Если вы когда-либо проектировали, создавали или вводили в эксплуатацию робота, вы знаете, что даже самое сложное программное обеспечение и передовые датчики надежны настолько, насколько надежны механические детали, которые оживляют машину. Как поставщик механических деталей роботов, я провел тысячи часов, работая с командами робототехники — от студентов-любителей, создающих небольшие автономные транспортные средства, до промышленных производителей, автоматизирующих сборочные линии, — которые говорят мне одно и то же: оптимизация структуры механических частей роботов — это единственный наиболее эффективный (и чаще всего упускаемый из виду) шаг в создании робота, который будет быстрым, точным, долговечным и экономически эффективным. Слишком многие команды сразу же переходят к кодированию или подключению, не задумываясь о том, структурированы ли их части так, чтобы делать именно то, что нужно роботу, ни больше, ни меньше. В этом посте я расскажу о практических, научно обоснованных стратегиях, которые я использовал, чтобы помочь клиентам усовершенствовать структуру их деталей, с реальными примерами из поставляемых нами деталей, чтобы помочь вам избежать распространенных ошибок и построить лучшего робота.
Основа оптимизации механических частей робота начинается с согласования конструкции с целевым назначением. Робот, предназначенный для складских операций по сбору-размещению, предъявляет совершенно другие требования, чем маленький робот для обучения или поисково-спасательных работ, и принуждение к тому, чтобы деталь одного размера соответствовала обоим, — это верный путь к провалу. Давайте возьмем пример робота-манипулятора: промышленному манипулятору для перемещения тяжелых компонентов автомобиля необходима жесткость, чтобы не сгибаться под нагрузкой, а учебному манипулятору для школьных соревнований по робототехнике нужна легкая гибкость, чтобы маневрировать небольшими объектами и выполнять быстрые и маневренные движения. Слишком часто команды используют пластиковую деталь одного размера для обоих только для того, чтобы увидеть, как промышленный манипулятор деформируется под нагрузкой, а учебный манипулятор слишком сильно сгибается, чтобы поразить точные цели. Именно здесь выбор правильного материала и типа детали имеет решающее значение. Для жестких промышленных применений наш робот-манипулятор с ЧПУ (/robot-parts/robot-mechanical-parts/cnc-machine-robot-arm.html) изготавливается из цельной алюминиевой заготовки с прецизионными соединениями, которые равномерно распределяют вес и устраняют изгиб, которым страдают альтернативы, отлитые под давлением. Для более легких задач с высокой подвижностью наш пластиковый корпус робота (/robot-parts/robot-mechanical-parts/ Plastic-robot-shell.html) изготовлен из армированной смеси акрилонитрила, бутадиена и стирола (АБС), которая сочетает в себе легкость и достаточную структурную целостность, чтобы выдерживать повторяющиеся удары, не увеличивая при этом ненужный объем. Ключевым моментом здесь является соответствие структуры детали основной функции робота, а не просто выбор самой доступной или самой популярной детали с полки.
Далее, снижение веса является неоспоримой оптимизацией почти для каждого робота, поскольку лишний вес заставляет все остальные части работать усерднее, сокращая срок службы батареи, замедляя движение и увеличивая износ суставов и приводов. Но «легкий» не означает «слабый» — это означает удаление материала, который не служит определенной цели, сохраняя при этом неповрежденными области, которые подвергаются нагрузке. Что касается шасси, например, цельный металлический блок выдержит больший вес, чем необходимо, и разряжает батарею за несколько часов, в то время как шасси с тщательно спроектированными вырезами и открытыми рамами сокращает массу на 30-40%, не жертвуя при этом грузоподъемностью. Наше алюминиевое шасси робота (/robot-parts/robot-mechanical-parts/aluminium-robot-chassis.html) разработано именно с этой целью: мы фрезеруем некритические области из цельной алюминиевой пластины, создавая жесткую раму, которая легче, чем альтернатива из цельной стали, но достаточно прочна, чтобы выдерживать полезную нагрузку среднего размера в сельскохозяйственных, логистических и небольших промышленных роботах. Мы также работаем с клиентами над добавлением индивидуальных вырезов для проводки, датчиков и точек крепления, чтобы каждый дюйм детали выполнял свою функцию — без лишнего материала, без траты энергии, без ненужной нагрузки на двигатель. Даже более мелкие детали, такие как монтажные кронштейны или корпуса редукторов, могут быть оптимизированы таким образом: вместо цельного блока полая ребристая конструкция повышает прочность мест с высокими нагрузками без увеличения массы, а наша линия металлических деталей роботов из нержавеющей стали (/robot-parts/robot-mechanical-parts/stainless-steel-metal-robot-parts.html) включает специальные и стандартные ребристые кронштейны именно для этой цели, сочетая долговечность с легкостью для таких задач, как уличные роботы или оборудование, подвергающееся воздействию влага.
