В гонке за создание более быстрых, более энергоэффективных промышленных роботов инженеры отворачиваются от традиционных стальных и алюминиевых рам. Следующее поколение автоматизации требует легких конструкций, которые могут быстро ускоряться, обрабатывать более высокие полезные нагрузки и работать с большей точностью. Этот сдвиг питается волной передовых материалов - композитов из углеродного волокна, арамидных волокон и гибридных ламинатов - которые обеспечивают исключительную прочность без штрафа за вес. Эти материалы не просто постепенные улучшения; они переопределяют то, что роботы могут достичь на заводском этаже.

Почему вес важен в промышленной робототехнике

Каждый килограмм массы рамы накладывает прямую стоимость на производительность. Более тяжелые рамы требуют более крупных двигателей, более сильных приводов и больше энергии для перемещения. Они также ограничивают ускорение и замедление, замедляя время цикла. В таких приложениях, как пик-и-места, сборка и обработка материалов, даже 10%-ное сокращение массы может улучшить пропускную способность на 15-20%. Более легкие рамы также уменьшают нагрузку на суставы и подшипники, расширяя интервалы обслуживания и снижая общую стоимость владения. Толчок к более легким роботам, следовательно, не только о материаловедении - это о практическом повышении производительности и рентабельности.

Помимо скорости, более легкие рамы позволяют создавать более компактные конструкции роботов. Совместные роботы (коботы), которые работают вместе с людьми, получают выгоду от снижения инерции, что делает их более безопасными в случае столкновения. Для роботов с тяжелой нагрузкой каждый килограмм, сбритый с руки, позволяет использовать большую грузоподъемность для реальной работы. Эти каскадные преимущества объясняют, почему материальные инновации стали стратегическим приоритетом для поставщиков автоматизации.

Композиты из углеродного волокна: новый стандарт для высокопроизводительных кадров

Углеродные волокна армированных полимеров (CFRP) стали ведущей альтернативой металлу в легких роботах-рамах. С прочностью к весу примерно в пять раз больше, чем у стали и в два раза больше, чем у алюминия, углеродное волокно позволяет дизайнерам создавать жесткие, виброгасящие структуры, которые значительно легче. В типичном промышленном шестиосевом роботе замена алюминиевого предплечья эквивалентом углеродного волокна может уменьшить массу на 40-50% при сохранении или даже улучшении жесткости.

Производственные достижения усыновление за рулем

Раннее внедрение углеродного волокна в робототехнике было ограничено высокими затратами на материалы и медленными методами изготовления, такими как ручная укладка и автоклавное отверждение. Сегодня автоматизированное размещение волокна (AFP) и формование смолы (RTM) значительно сократили время производства и затраты. Предварительно пропитанные однонаправленные ленты и тканые ткани теперь доступны с согласованными механическими свойствами, подходящими для серийного производства. Производители роботов, такие как FANUC и ABB, начали предлагать углеродное волокно на отдельных моделях, а стартапы, такие как Automata, используют CFRP для создания ультралегких настольных роботов.

Практические соображения

Углеродное волокно не является заменой металлу. Дизайнеры должны учитывать анизотропные свойства - сила варьируется в зависимости от ориентации волокна. Совместные интерфейсы требуют металлических вставок или гибридного соединения, чтобы предотвратить дробление под нагрузками болта. Различия в тепловом расширении между углеродными и металлическими частями могут вызвать проблемы выравнивания в высокоточных приложениях. Несмотря на эти проблемы, повышение производительности достаточно убедительно, чтобы большинство новых платформ роботов включали по крайней мере некоторые компоненты углеродного волокна.

Внешняя ссылка: Композиты Мир: Углеродное волокно в робототехнике

Арамид Фиберс (Кевлар, Номекс) для сопротивления ударам

В то время как углеродное волокно превосходит по жесткости, арамидные волокна, такие как кевлар, приносят уникальную прочность роботизированным рамам. Высокая прочность на растяжение и поглощение энергии кевлара делают его идеальным для компонентов, которые могут испытывать удары или высокие циклические нагрузки, такие как установки на концевом эффекторе, корпуса запястья и защитные плащи. В коллаборативных роботах арамидные армированные конструкции могут выдерживать случайные столкновения без катастрофического сбоя, повышая рейтинги безопасности.

Гибридные ламинаты: сочетание лучших из обоих

Многие современные рамы теперь используют гибридные ламинаты, которые слоистые углеродные волокна с арамидными или стеклянными волокнами. Например, углеродные волокна в подмышечной трубке могут иметь внутренний слой кевлара, чтобы противостоять распространению трещин, в то время как внешние углеродные волокна обеспечивают жесткость изгиба. Эти гибриды используются в роботах для пищевой промышленности и фармацевтики, где химическая стойкость и прочность так же важны, как и экономия веса.

Внешняя ссылка: Приложения промышленной робототехники DuPont Kevlar

Металлические матрицы композиты и магниевые сплавы

Не все легкие материалы являются полимерами. Композиты из металлической матрицы (MMC), такие как алюминий, усиленный частицами карбида кремния, обеспечивают жесткость, сравнимую со сталью, на одну треть веса. Эти материалы уже используются в аэрокосмической промышленности и в настоящее время находят применение в высокоскоростных роботизированных рукавах, где теплопроводность и износостойкость имеют решающее значение. Сплавы магния, хотя и менее распространены, обеспечивают самую низкую плотность структурных металлов - примерно на 35% легче алюминия - и оцениваются для роботов с низкой полезной нагрузкой, где чувствительность к затратам выше.

