, phục hồi và duy trì trước khi đóng băng chiều dài dây nịt.
2. Đo bán kính uốn cong được lắp đặt nhỏ nhất ở mỗi đầu kẹp, thanh dẫn hướng và đầu nối.
3. Chỉ dự trữ vòng lặp dịch vụ khi chuyển động cần đến nó; sự chùng không được kiểm soát sẽ tạo ra điểm hao mòn của chính nó.
4. Ghi lại khoảng cách kẹp, phương pháp buộc và chiều dài treo tự do cho phép vào gói bản vẽ.

Quy tắc 2: Tách biệt các đường dẫn nguồn, phản hồi và liên lạc

Nhiều vấn đề về cobot trông giống như lỗi phần mềm là do lỗi phân tách hệ thống dây điện. Công suất động cơ, dây phanh, cặp bộ mã hóa, Ethernet và I/O cảm biến 24 V không thuộc cùng một gói không được kiểm soát. Các cạnh chuyển mạch servo và quá độ phanh có thể tạo ra đủ tiếng ồn để làm hỏng phản hồi cấp thấp hoặc các gói Ethernet công nghiệp, đặc biệt là khi một cánh tay nhỏ gọn để lại ít khoảng cách vật lý. Sử dụng định tuyến được phân vùng bất cứ khi nào có thể: cấp nguồn ở một vùng, phản hồi và liên lạc ở một vùng khác và cảm biến mức độ thấp ở một vùng thứ ba. Khi định tuyến phải chia sẻ sóng mang, hãy sử dụng các bộ chia và giữ các mạch tín hiệu xoắn đôi tránh xa các dây dẫn có dòng điện cao.

Quy tắc 3: Chọn kết cấu cáp cho đường chuyển động thực tế

Không phải mọi cáp di chuyển trên cobot đều có cấu trúc giống nhau. Định tuyến cánh tay bên trong thường cần dây nịt nhỏ gọn, chịu xoắn. Hành trình ngang bên ngoài có thể được phục vụ tốt hơn bằng cáp xích kéo. Các bộ truyền động phía công cụ thường kết hợp nguồn và tín hiệu trong một cụm cáp đúc, trong khi tủ cơ sở có thể cần chuyển đổi rõ ràng hơn sang dây điện của tủ điều khiển. Nhóm mua sắm tiết kiệm thời gian khi họ ngừng yêu cầu một loại cáp phổ quát mà thay vào đó xác định vùng chuyển động cho từng nhánh. Một sợi cáp tồn tại được sau 10 triệu chu kỳ xích kéo vẫn có thể bị hỏng nhanh chóng trong chuyển động uốn và xoắn kết hợp bên trong cổ tay robot.

Quy tắc 4: Bảo vệ các đầu nối và giảm sức căng như các vật dụng bị mòn

Lỗi kết nối trong robot cộng tác thường là lỗi cơ khí trước tiên và thứ hai là điện. Đầu nối hình tròn M8, M12 hoặc tùy chỉnh có thể đáp ứng đúng mục tiêu IP và dòng điện, sau đó vẫn bị lỗi do dây nịt không hỗ trợ vỏ sau. Sử dụng tấm ốp lưng, khung khởi động hoặc giá đỡ kẹp để đầu cuối tiếp điểm không chịu toàn bộ tải trọng chuyển động. Đối với bộ thay dao và mô-đun cuối cánh tay, hãy xác định kiểm tra độ giữ bao gồm lực chèn, lực cản kéo và góc thoát cáp sau khi lắp ráp lần cuối. Khi ứng dụng liên quan đến việc thay đổi công cụ lặp đi lặp lại, hãy đếm chu kỳ tiếp xúc trong quá trình xem xét thiết kế. Đầu nối được xếp hạng cho 100 chu kỳ không phải là sự lựa chọn thân thiện với việc bảo trì trong một ô thay đổi dụng cụ kẹp hàng tuần.

Quy tắc 5: Tấm chắn đất cho tín hiệu bạn thực sự mang theo

Che chắn không phải là một nâng cấp trang trí. Nó chỉ hoạt động khi điểm kết thúc khớp với mạch. Các tấm chắn cáp nguồn servo thường cần nối đất 360 độ trở kháng thấp ở cả hai đầu để ngăn nhiễu chuyển mạch tần số cao. Bộ mã hóa và một số tấm chắn dữ liệu có thể cần nối đất một đầu tùy theo thiết kế ổ đĩa hoặc mạng. Vấn đề là phải tuân theo chức năng điện chứ không phải là một quy tắc đơn giản hóa quá mức. Các nhóm nên điều chỉnh hoạt động thực hành của mình cho phù hợp với yêu cầu của nhà sản xuất thiết bị và nguyên tắc kiểm soát rộng hơn có trong các tiêu chuẩn của Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế, sau đó ghi lại kế hoạch bảo vệ đó vào gói xây dựng. Nếu việc xử lý tấm chắn được giao cho người lắp ráp trên băng ghế dự bị thì sự thay đổi tại hiện trường sẽ được đảm bảo.