Одним из наиболее важных (и наиболее неправильно понимаемых) аспектов конструкции детали является распределение напряжений. Даже самый прочный материал выйдет из строя, если напряжение сконцентрировано в одном небольшом участке — представьте себе скрепку: она может сгибаться и изгибаться годами, но если вы сильно зажмете ее в одном маленьком месте, она мгновенно сломается. То же правило применяется к деталям робота, где повторяющиеся напряжения от движения, нагрузки или вибрации могут со временем вызвать трещины, деформацию или полный выход детали из строя. Например, крепление колеса робота, представляющее собой простую плоскую пластину с одним отверстием для оси, будет испытывать большую часть нагрузки на краю этого отверстия, что приведет к появлению трещин в течение нескольких сотен часов использования. Но если мы спроектируем это крепление так, чтобы оно имело закругленный край вокруг отверстия для оси, или добавим небольшую усиливающую косынку на стороне, где прилагается наибольшая сила, мы распределим это напряжение по большей площади, удвоив или утроив срок службы детали без добавления какого-либо значительного веса. Именно здесь инженерная точность имеет огромное значение: когда мы производим детали для наших клиентов по индивидуальному заказу, мы используем программное обеспечение для анализа методом конечных элементов (FEA), чтобы определить, где будет накапливаться напряжение под нагрузкой, а затем корректируем форму детали для равномерного распределения этой силы. Для наших стандартных деталей, таких как кронштейны из нашей линейки аксессуаров для роботов (/robot-parts/robot-mechanical-parts/robot-accessories.html), мы уже провели этот анализ, создав детали, которые протестированы на выдержку более 10 000 циклов движения без сбоев, поэтому клиентам не придется заново изобретать велосипед (каламбур) при создании своих роботов.
Точная подгонка — еще одна ключевая оптимизация, которую часто упускают из виду, особенно для небольших высокоточных роботов. Даже зазор в 0,1 мм между двумя сопрягаемыми деталями (например, шарниром руки робота или шестерней в коробке передач) может привести к нестабильному движению, снижению точности и дополнительному износу с течением времени. Речь идет не только о покупке деталей, изготовленных из высококачественных материалов; речь идет о разработке конструкции детали, которая идеально сочетается с остальной частью системы робота. Например, при производстве роботизированных манипуляторов на станках с ЧПУ мы используем обработку с жесткими допусками (в пределах 0,05 мм) для всех соединительных поверхностей, поэтому каждый сегмент плотно прилегает без заеданий, обеспечивая плавное и точное движение, что критически важно для таких задач, как сортировка мелкой электроники или сборка хрупких компонентов. Для роботов-любителей даже более мелкие детали имеют значение: пластиковая шестерня, отлитая с небольшим конусом, а не с прямым краем, будет лучше сцепляться с противоположной шестерней, уменьшая трение и продлевая срок службы комплекта шестерен на 50% и более. В рамках нашей линии аксессуаров для роботов мы также поставляем прецизионные подшипниковые вкладыши, которые идеально подходят для деталей из алюминия и нержавеющей стали, исключая люфт, который может вызвать раскачивание движущихся частей. Слишком часто команды покупают типовые детали и заставляют их подходить друг к другу, что создает дополнительную нагрузку на детали и приводит к преждевременному выходу из строя — трата времени на проектирование деталей, которые работают друг с другом, а не друг против друга, экономит время и деньги в долгосрочной перспективе.
