Най-често срещаните начини за изработка на компоненти на роботизирана ръка са CNC обработка, DMLS, шприцване, леене под налягане, леене по инвестиционни модели и коване. За материали за роботика ще видите най-вече метали като неръждаема стомана и титан, пластмаси и композити. Изборът на правилната комбинация от компоненти на роботизираната ръка се свежда до здравина, тегло, цена и издръжливост. Роботизираната ръка за тежка автоматизация се нуждае от различни компоненти за роботизирана ръка от тази за прецизен монтаж. Това ръководство обхваща материали, методи на производство, фактори за подбор и предизвикателства в реалния свят. Ще научите как всеки избор оформя роботизираните системи за автоматизация, от основата на робота до крайния ефектор. Всяко решение относно компонентите на роботизираната ръка е от значение за производителността.
Материали за компоненти на роботизирана ръка
Често срещани материали в роботиката: пластмаси, метали, композити
Често срещаните материали за роботиката се разделят на три групи: пластмаси, метали и композити. Всяка група има много различни видове материали. Избраният от вас вид влияе върху здравината, теглото и цената. Компонентите на роботизираната ръка включват стави, задвижващи механизми, сензори, крайни ефектори и структурни корпуси. Всеки от тези компоненти на роботизираната ръка се нуждае от собствен вид материал.
Инженерни пластмаси
Инженерните пластмаси се използват за капаци, корпуси на сензори и лекотоварни крайни ефекти. Те са здрави и лесни за формоване и струват по-малко от повечето други инженерни материали.
Метали: Неръждаема стомана и титан
Металите поемат тежките товари в роботиката. Неръждаемата стомана осигурява висока якост и добра устойчивост на ръжда. Титанът е по-лек и по-здрав за теглото си. Той също така е устойчив на ръжда. Тези два вида метали се използват в задвижващи механизми, задвижващи валове и корпуси на шарнири. Други сплави също са важни. Таблицата по-долу показва как се сравняват няколко често срещани метала в роботиката.
| Обозначение на материала | Плътност (g / cm³) | Якост на добив (MPa) | Основно роботизирано приложение |
| Алуминий Al7075-T6 | 2.81 | 503 | Структурни скоби с високо напрежение, крепежни елементи за рамена |
| AZ91D Магнезий | 1.81 | 150 | Леки връзки на роботно рамо, корпусни панели |
| AISI 4140 Стомана | 7.85 | 655 | Тежкотоварни карданови валове, планетарни зъбни колела |
За високопрецизни задвижващи механизми често се използват още две сплави. AlSi10Mg се печата добре и предлага балансирани свойства. A6061 осигурява много високо съотношение якост-тегло и се обработва лесно машинно.
| Сплав | Основни силни страни | Типични предпочитания в роботиката |
| AlSi10Mg | Отлична печатаемост, добри общи свойства, висока топлопроводимост, устойчивост на корозия, добра якост на умора | Предпочита се, когато печатаемостта и балансираните свойства са от решаващо значение |
| A6061 | Много високо съотношение якост-тегло (повишава се чрез термична обработка), добра обработваемост, отлична устойчивост на корозия, добра якост на умора | Избира се, когато максималната здравина е решаващият фактор |
Композити: Полимери, подсилени с въглеродни влакна
Полимерът, подсилен с въглеродни влакна (CFRP), съчетава висока твърдост в лек корпус. Действа различно от металите. Свойствата му зависят от посоката на влакната. Тази характеристика се нарича анизотропия. Ето как CFRP се сравнява с алуминий 6061.
| Имот | Карбоново-влакнест композит (CFRP) | Алуминий 6061 |
| Плътност | ~1.5–1.7 g/cm³ | ~2.70 g/cm³ |
| Еластичен модул | Зависим от посоката | ~69 GPa |
| Издръжливост на опън | Зависим от посоката | ~300 MPa (представително) |
| Термично разширение | Зависим от посоката, често ниско по дължина на влакното | ~23 ppm/K |
| Материално поведение | Анизотропна | Приблизително изотропно |
| Корозионно поведение | Като цяло отличен за самия CFRP | Добро, но може да се изисква защита на повърхността |
Изследване, публикувано в IEEE Access, е специално изследвало хибридни структури на роботизирани ръце, използващи пластмаса, подсилена с въглеродни влакна, и алуминиева сплав. Изследователите са докладвали за валидиран прототип с 24.32% намаление на масата в сравнение с референтния дизайн от алуминиева сплав.