Chúng tôi hiếm khi gặp sự cố tại hiện trường do lỗi nối dây nghiêm trọng. Chúng tôi thấy ba sự thỏa hiệp nhỏ chồng lên nhau cho đến khi tín hiệu 24 V giảm xuống dưới ngưỡng ở đúng điểm sai trong chu trình của rô-bốt.

— Hommer Zhao, Người sáng lập, Robotics Cable Assembly

Quy tắc 6: Kết hợp áo khoác, niêm phong và chất mang với môi trường

Phòng thí nghiệm điện tử sạch, đế AMR trong kho và dây chuyền cobot chế biến thực phẩm không cần cùng một vỏ cáp. PUR thường là mặc định tốt nhất cho khả năng chống mài mòn và dầu. TPE có thể mạnh hơn khi uốn cong nhiều lần khi thay đổi nhiệt độ. Silicone xử lý nhiệt nhưng dễ rách hơn. PVC có thể được chấp nhận bên trong tủ được bảo vệ nhưng thường là động thái kinh tế sai lầm trên cánh tay năng động. Logic tương tự cũng áp dụng cho việc bịt kín đầu vào: nếu mục đích sử dụng cuối cùng dự kiến ​​sẽ bị trôi đi, hãy xác định việc bịt kín đầu nối và hình học ép khuôn xung quanh mức phơi sáng thực thay vì sử dụng xác nhận quyền sở hữu trí tuệ được sao chép từ danh mục. Các điểm tham chiếu như mã IP, Chỉ thị RoHS và ISO 9001 không thay thế việc kiểm tra nhưng giúp bộ phận thu mua đặt câu hỏi phù hợp trước khi phát hành.

Quy tắc 7: Thiết kế bảo trì dây nịt

Gói nối dây chỉ sẵn sàng sản xuất khi kỹ thuật viên bảo trì có thể xác định, kiểm tra và thay thế nó mà không cần phỏng đoán. Điều đó có nghĩa là các nhánh được dán nhãn, các điểm ngắt kết nối có thể truy cập được và gói bản vẽ phù hợp với dây nịt được vận chuyển. Nó cũng có nghĩa là phải thực tế về khoảng thời gian bảo dưỡng. Nếu robot sẽ chạy hai ca, năm ngày một tuần và dây đeo cổ tay được coi là vật tư tiêu hao trong 24 tháng, hãy chỉ định logic thay thế đó ngay từ đầu. Các cuộc thảo luận về khả năng tốt nhất không phải là làm cho cáp không thể thay thế được; họ quan tâm đến việc thực hiện việc thay thế được kiểm soát, nhanh chóng và tránh sai sót.

• Dán nhãn cho cả hai đầu và mỗi nhánh bằng mã định danh được kiểm soát sửa đổi.
• Giữ các đầu nối có thể thay thế tại hiện trường ở vị trí có thể tiếp cận được mà không cần tháo rời toàn bộ cánh tay.
• Sử dụng khóa không đối xứng hoặc mã màu ở những nơi có nguy cơ nhầm lẫn cao.
• Ghi lại mã số phụ tùng thay thế cho bộ cáp đầy đủ và cho các nhánh có độ mòn cao.
• Thêm tiêu chí kiểm tra độ mòn của vỏ ngoài, độ lỏng kẹp và độ hở của đầu nối.

Quy tắc 8: Kiểm tra nguyên mẫu giống như bộ cáp sản xuất

Kiểm tra tính liên tục tại băng ghế dự bị là không đủ. Bộ cáp nguyên mẫu phải được xác nhận trong đường chuyển động thực tế với tải trọng thực, cấu hình tăng tốc và quy trình vệ sinh. Xác nhận về điện phải bao gồm tính liên tục, điện trở cách điện và khi có liên quan, kiểm tra tính toàn vẹn tín hiệu hoặc mất gói. Xác nhận cơ học phải bao gồm các thử nghiệm kéo trên các đầu nối quan trọng, quan sát hành trình của sóng mang và kiểm tra sau chu kỳ tại các kẹp và đầu nối. Khi chương trình có khối lượng lớn, hãy sử dụng giai đoạn nguyên mẫu để xác định tiêu chí chấp nhận cho sản xuất chứ không chỉ để chứng minh rằng một mẫu được tạo thủ công có thể di chuyển được một lần.

Quy tắc 9: Đóng băng các lựa chọn thay thế và tài liệu trước khi mở rộng quy mô

Quy mô phơi bày mọi giả định không có giấy tờ. Bản dựng thử nghiệm có thể tồn tại với một lô đầu nối, một kỹ thuật viên lành nghề và một thủ thuật định tuyến được ghi nhớ. Sản xuất khối lượng cần kiểm soát sửa đổi. Đóng băng các giải pháp thay thế đã được phê duyệt dành cho họ dây, đầu nối, vòng đệm, nhãn và khuôn đúc sẵn. Buộc chúng vào cùng một kế hoạch kiểm tra điện và cơ được sử dụng cho cấu hình chính. Điều này đặc biệt quan trọng đối với giải pháp đầu nối tùy chỉnh, bộ dây kết hợp và bất kỳ nhánh nào đi vào đầu công cụ nhỏ gọn. Nếu các lựa chọn thay thế được đưa ra sau khi phát hành, chúng sẽ kích hoạt việc xem xét chứ không phải ngẫu hứng.