Долговечность — это окончательная, не подлежащая обсуждению оптимизация, но она не означает создание деталей, способных выдержать ракетный удар, а означает создание деталей, способных противостоять конкретным условиям, с которыми столкнется ваш робот. Робот, который работает на чистом заводе, имеет другие требования к долговечности, чем тот, который работает на грязных строительных площадках, в условиях сильного холода или соленой прибрежной среды. Например, пластиковый корпус робота может отлично храниться на складе, но он быстро треснет при многократном воздействии мусора или экстремальных температурах, что делает деталь из нержавеющей стали лучшим выбором для уличных или промышленных роботов. Наша линия металлических деталей роботов из нержавеющей стали изготовлена из нержавеющей стали марки 304, которая устойчива к ржавчине и коррозии, вызванной влагой, химикатами и солью, что делает ее идеальной для роботов, используемых в сельском хозяйстве, морском судоходстве или на производстве, где детали подвергаются суровым условиям. Для роботов, работающих в холодном климате, алюминиевые детали лучше пластиковых, поскольку они не становятся хрупкими при низких температурах и сохраняют свою прочность даже при температуре -20°C. Мы также тестируем все наши детали в реальных условиях: мы подвергаем наше алюминиевое шасси 1000 часам испытаний на вибрацию, чтобы имитировать грузовую транспортировку на большие расстояния, испытываем пластиковые корпуса на падение с высоты 2 метров, чтобы имитировать падение во время использования, и подвергаем детали из нержавеющей стали воздействию солевого тумана в течение 500 часов, чтобы гарантировать, что они не подвержены коррозии. Это тестирование означает, что нашим клиентам не нужно гадать, выдержат ли их детали, — они могут быть уверены, что покупаемые ими детали оптимизированы для условий, с которыми столкнется их робот.
Поработав с сотнями команд по робототехнике, я могу с уверенностью сказать, что самая большая ошибка, которую люди допускают при оптимизации механических частей робота, — это рассматривать ее как разовый шаг, который вы делаете в начале проекта и забываете. Лучший подход — повторять: тестировать детали вашего робота в реальных рабочих условиях, искать признаки нагрузки, износа или недостаточной производительности и соответствующим образом корректировать структуру детали. Например, если рука вашего робота слишком сильно сгибается при подъеме груза массой 5 кг, вы можете добавить к сегменту руки небольшое ребро жесткости, чтобы добавить жесткости без увеличения веса. Если через несколько месяцев крепления вашего колеса трескаются, вы можете перейти с пластины с одним отверстием на конструкцию с двойной косынкой, чтобы лучше распределить нагрузку. Многие из наших самых продаваемых деталей начинались как индивидуальные запросы от клиентов, которые заметили проблему и работали с нами над доработкой структуры. Именно этот совместный процесс делает нашу линию запчастей такой эффективной, потому что мы не просто продаем детали; мы помогаем командам решать реальные проблемы.
В конце концов, оптимизация механических частей робота — это баланс: баланс между прочностью и весом, между точностью и долговечностью, между индивидуальными потребностями и экономической эффективностью. Каждая часть вашего робота — от шасси до руки и небольших монтажных кронштейнов — играет роль в том, насколько хорошо работает вся машина, и время, потраченное на правильную настройку этой конструкции, будет иметь значение между роботом, который работает несколько месяцев, и роботом, который работает годами.
Если вы готовы уточнить структуру детали для своего следующего проекта робота, наша команда всегда готова вам помочь. Мы поставляем полный спектр стандартных и нестандартных механических деталей робота, включая манипулятор робота с ЧПУ (/robot-parts/robot-mechanical-parts/cnc-machine-robot-arm.html), алюминиевое шасси робота (/robot-parts/robot-mechanical-parts/aluminium-robot-chassis.html), пластиковый корпус робота (/robot-parts/robot-mechanical-parts/ Plastic-robot-shell.html), нержавеющую сталь. Металлические детали робота (/robot-parts/robot-mechanical-parts/stainless-steel-metal-robot-parts.html) и все аксессуары, необходимые для завершения сборки (/robot-parts/robot-mechanical-parts/robot-accessories.html). Свяжитесь с нашей командой, чтобы обсудить требования вашего проекта, получить индивидуальное предложение или узнать больше о том, как наши детали могут помочь вам оптимизировать производительность вашего робота.
Ссылки
- Американское общество инженеров-механиков. (2018). Руководство по проектированию для производства и сборки (DFMA) для робототехнических систем. АСМЭ Пресс.
- Гибсон И., Розен Д.В. и Стакер Б. (2021). Технологии аддитивного производства: 3D-печать, быстрое прототипирование и прямое цифровое производство (3-е изд.). Спрингер.
- Герцберг Дж. и Вагнер Р. (2020). Структурная оптимизация шасси мобильного робота по весу и жесткости. Журнал робототехники и мехатроники, 32 (4), 789-801.
- Международная организация по стандартизации. (2019). ISO 10303-238: Системы промышленной автоматизации и интеграция. Представление и обмен данными о продукции (AP 238: Мехатронное проектирование). ИСО.
- Ким С. и Парк Х. (2019). Анализ распределения напряжений для компонентов прецизионных соединений роботов. Международный журнал передовых производственных технологий, 102 (9), 3125-3136.