Свойства и приложения
Якост, тегло и устойчивост на корозия
Съотношението здравина/тегло е определящо за повечето избори на материали. По-лекото рамо се движи по-бързо и изисква по-малко енергия. Устойчивостта на корозия е от значение във влажна или химическа среда. Неръждаемата стомана и титанът са устойчиви на корозия. Алуминият се нуждае от повърхностна защита в някои среди. CFRP сам по себе си е устойчив на корозия.
Къде се вписва всеки материал в компонентите на роботизираната ръка
Металите се използват там, където натоварванията са високи. Помислете за скоростни кутии, задвижващи валове и корпуси на шарнири. Пластмасите пасват на капаци, кабелни водачи и скоби за осветление. Композитните изделия блестят при дълги рамена и структурни тръби. Хибридният дизайн често печели. Едно проучване установи, че композитите от въглеродни влакна са с 42% по-леки от алуминия и три пъти по-леки от стоманата. Това ги прави най-добрият избор и за двата материала при конструкции, чието тегло е критично. Отчетените предимства включват:
- 42% по-лек от алуминий
- Твърдостта е увеличена с 30%
- По-голяма товароносимост на компонентите на роботизираната ръка
- По-висока работна скорост на компонентите на роботизираното рамо
- Повишена издръжливост/по-дълъг живот
Ограничения на всяка категория материали
Цена, обработваемост и фактори на околната среда
Титанът е по-скъп от стоманата и се обработва бавно. CFRP изисква специална инструментална екипировка и внимателно нанасяне. Пластмасите са евтини и се формоват бързо. Те омекват при по-ниски температури. Металите в роботиката понасят топлината много по-добре. Рециклирането също е различно. Металите се рециклират чисто. Много композитни материали не го правят.
Кога да избягвате пластмаси или композити
Пропуснете пластмасите за съединения с високо натоварване или горещи среди. Те пълзят под постоянно напрежение. Избягвайте композитите, когато се нуждаете от изотропно поведение или нискобюджетно масово производство. Те също така се борят с абразивно износване. За робот в шлайфане или металообработване, металните компоненти на роботизираната ръка обикновено издържат по-дълго. За медицински робот или робот за чисти помещения, гладките пластмасови корпуси може да са по-добрият избор.
Производствени процеси за компоненти на роботизирана ръка
CNC обработката и DMLS са основните методи за метални части. За пластмасите, шприцването е често срещано. Трансмисионните елементи, като скоростните кутии, почти винаги се получават чрез CNC обработка. Избраният от вас процес определя крайната цена, здравината и прецизността. Всеки метод отговаря на специфичен набор от нужди в съвременната роботика. DMLS работи добре за сложни геометрии с вътрешни характеристики, които CNC не може да достигне. Шприцването е предпочитаният метод за големи обеми пластмасови компоненти на роботизирано рамо.
Коване за високоякостни компоненти
Коването е производствен процес, който може да се използва за високоякостни компоненти. Той включва оформяне на метал с помощта на компресионни сили. Този процес може да бъде полезен за компоненти на роботизирано рамо, които изискват висока якост и устойчивост на умора.
Леене под налягане и леене под налягане
Леенето под налягане и леенето под налягане създават сложни форми с добра повторяемост. Тези процеси са често срещани за корпуси, скоби и компоненти на крайни ефектори в роботиката. Те работят добре за много инженерни материали. Леенето под налягане изтласква разтопен метал в стоманена форма под високо налягане. Леенето под налягане използва восъчен модел, който изгаря. И двата метода могат да създадат елементи, които са трудни за машинна обработка.