Một nhà cung cấp cáp có thể bảo vệ chuyển động hoặc phá hủy nó. Khi mức lấp đầy vượt quá khoảng 60%, áp suất thành bên, nhiệt và các điểm giao nhau sẽ tăng nhanh và lỗi đầu tiên thường xuất hiện ở cáp tín hiệu nhỏ nhất.

— Hommer Zhao, Người sáng lập, Robotics Cable Assembly

Danh sách kiểm tra của người mua trước khi phát hành RFQ

1. Xác định mọi vùng chuyển động: tủ tĩnh, xích kéo bên ngoài, tay đòn bên trong và phần uốn cong phía dụng cụ.
2. Liệt kê các yêu cầu về dòng điện, điện áp, tốc độ dữ liệu và che chắn cho từng nhóm mạch.
3. Nêu rõ bán kính uốn cong tối thiểu, góc xoắn dự kiến và vòng đời mục tiêu.
4. Chỉ định mức độ tiếp xúc với môi trường: dầu, chất làm mát, chất khử trùng, tia cực tím, vết hàn hoặc nước rửa trôi.
5. Đưa ra những kỳ vọng về chu kỳ giao phối của đầu nối và phương pháp giảm căng thẳng cần thiết.
6. Xác định những thay thế được phê duyệt và ai có thể ủy quyền thay thế.
7. Yêu cầu phạm vi kiểm tra điện cộng với bất kỳ kiểm tra kéo, kiểm tra linh hoạt hoặc xác thực mất gói nào.
8. Gắn bản sửa đổi dây nịt với mô hình robot, bản sửa đổi EOAT và bộ tài liệu bảo trì.

Câu hỏi thường gặp

Bộ cáp cobot có tuổi thọ bao lâu?

Không có con số phổ quát trung thực, nhưng các nhánh cobot động thường được chỉ định khoảng 1 triệu đến 5 triệu chu kỳ tùy thuộc vào bán kính uốn cong, độ xoắn, tốc độ và môi trường. Nếu nhà cung cấp không thể gắn tuyên bố về tuổi thọ với điều kiện thử nghiệm thì đó là tiếp thị chứ không phải kỹ thuật.

Dây nguồn và dây mã hóa có thể dùng chung một đường truyền cáp không?

Có, nhưng chỉ với sự phân tách có kiểm soát. Sử dụng dải phân cách, duy trì khoảng cách và xác thực các yêu cầu cụ thể về ổ đĩa và bộ mã hóa. Trong các ô nhỏ gọn, khoảng cách 50 mm hoặc làn đường được chia có thể tạo ra sự khác biệt giữa phản hồi ổn định và lỗi gián đoạn.

Bán kính uốn cong nào chúng ta nên sử dụng cho cáp robot cộng tác?

Bắt đầu với bảng dữ liệu cáp. Nếu không có giá trị được kiểm tra, nhiều nhóm sử dụng đường kính cáp từ 7x đến 10x làm phạm vi hoạt động thận trọng để di chuyển cáp. Cổ tay robot bị bó chặt thường cần định tuyến tùy chỉnh vì bất cứ điều gì dưới ngưỡng đó sẽ làm tăng độ mỏi của dây.

Khi nào chúng ta cần cáp chịu xoắn thay vì cáp xích kéo?

Nếu đường cáp bị xoắn nhiều lần, đặc biệt là vượt quá cộng hoặc trừ 90 độ trên một mét, hãy yêu cầu kết cấu chịu xoắn. Xếp hạng xích kéo chủ yếu mô tả sự uốn cong lặp đi lặp lại trên một mặt phẳng. Cổ tay robot và gói trang phục thường cần phải xem xét cả hai bài kiểm tra cùng nhau.

Những đầu nối nào phù hợp nhất cho ngành công cụ cobot và cảm biến?

M8 và M12 phổ biến vì chúng nhỏ gọn và có sẵn các biến thể kín lên đến IP67 hoặc cao hơn, nhưng câu trả lời chính xác phụ thuộc vào dòng điện, số chu kỳ và yêu cầu về không gian. Đối với các chương trình EOAT có sự thay đổi cao, xếp hạng chu kỳ giao phối và giảm căng thẳng cũng quan trọng như kích thước tiếp xúc.

RFQ nối dây cobot cần có những gì?

Tối thiểu bao gồm các bản vẽ, sơ đồ chân, mô hình robot, mô hình EOAT, đường cáp, dòng điện và điện áp, số chu kỳ dự kiến, môi trường, ưu tiên đầu nối và các thử nghiệm bắt buộc. Nếu mục tiêu là một chương trình sản xuất, hãy bổ sung các giải pháp thay thế đã được phê duyệt, khối lượng hàng năm và chiến lược thay thế bảo trì.