Аддитивное производство открывает новую свободу дизайна

3D-печать с титановыми, алюминиевыми или полимерными композитами позволяет создавать решетчатые структуры, которые невозможно отлить или изготовить. Компоненты рамы робота могут быть оптимизированы топологически для размещения материала только там, где нагрузки самые высокие, достигая снижения веса на 30-50% по сравнению с обычной обработкой. Такие компании, как Roboze и Markforged, производят непрерывные нейлоновые детали, которые конкурируют с алюминием по прочности, но весят гораздо меньше.

Преимущества инновационных материалов в промышленной автоматизации

  • Сниженная движущаяся масса — напрямую приводит к более высокому ускорению и более короткому времени цикла.Сокращение массы руки на 10 кг может сократить потребление энергии за цикл на 20% и более.
  • Более высокое соотношение полезной нагрузки к весу — Роботы могут нести более тяжелые полезные нагрузки по отношению к своему собственному весу, расширяя возможности применения в пределах того же следа.
  • Меньшее потребление энергии — Более легкие рамы требуют меньших двигателей и приводов, снижая пиковый спрос на электроэнергию и эксплуатационные расходы.
  • Улучшенные динамические характеристики — более жесткие, более легкие рамы уменьшают вибрации и перегрузку, что обеспечивает более высокую точность позиционирования на более высоких скоростях.
  • Коррозионная и усталостная стойкость (FLT:0) Композиты и сплавы, такие как магний, не ржавеют, что делает их пригодными для стирки в пищевых и химических средах.

Проблемы, связанные с усыновлением

Стоимость и масштабируемость

Несмотря на падение цен, препрег из углеродного волокна по-прежнему стоит примерно в 10-20 раз дороже за килограмм, чем сталь. Для производителей роботов большого объема эта премия складывается. Тулинг для композитного формования также дорог, а время цикла длиннее, чем штамповка или литье металла. Точка безубыточности часто приходит только для высокопроизводительных приложений, где повышение производительности компенсирует материальные затраты.

Присоединяйтесь и ремонтируйте

Композиты не могут быть сварены как металлы. Для соединения требуются клеи, механические крепежи с осторожностью или гибридная переформовка. Ремонт поврежденных композитных рам сложнее, чем сварка стальной трещины - расслаивание часто означает, что деталь должна быть полностью заменена. Это повышает затраты на жизненный цикл и требует специализированных сервисных возможностей.

Переработка и устойчивость

Термореактивные композиты трудно перерабатывать, а производство углеродного волокна имеет высокий углеродный след. Хотя перерабатываемость улучшается, многие промышленные покупатели теперь требуют оценки жизненного цикла, прежде чем браться за новые материалы. Сплавы магния, с другой стороны, являются высоко перерабатываемыми и могут быть произведены с более низкими выбросами, чем алюминий.

Внешняя ссылка: IFM Технология Краткое описание: Легкие материалы в робототехнике

Будущий прогноз: к монококу и гибридным рамам

В предстоящем десятилетии, скорее всего, произойдет сближение материалов. Вместо одного «магического» материала производители будут использовать гибридную конструкцию: углеродное волокно для первичных путей нагрузки, арамид для зон удара, металлические матричные композиты для суставов высокой износостойкости и кронштейны из аддитивного производства, оптимизированные для веса. Конструкции монокока (однокомпонентная оболочка), полностью изготовленные из композита, уже появляются в передовых исследовательских прототипах в MIT и Немецком аэрокосмическом центре (DLR).

Интеграция датчиков и умные структуры

Встроенные волоконно-оптические датчики и печатная электроника в композитных рамах могут позволить роботам самоконтроля, которые обнаруживают стресс, усталость или повреждение в режиме реального времени. Этот «структурный мониторинг здоровья» сократит незапланированные простои и позволит прогнозировать техническое обслуживание. Сами проводящие углеродные волокна могут использоваться в качестве тензодатчиков, превращая раму в чувствительный элемент.

Поскольку автоматизация продолжает продвигаться в мелкосерийное производство и логистику, возможность развертывания быстрых, легких роботов станет конкурентным дифференциатором. Компании, которые инвестируют в инновационные каркасные материалы сегодня, будут лучше расположены для удовлетворения потребностей завтрашних умных заводов.

Заключение

Переход от металла к передовым композитам в рамах роботов не является отдаленной перспективой - это происходит сейчас. Углеродное волокно, арамиды, магниевые сплавы и гибридные детали, напечатанные на 3D-принтере, позволяют роботам работать быстрее, эффективнее и точнее, чем когда-либо прежде. В то время как затраты и производственные проблемы остаются, продолжающиеся достижения в области материаловедения и технологии производства неуклонно снижают барьеры. Для инженеров и менеджеров по автоматизации понимание этих материалов больше не является обязательным; это основная компетенция для проектирования следующего поколения промышленной автоматизации.

Внешняя ссылка: Обзор бизнеса в области роботов: Отчет о тенденциях в области легких материалов

Внешняя ссылка: НаукаПрямой: Обзор материалов рамок роботов