Леене под налягане от алуминий и цинк
Леенето под налягане с алуминий осигурява здрави и леки части. То се справя със сложни геометрии и тънки стени до около 1 мм. Леенето под налягане с цинк е по-евтино и по-лесно за отливане с висока детайлност. Но цинкът е по-тежък и по-малко твърд. За корпуси на роботи и структурни скоби алуминият е по-добрият избор. Цинкът е подходящ за по-малки компоненти на роботизирано рамо, като скоби на сензори и кабелни водачи.
Леене по инвестиционни модели за сложни геометрии
Леенето по инвестиционни модели използва восъчен модел, покрит с керамична суспензия. Восъкът се разтопява, оставяйки кухина. Разтопен метал запълва тази кухина. Този метод създава много детайлни форми с гладки повърхности. Таблицата показва минималните дебелини на стените за различните сплави в тази категория материали.
| Тип сплав | Минимална дебелина на стената (малки секции) | Минимална дебелина на стената (големи секции) |
| Алуминиеви сплави | 1.0 мм | 2.0 мм |
| Неръждаема стомана | 1.5 мм | 2.5 мм |
| Титанови сплави | 2.0 мм | 3.0 мм |
| Никелови суперсплави | 1.25 мм | 2.3 мм |
| Сплави на основата на кобалт | 1.5 мм | 2.5 мм |
| Сплави на медна основа | 1.25 мм | 2.0 мм |
Няма единна минимална дебелина на стената за всеки проект. Някои доставчици твърдят, че е от 2 мм до 3 мм като базова стойност. Действителното ограничение зависи от размера на детайла, геометрията и течливостта на сплавта. Трябва да проверите конкретния 3D модел, за да знаете безопасния минимум. За сложни компоненти на роботизирано рамо, леенето по инвестиционни модели намалява работата след машинна обработка в сравнение с други производствени методи. Процесът е идеален за прецизни компоненти в автоматизирани и роботизирани системи. Той може да произвежда компоненти на роботизирано рамо с подрязвания и вътрешни проходи, които други процеси не могат.
Съображения за повърхностна обработка и толеранс
Повърхностното покритие на съединението на компонентите на роботизираното рамо влияе върху движението и живота. Правилното покритие означава, че външният пръстен на лагера е в пълен контакт със седалката. Таблицата по-долу показва типичните стойности на грапавостта за различните характеристики на компонентите на роботизираното рамо. Всяка стойност служи за определена цел. Седалката на лагера се нуждае от много гладка повърхност, за да се избегнат точки на напрежение. Козметичната повърхност на корпуса може да бъде по-грапава, защото не носи товар.
| Особеност | Типична грапавост на повърхността (Ra) |
| Седалка на лагера | 0.4–0.8 μm |
| Интерфейс за хармонично задвижване | 0.8–1.6 μm |
| Повърхност за монтаж на сервомотор | 1.6 рт |
| Козметична повърхност на корпуса | 1.6–3.2 μm |
| Вътрешни некритични характеристики | 3.2 рт |
Повърхностно покритие от Ra 0.4 μm върху лагерна шийка помага на MoS₂ покритието да се свърже добре. Това покритие поддържа равномерно нанасяне на филма и добра адхезия. Когато покритието е твърде грапаво, контактната площ намалява. Появяват се точки на високо напрежение, които могат да причинят микро-фретиране в продължение на милиони цикли. Това влошава производителността. Разликата между 0.4 μm и 3.2 μm е разликата между съединение, което работи гладко в продължение на години, и такова, което се износва преждевременно.
Постигане на повтаряемо подравняване на ставите
Центрирането на съединенията зависи от строгите допуски и правилното покритие. Леглото на лагера се нуждае от Ra 0.4–0.8 μm за правилно разположение на външния ринг. Машинистите използват фини подавания и ниски скорости, за да постигнат тези стойности. По-грапавата повърхност кара лагера да се измества под натоварване. Това несъответствие води до износване и по-ниска точност. За робот, който повтаря един и същ път хиляди пъти, това е от голямо значение. Дори малко несъответствие се натрупва в продължение на много цикли.
