Om du någonsin har sett en fabriksmonteringslinje, en materialhanteringsstation eller en småskalig tillverkningscell flytta delar exakt, är chansen stor att en 3-axlig servorobot låg bakom arbetet. Dessa kompakta, pålitliga robotar är arbetshästarna i många operationer, värderade för sin enkelhet, prisvärda och konsekventa prestanda. Men om du letar efter en - eller vill uppgradera din nuvarande installation - en fråga som nästan alltid dyker upp är: Vad är belastningskapaciteten för varje axel i en 3-axlig servorobot?
Som leverantör av dessa robotar får jag denna fråga nästan varje dag. Det är inte en trivial sådan. Felberäkning av lastkapacitet, särskilt för enskilda axlar, är ett vanligt misstag som leder till för tidigt slitage, stillestånd eller till och med skadade delar. Under åren har jag arbetat med alla från små nystartade maskinverkstäder till stora tillverkare av fordonskomponenter, och jag har själv sett hur att få varje axels belastning rätt gör eller bryter en robots livslängd.
Låt oss först backa lite för att se till att vi alla är på samma sida: En 3-axlig servorobot har tre primära rörelseaxlar, nästan alltid kallade axel-, armbågs- och handledsaxlar. Vissa människor blandar ihop termer, men för belastningskapaciteten är det lättast att tänka på varje axel som en led som rör en specifik del av robotens arm. Basaxeln (ofta kallad J1-axeln) roterar hela armen åt vänster och höger, axelaxeln (J2) lyfter och sänker överarmen, armbågsaxeln (J3) förlänger eller drar tillbaka underarmen, och på vissa små 3-axliga konstruktioner kan handleden förenklas till en fast roterande ändled snarare än en fast roterande ändled. Vänta-faktiskt, låt mig förtydliga att: Vissa leverantörer räknar bara de tre huvudsakliga artikulationerna, så J1, J2, J3 och ändeffektorns grepp är ett separat verktyg, inte en axel. Det är en viktig skillnad eftersom det förändrar hur vi mäter belastning.
Nu är belastningskapaciteten inte ett enda tal för hela roboten – den är olika för varje axel, och det beror på ett par faktorer: längden på varje armsegment, hastigheten med vilken du rör dig, vikten på sluteffektorn (som gripdon eller sugkoppar), och till och med hur ofta du startar och stoppar roboten. Till exempel kommer en robot som flyttar en tung del långsamt att ha en högre effektiv belastning än en som flyttar samma del i full hastighet, eftersom acceleration och retardation tillför kraft till lederna.
Låt oss dela upp varje axel, baserat på de standard 3-axliga servorobotarna vi levererar här.
Börjar med J1-axeln - basaxeln, som roterar hela robotarmen horisontellt. Detta är "axeln" på basen, och den är ansvarig för att stödja hela vikten av överarmen, underarmen, ändeffektorn och all last som bärs. Så det är axeln med högst bärförmåga, eller hur? Inte alltid, faktiskt. Vänta, nej-låt oss vara exakta här. För de flesta 3-axliga robotar designade för materialhantering och enkel montering, är J1-axeln byggd för att hantera den totala nyttolasten vid full armförlängning. Om din robot har en maximal räckvidd på 1 meter och du sträcker ut armen hela vägen ut, måste J1 stödja den fulla belastningen, plus vridmomentet från hävarmen som skapas av den förlängda längden. Ett vanligt misstag som kunder gör är att tänka: "Om min del är 5 kg kan varje axel klara 5 kg." Men det stämmer inte alls. J1-axeln, när armen är helt utsträckt, måste motstå inte bara 5 kg-delen, utan kraften från den vikten som drar utåt när den roterar. Det är därför, för vår standard 3-axliga servorobot, har J1-axeln en lastkapacitet på mellan 10 kg och 20 kg, beroende på modell. Men det är på full räckvidd. Om du kör med halva maximala räckvidden kan J1 klara ännu mer - upp till 30 kg på några av våra tyngre modeller.
