协作机器人(cobots)通过人类操作员的判断和灵活性,为工业机器人提供了强度、一致性和可靠性。协同机器人越来越多地应用于大型生产应用程序中,这些应用程序涉及连续的起重作业,但仍然需要人工操作。虽然合作机器人已经使用了至少10年,但其应用一直受到控制运动的传动系统的限制。
最近,一家法国合作机器人制造商开发了一种解决方案,使用滚珠丝杠和电缆驱动器代替齿轮,提高了合作机器人的效率和安全性。“在研究协作机器人的应用时,我看到自动化总体上正在取得巨大进步,但许多手工工作——比如打磨——在30年左右的时间里都没有发展。这让我对开发一种技术产生了兴趣,这种技术可以辅助而不是取代从人类参与中受益的功能,”合作机器人生产商ISYBOT的首席执行官伊万·m·米森(Yvan M. Measson)说。
ISYBOT合作机器人针对的是难以自动化的应用程序。协同机器人在许多方面增强了人类的性能,例如消除疲劳、增加起重力量、提高精度或提高产品质量。此外,使用合作机器人恢复了手工吸引力,使工人成为“合作机器人飞行员”。
例如,制造一辆客运列车的最后生产步骤可能需要操作人员在车体表面移动旋转磨砂机,直到摸上去感觉完成为止。在cobot的帮助下,操作人员仍然可以在船体表面上引导打磨工具,但却是由cobot手臂来完成繁重的提升工作。(图1)合作机器人还可以学习操作员所走的路径,根据操作员认为必要的次数重复这条路径。
合作机器人提高生产力和人体工程学的其他方法可能包括协助在装配线上挑选和放置零件,协助简单的批处理操作,或任何繁重的搬运工作。合作机器人可以与人类一起工作,也可以自主工作,提高工作效率。(图2)。让合作机器人完成最繁琐的工作,减少了操作员肌肉骨骼系统的压力,同时使他们可以专注于质量控制。这提高了操作员的作用,有助于减少人员流动。
协同机器人通常用于那些工人经常需要手工处理重达77磅或以上的负载的行业。这些包括航空、汽车、农业、海军、铁路、国防或制造设施。在工作人员可能暴露在危险条件下的地方,如核电站或环境受损地区,协同机器人也很有价值,在这些地方,协同机器人可以帮助完成工作中最危险的部分。
在研究这个市场的过程中,M. Measson发现还有几家公司正在进入,但他认为这些公司的解决方案效率低下,而且有潜在的危险。他总结道,问题在于用于将电能转化为可控运动的传动装置组件。
“齿轮有很高的摩擦比,并增加动能,当释放时,可能是危险的。在交互使用的情况下,它们也往往是相当低效的,”M. Measson说。“通过用更高效的滚珠丝杠替换齿轮,我们大大增强了人体的力量,并能安全、持续、高效地运动。”
M. Measson解释说滚珠丝杠以最小的摩擦提供高强度。他的合作机器人将94%的电机扭矩转化为运动。仅用电流,它们就可以控制砂光作业的力量,或者处理需要复杂齿轮组件和传感器的负载。除了更大的空间和节能,低摩擦特性使滚珠丝杠几乎无需维护,更容易控制。
他说,滚珠丝杠的惯性比齿轮小得多,这与上面提到的可控性结合在一起,具有巨大的安全隐患。与通常被关在笼子里的机器人不同,合作机器人与人类携手工作;它们必须能够立即停止与人类的任何偶然接触。因为齿轮在其复杂的组件中有被压抑的动能,在简单接触时突然停止是困难的。
M. Measson和他的团队得出结论,使用滚珠丝杠将使一个高效和有竞争力的合作机器人成为可能,他们研究了供应商,发现汤姆森工业公司可以为他的应用程序提供解决方案。
“负载能力是区分合作机器人的关键。滚珠丝杠能够处理比齿轮更高的负载,这些滚珠丝杠具有我们评估的最高负载能力。我们也喜欢他们在两个领先的情况下到达那里,”M.米森说。
汤姆森团队提供了三个12 × 10滚动滚珠丝杠和一个标准螺母。(图3)。更高的容量来自于基于两个引线和四个负载匝的螺母设计,这使得非常紧凑的组件具有很高的负载比。此外,工程师在设计滚珠丝杠时,至少从两方面利用了滚珠丝杠的低摩擦能力。
首先,滚珠丝杠制造商通常会预紧螺母和丝杠以减少摩擦力,但在不预紧的情况下,可减少摩擦力,从而减少预紧带来的摩擦。为了进一步减少摩擦,滚珠丝杠制造商可能会添加雨刷来保护屏障免受污染,这种新设计在没有雨刷的情况下可以抵抗污染。没有预压或雨刷,新的滚珠丝杠提供了合作机器人手臂所需的平稳运动。
此外,每个指定的滚珠丝杠的惯性比分别为10802.63 lbf/in2, 10458.42 lbf/in2和6724.79 lbf/in2,新的滚珠丝杠具有行业中最低的惯性比,提供的是齿轮传动系统在处理类似负载时产生的一小部分。
M. Measson在生产线上使用了许多合作机器人,所有这些机器人都使用了新技术来提供低惯性、低摩擦和高容量的运动。对他来说,最重要的是,他不仅让这个人参与到这个过程中,而且还让他们的工作变得更容易。
“当工人们第一次看到合作机器人时,他们想知道自己的工作将如何发展。但用了一段时间后,他们就变成了粉丝。这非常令人欣慰。”
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