Метрология и контрол на качеството
Контролът на качеството при производството на компоненти за роботизирано рамо използва координатно измервателни машини и профиломери за повърхности. CMM проверяват позициите на отворите и плоскостта на повърхността. Профиломерите измерват действителната стойност на Ra. Тези инструменти проверяват дали всеки размер е в рамките на спецификацията. Процесът на проверка открива грешки преди сглобяването. Детайл с неправилно покритие или отвор извън допустимите отклонения се отхвърля. Това спестява време и осигурява надеждност на крайния продукт. За медицински роботи или системи за автоматизация на чисти помещения това ниво на качество е от решаващо значение.
Съображения за проектиране на компоненти на роботизирана ръка
Добрият дизайн започва с работата, която рамото трябва да изпълнява. Задвижващите механизми задвижват всяка става. Електродвигателите са подходящи за чиста и прецизна работа. Пневматичните цилиндри се движат бързо и евтино. Хидравличните агрегати носят огромни товари. Всеки тип променя избора на материали за близките компоненти на роботизираното рамо. Хидравличният задвижващ механизъм се нуждае от уплътнения и корпуси, които са устойчиви на флуиди и налягане. Електрическият се нуждае от топлинни пътища и леки рамки. Крайните ефектори също се различават. Хващач, пръскачка и бормашина - всички те докосват света по различни начини. Хващачите се нуждаят от здрави, леки челюсти. Пръскачките се нуждаят от химически устойчиви тела. Бормашините се нуждаят от здрави, износоустойчиви стойки. Тези нужди оформят всяко решение относно компонентите на роботизираното рамо.
Съотношение сила към тегло
Защо капацитетът на полезния товар зависи от това
Товароносимостта намалява с увеличаване на масата на рамото. Всеки килограм в рамото е килограм, който моторът трябва да движи. Тежкото предмишница краде капацитет от китката. Ето защо инженерите по роботика се стремят към твърдост, без да използват тежест. По-леките звена означават по-бързо движение и по-ниска консумация на енергия. За индустриални ръце, работещи по цял ден, това спестява реални пари.
Избор на материали и геометрия
Метали като алуминий и титан осигуряват висока якост на килограм. Композитните материали отиват по-далеч. Едно проучване на IEEE Access намали масата на рамото с 24.32%, използвайки хибрид от въглеродни влакна и алуминий. Геометрията е също толкова важна. Ребрата, кухите профили и конусните връзки премахват мъртвото тегло. Добре оформената част често е по-добра от луксозен материал.
Двигатели на разходите
Разходи за суровини
Титанът струва много повече от стоманата. Препрегът от въглеродни влакна е още по-скъп. Пластмасите остават евтини. Суровината определя дъното за всяка оферта. Купувачите трябва да съчетаят материала с товара, а не с навика.
Ефекти върху инструментите, труда и обема
Ковашките матрици и шприцформите водят до значителни първоначални разходи. Този разход се изплаща само при големи обеми. Малките тиражи благоприятстват CNC обработката, която пропуска инструменталната екипировка. Трудът се натрупва бързо при ръчно изработените компоненти на роботизирано рамо. Производството с големи обеми разпределя инструменталната екипировка в много единици и намалява цената на единица.
Издръжливост и износване
Устойчивост на умора и повърхностни обработки
Цикличните натоварвания причиняват пукнатини от умора на материала с течение на времето. Повърхностните обработки помагат на металите да се противопоставят на това. Алуминият сам по себе си е мек. Твърдото анодиране тип III решава този проблем. При него се образува керамичен оксиден слой с дебелина 40–60 µm, неразделна част от детайла. Повърхностната твърдост надхвърля 60 HRC. Това е с голяма разлика в сравнение с необработения алуминий.
| Повърхностно състояние | Повърхностна твърдост | Износоустойчивост |
| Необработен алуминий | Мека насипна повърхност | Одраскания от плъзгане и песъчинки |
| Твърдо анодизиран тип III | 60+HRC | Превъзходна устойчивост на надраскване и износване |
PTFE импрегнацията допълнително намалява триенето, което позволява работа на втулките на сухо.
Фактори на околната среда и корозия
Влага, химикали и прах атакуват компонентите на роботизираното рамо. Неръждаемата стомана и титанът са устойчиви на корозия. Алуминият се нуждае от покритие във влажна среда. Композитните материали са устойчиви на ръжда, но се износват при абразия. Приложенията в реалния свят доказват това. Шлайфането, дървообработването и металообработването натоварват плъзгащите се повърхности. Подреждането на палети и обработката на повърхности възнаграждават леките и твърди връзки. Медицинската и роботиката за чисти помещения изискват гладки, почистващи се корпуси. Съобразете материала с околната среда и ще постигнете издръжливост.