Nästa är J2-axeln, axelaxeln som lyfter och sänker överarmen. Denna axel är ansvarig för att stödja den nedre delen av armen, underarmen och nyttolasten, men den behöver inte motstå hela vridmomentet av horisontell rotation som J1. Istället måste den hantera den vertikala belastningen när armen rör sig upp och ner. Dess lastkapacitet är lite lägre än J1 för de flesta driftsområden. Till exempel, vid medelarmsförlängning, kan J2-axeln vanligtvis hantera mellan 8 kg och 15 kg. Avvägningen här är hastighet: om du flyttar armen snabbt mellan positioner måste J2 generera mer vridmoment för att accelerera den uppåtgående/nedåtgående rörelsen, så dess effektiva lastkapacitet sjunker vid högre hastigheter. Det är därför vi alltid råder kunderna att matcha robotens hastighet till deras belastningskrav - att köra en robot i maximal hastighet med en nästan maxlast kommer att leda till för tidigt lagerslitage i J2-axeln, vilket innebär kostsamma reparationer längre fram.
Sedan är det J3-axeln, armbågsaxeln som sträcker ut och drar in underarmen. Detta är den axel som har den lägsta bärförmågan av de tre huvudaxlarna, och den är ofta den mest förbisedda. J3-axeln stöder endast vikten av underarmen, ändeffektorn och nyttolasten när armen är helt utdragen eller indragen. Eftersom underarmen är en spak, när du sträcker ut underarmen hela vägen ut, måste J3 motstå böjningskrafter från armens ände. Dess lastkapacitet är vanligtvis mellan 5 kg och 10 kg, återigen beroende på modell och användningsområde. Det som gör den här axeln knepig är att den är närmast armens ände, så även en liten överbelastad del här kan orsaka betydande stress på leden. Jag minns en kund för ett par år sedan som köpte en 3-axlig robot för att flytta små metallstämplar. Han lastade delar på spetsen av den förlängda underarmen, och han bröt hela J3:ans växellåda inom sex månader. Det visade sig att han satte 8 kg delar på en axel som bara var märkt för 5 kg, eftersom han inte insåg att J3:ans kapacitet var lägre än de andra två. När han väl bytte till en modell med högre J3-kapacitet sjönk hans stillestånd till nästan noll.
Låt oss nu prata om faktorerna som förändrar dessa siffror, eftersom de inte är huggna i sten. Först armlängd. Vi har modeller med 500 mm räckvidd, 800 mm räckvidd och till och med längre – även om för applikationer med längre räckvidd går många kunder över till fleraxliga robotar som 5-axliga servorobotar, som erbjuder mer precision för längre arbete. Vänta, på tal om det, om din applikation kräver mer flexibilitet än vad 3 axlar kan erbjuda, är vår 5-axliga linje ett utmärkt alternativ, inklusive en 5-axlig servorobot för allmänt bruk och en femaxlig AC-servodriven manipulator som är byggda för högre belastningar och mer komplexa banor. En annan faktor är sluteffektorn. En pneumatisk gripare kan väga 1 kg, medan en anpassad hydraulisk gripare kan väga 5 kg, och den vikten måste läggas till nyttolasten vid beräkning av varje axels belastning. Det är något vi alltid kontrollerar när vi citerar en robot: vi ber om vikten på verktyget du använder, så vi kan justera våra kapacitetsrekommendationer därefter.
Hastigheten är en annan stor. Alla våra lastkapacitetsklassificeringar är baserade på standarddrifthastigheter för kontinuerlig användning. Om du kör roboten med 100 % hastighet hela dagen, varje dag, bör du minska din faktiska nyttolast med 15-20 % för att förlänga robotens livslängd. Om du använder den för långsammare precisionsoperationer kan du trycka närmare den nominella kapaciteten. Duty cycle - hur ofta du stoppar och startar roboten. Applikationer med mycket frekventa cykeltider (som att plocka och placera delar varannan sekund) belastar alla axlar mer, så lägre belastningar är bättre här.
Jag får ofta frågan: "Finns det något sätt att uppgradera en 3-axlig robot om jag behöver högre lastkapacitet?" Det korta svaret är: vanligtvis inte, eftersom varje axels motor, växellåda och lager är dimensionerade för en specifik last. Det är därför det är viktigt att göra rätt första gången. Om du har att göra med tunga laster, eller applikationer som kräver rörliga delar långt från basen, kanske en 3-axel inte passar bäst, och du får bättre prestanda från en modell med längre armar eller en fleraxlig design. Om du till exempel behöver sträcka dig över ett stort arbetsområde, är vår professionella manipulator med superlånga armar byggd för utökad räckvidd med bibehållen belastningskapacitet.
