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環境因素對機器人關節使用壽命與效能表現的影響

strain-wave傳動是機器人關節關鍵元件,必須有效散熱以確保機器人壽命與效能。易格斯(igus)

製造業對工業自動化的需求持續成長,而工業機器人(industrial robot)具備優異的運動控制(motion-control)能力可極大化生產彈性與產能,但先期投資成本可觀,須周延考量影響使用壽命、效能表現、投資回收期的各種環境因素,以最佳化終端客戶的投資效益。

據The Robot Report報導,相較於傳統生產線的專屬機械,自動控制、可程式化、多用途的工業機器人有更優異的作業能力與彈性,特別適合少量多樣的生產方式,以快速反應市場變化與消費者需求。模組化的機械電子(mechatronic)機器人關節易於組裝,可提升產品設計與功能多元性、應用適應性,更輕量化且功率密度、動態表現、可靠性也更優異。

工業機器人在複雜環境中與人類密切互動進行各種作業,動態穩定性是影響其效能表現與工作場所安全的最重要因素之一,尤其是有效負重高、移動範圍廣、移動速度快的機器人。自動導引車(AGV)軟體、運動系統與元件、整合標準與客製產品專業廠商Kollmorgen Corp.指出,熱環境效應(thermal environmental effect)是最關鍵的影響因素。

模組化機械電子機器人關節內含煞車、連接纜線、編碼器(encoder)或解角器(resolver)、無框馬達(frameless motor)、專屬傳動系統(gearing system)、伺服驅動器(servo drive)、扭力感測器(torque sensor)等元件。strain-wave傳動系統是最主要的環境熱源,在總功率損耗的佔比可達30%,若無法有效散熱會影響機器人壽命與效能。

造成strain-wave傳動功率損耗的機制包括:元件本身與元件間的承軸摩擦耗損、間歇性的重複彈性應變能(elastic strain energy)與柔輪(flexspline)所造成的機械耗損、潤滑劑的黏性摩擦所造成的分子摩擦耗損、柔輪與鋼輪(circular spline)造成的摩擦耗損,這些功率耗損當中有部分會受到環境作業溫度的高度影響。

strain-wave傳動的主要元件包括橢圓形的波產生器、柔輪、剛輪,柔輪是決定strain-wave傳動壽命的元件。strain-wave傳動的最高作業溫度為攝氏50~70度,取決於製造商與所採用的潤滑劑等級,作業溫度過高會增加strain-wave傳動的齒輪嚙合摩擦與接觸壓力、破壞潤滑劑薄膜並造成齒輪的接觸面磨損。

當機器手臂的首要設計目標為精簡化、輕量化、靈巧化、可靠度,則具備高扭力密度、強化散熱能力、客製化設計彈性的無框馬達將是首選,可提供商業與技術競爭優勢。當環境溫度高於馬達額定溫度(通常為攝氏40度)時馬達效能會降低,並造成機器人關節的功率耗損增加,而最佳化的電磁設計可在機器人的作業速度範圍內提供最高的馬達效率。

伺服驅動器是協作機器人(cobot)、工業多關節型(articulated)機器人、醫療機器人等許多機器人的關鍵電子元件。根據Arrhenius定律,作業溫度每高於額定溫度攝氏10度,電子元件的預期壽命會減少50%,高溫會大幅增加電子元件的故障率,並使熱雜訊升高進而導致電氣雜訊增加。

電力致動煞車的線圈在作業時會產生熱,當高於環境溫度達攝氏30度,煞車線圈的電阻會增加12%,作業時會產生更多熱。而機器人用到的許多感測器如編碼器、解角器、扭力感測器等均極易受環境溫度影響,環境溫度升高會降低感測器的輸出,而熱膨脹也會影響感測器的效能表現,最嚴重不僅會使感測器損壞,甚至造成災難性故障。

機器人的動態特性與定位控制準確性取決於其有效負荷(payload)與整體系統慣性(system inertia),負載過重可能造成傳動齒斷裂,而高系統慣性通常會降低定位控制的準確性,這都會造成機器人失去動態平衡與運動穩定性。柔輪疲勞斷裂是造成strain-wave齒輪故障最常見的原因,終端用戶必須避免讓機器人在接近本身共振頻率下作業以避免振動磨損。

機器人關節軸承潤滑油脂對馬達與strain-wave傳動的效能表現有關鍵性影響,油脂黏性與分子摩擦受溫度改變,低溫會顯著降低油脂流動性造成潤滑不足、軸承摩損、系統故障;而高溫可能造成油脂黏性降低導致漏油、油脂氧化降低黏性而失去潤滑作用、增稠劑變質造成潤滑油流失,每升高攝氏10度的作業溫度會使潤滑油的壽命減半。

腐蝕、粉塵、濕度、衝擊、毒性、潮濕與泥濘、振動等惡劣環境因素都可能嚴重影響機器人的使用壽命與效能表現,因此外部塗裝、材料、密封的選擇對於保護機器人的內外部元件至為關鍵。此外實務上機器人的整個生命週期從製造、組裝、運送、倉儲、現場作業等階段都可能產生磨損。


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