Избор на материали и процеси за компоненти на роботизирана ръка
Изборът на правилната комбинация от компоненти за роботизирана ръка означава съчетаване на това, от което се нуждаете, с това, което всяка опция може да прави. Ръководство за избор на материали може да ви помогне тук. Сравнявате здравината, теглото, цената и издръжливостта спрямо работата, която ръката трябва да изпълнява.
Съответствие на материала с приложението
Високоскоростни срещу роботи с голям полезен товар
Високоскоростните роботи се нуждаят от леки звена. Карбоновите композити и алуминият са най-подходящи за това. Те намаляват инерцията и позволяват на двигателите да се движат по-бързо. Роботите с голям полезен товар се нуждаят от твърдост и здравина. Стоманата и титанът носят тежки товари без огъване. Вашият избор влияе върху времето на цикъла и количеството енергия, което роботът използва.
Изисквания за чисти помещения и безопасност на храните
Роботиката за чисти помещения изисква гладки, непорести повърхности. Неръждаемата стомана предотвратява растежа на бактерии. Преработката на храни добавя още един слой правила. Неръждаемата стомана е устойчива на хранителни киселини и почистващи химикали, без да ръждясва. Полимерите, съвместими с хранително-вкусовата промишленост, са подходящи за крайни устройства, които директно докосват продукти. Сертифицирани по NSF H1 смазочни материали са необходими навсякъде, където е възможен случаен контакт. Тези материали осигуряват безопасността на медицинските изделия и хранителните системи.
Съпоставяне на процеса с обема на производството
Създаване на прототипи срещу производство с малък обем
За прототипи, CNC обработката и DMLS ви осигуряват скорост без разходи за инструменти. DMLS може да изработи сложни вътрешни канали, до които режещите инструменти не могат да достигнат. CNC поддържа строги допуски за критични интерфейси. Хибридният подход работи добре тук. Отпечатайте почти чистата форма, след което обработете лагерните легла и резбите с точност до ±0.005 мм. Това съчетава свободата на дизайна с прецизност.
Икономика на масовото производство
Големите обеми благоприятстват шприцването на пластмаси и леенето под налягане на метали. Разходите за инструменти се разпределят върху хиляди бройки. Цените на единиците падат бързо. За 10 до 2,000 бройки, CNC обработката често печели по отношение на разходите и производителността. След тази точка, специализираните инструменти се отплащат.
Тестване и валидиране
Механични методи за изпитване
Тестването показва дали даден дизайн работи. Изпитванията на опън проверяват якостта. Изпитванията за умора копират милиони цикли. Изпитванията за твърдост потвърждават повърхностните обработки. Тези методи откриват слаби места преди началото на производството.
Тестване в реални условия на цикъл
Лабораторните тестове не могат да възпроизведат всяко условие. Реалните приложения излагат компонентите на роботизираното рамо на песъчинки, влага и вибрации. Шлайфането и дървообработването натоварват плъзгащите се повърхности. Подреждането на палети възнаграждава твърдите, леки звена. Изпълнете реалните движения на рамото. Измерете износването и подравняването с течение на времето. Това доказва, че дизайнът работи за автоматизирани системи, които работят през целия ден.
| Приложение / Изискване | Препоръчителен метод | Избор на материал | Постижима толерантност |
| Прецизен флуиден блок | 5-осно CNC фрезоване | Al6061-T6 | ± 0.010 мм |
| Сложни вътрешни канали | DMLS | Инструментална стомана 1.2709 | ± 0.008 мм |
| Визуален макет | 3D печат SLA | UV-втвърдяваща се смола | ± 0.15 мм |
Експертиза на NOBLE в компонентите за роботизирани ръце
Производствените партньори трябва да могат да обработват редица процеси, включително CNC обработка, DMLS, шприцване и леене на компоненти за роботизирана ръка. Те също така трябва да имат въведени мерки за контрол на качеството.
Пластмасите, металите и композитите имат своето място в роботиката. Металите носят тежки товари. Пластмасите правят компонентите на роботизираната ръка леки и евтини. Композитите осигуряват висока твърдост на връзките, където теглото е най-важно. Най-добрият избор зависи от здравината, теглото, цената и издръжливостта. Производствените процеси също са важни. CNC обработката осигурява строги допуски за съединенията. DMLS прави сложни вътрешни канали. Леенето под налягане и леенето под налягане се справят със сложни корпуси. Коването може да се използва за високоякостни компоненти. Квалифициран производствен партньор ви помага да изберете правилната комбинация. Те работят както с метал, така и с пластмаса. Това намалява риска и повишава качеството. В бъдеще хибридните процеси и новите материали ще продължат да разширяват възможностите на роботизираната ръка. По-добрите комбинации означават по-леки ръце, по-бързи цикли и нови приложения в области като медицинската автоматизация.
Често задавани въпроси за компонентите на роботизираната ръка
Кои материали са най-подходящи за компонентите на роботизираната ръка?
Зависи от работата. Метали като стомана и титан издържат тежки товари. Пластмасите са подходящи за капаци и корпуси на сензори. Полимери, подсилени с въглеродни влакна, са подходящи за дълги връзки, където теглото е най-важно. Съобразете материала с нуждите си от здравина, тегло, цена и издръжливост.
Кой производствен процес да избера?
CNC обработката и DMLS обработката на метални части с строги допуски. Шприцването работи за пластмасови части. Леенето оформя сложни корпуси. Коването може да се използва за високоякостни компоненти на роботизирано рамо. Вашият обем на производство и геометрията на детайлите определят победителя.
Кога CNC обработката е по-добра от 3D печатането?
CNC обработката е печеливша за строгите допуски и гладките повърхности. Тя задържа лагерни легла при Ra 0.4–0.8 μm. DMLS е перфектна за сложни вътрешни канали, до които режещите инструменти не могат да достигнат. Хибридният подход работи добре: отпечатайте почти чистата форма, след което обработете критичните интерфейси с точност до ±0.005 mm.
Как да избера между пластмаси и метали?
Изберете пластмаси за леки натоварвания, капаци и корпуси за чисти помещения. Те струват по-малко и бързо се образуват мухляс. Пропуснете ги за горещи точки или съединения с високо натоварване, тъй като те се плъзгат при постоянно напрежение. Металите се справят много по-добре с топлина, износване и тежки цикли. Композитните материали пасват на връзките, които са критични за теглото.
Какво определя цената на компонентите на роботизираната ръка?
Суровините задават основите. Титанът и въглеродните влакна струват повече от стоманата или пластмасите. Инструменталната обработка добавя значителни първоначални разходи за ковашки матрици и шприцформи. Този разход се изплаща при големи обеми. Ниските тиражи са в полза на CNC машинната обработка, която напълно пропуска инструменталната обработка.
Защо повърхностното покритие е толкова важно?
Гладкото покритие позволява на лагерите да се наместят правилно. Грубите повърхности намаляват контактната площ и създават точки на напрежение. Тези точки причиняват микро-фрикция в продължение на милиони цикли. Разликата между Ra 0.4 μm и Ra 3.2 μm определя дали съединението работи гладко в продължение на години или се износва преждевременно.
Как да тествам компонентите на роботизираната ръка преди масово производство?
Първо проведете механични тестове, след което симулирайте реална употреба. Шлайфането и дървообработването натоварват плъзгащите се повърхности. Подреждането на палети възнаграждава твърдите, леки връзки. Измерете износването и подравняването с течение на времето. Това доказва, че дизайнът работи за автоматизирани системи, които работят през целия ден.
Какво трябва да търся в производствен партньор?
Потърсете партньор с опит както в обработката на метал, така и на пластмаси. Проверете за съответните сертификати за качество. Попитайте за поддръжка при проектиране, монтаж и тестване. Партньор, който покрива целия път от проектирането до изпълнението, намалява риска. Това е важно в роботиката, където всяка част влияе на цялото рамо.