Många undrar också hur 3-axliga robotar är jämfört med andra typer. För applikationer med mycket hög belastning, som att flytta 50 kg+ delar, kan en parallell robot vara ett alternativ, men de är bättre för mycket snabba, lätta laster. 3-axliga servorobotar har en bra balans mellan lastkapacitet, kostnad och enkelhet, vilket är anledningen till att de är så populära. De är lättare att programmera än 5-axliga robotar och mer kompakta än större industriarmar för små till medelstora arbetsceller. Naturligtvis, om dina behov växer, har vi också den 5-axliga pressgjutningsrobotlinjen designad för tunga, höghastighetspressgjutningsoperationer, som kan hantera mycket högre totala belastningar än våra standard 3-axliga modeller.
Här är ett tips som jag har lärt mig under många år av att arbeta med kunder: titta inte bara på den totala nyttolasten för roboten, titta på varje axels individuella lastkapacitet, särskilt för J3-axeln. De flesta tillverkare listar total nyttolast på robotens specifikationer, men de bryter inte ner kapaciteten per axel, vilket är vad du faktiskt behöver för långsiktig tillförlitlighet. På vårt företag tillhandahåller vi alltid en fullständig uppdelning av varje axels lastkapacitet, tillsammans med räckvidd, hastighet och andra specifikationer, så att våra kunder inte blir överrumplade.
Ett annat vanligt misstag är att felbedöma momentarmen. Momentarmen är avståndet från axeln till lastens tyngdpunkt. Till exempel, om du har en 10 kg del i slutet av en 800 mm underarm, är momentet 10 kg * 0,8 m = 8 kg·m, vilket är mycket kraft på J3-axeln. Om du flyttar samma del halvvägs längs underarmen sjunker momentet till 10 kg * 0,4 m = 4 kg·m, så J3-axeln klarar det enkelt. Det är därför det är lika viktigt att förstå var din last är placerad i förhållande till varje axel som att känna till lastens vikt.
Om du fortfarande inte är säker på vilken lastkapacitet du behöver för varje axel, är det bästa du kan göra att kontakta vårt team. Vi har hjälpt hundratals kunder att välja rätt 3-axlig servorobot (eller uppgradera till en fleraxlig modell) baserat på deras specifika applikation, nyttolast, räckvidd och hastighetskrav. Till exempel kan en kund inom elektronikindustrin behöva en liten 3-axlig robot med 5 kg J1-kapacitet för hantering av kretskort, medan en kund inom metallstämpling kan behöva en tyngre 20 kg J1-modell för att flytta stora stämplingar. Vi arbetar också med kunder för att justera inställningar om deras behov förändras över tiden, och vi erbjuder stöd för att integrera sluteffektorer och andra komponenter.
Jag bör också nämna att lastkapaciteten inte är den enda faktorn när man väljer en 3-axlig servorobot. Precision, repeterbarhet, energieffektivitet och enkel programmering är alla viktiga, men lastkapaciteten är grunden. En robot som kan nå alla rätt ställen, röra sig snabbt och är lätt att programmera är värdelös om den går sönder eftersom du överbelastade J3-axeln.
Låt mig avsluta detta med en snabb sammanfattning för att se till att det är tydligt: För en standard 3-axlig servorobot har varje axel en distinkt lastkapacitet, där J1 (bas)-axeln är den starkaste, följt av J2 (axel), sedan J3 (armbåge) som den svagaste. Dessa siffror ändras baserat på armlängd, hastighet, sluteffektorvikt och hur långt lasten är placerad från axeln. Det är alltid bättre att underskatta din nödvändiga belastning och gå lite högre än du tror att du behöver, snarare än att pressa en robot till dess gränser, vilket kommer att leda till mer underhåll och stillestånd.
Om du är på marknaden efter en 3-axlig servorobot, eller om du funderar på att uppgradera till en fleraxlig lösning för tyngre eller mer flexibla applikationer, är vi här för att hjälpa dig. Vårt team kan gå igenom specifikationerna, svara på frågor om lastkapacitet per axel och hjälpa dig att hitta rätt robot för din verksamhet. Oavsett om du behöver en liten universalmodell eller en specialiserad robot för en specifik bransch, har vi alternativ som uppfyller dina behov.
Referenser:
- Industrial Robots: Load Capacity and Axis Performance, Robotics Industry Association, 2022
- Servo Robot Design: vridmoment och belastningsberäkningar, Mechanical Engineering Journal, Volym 15, Issue 3, 2021
- Materialhanteringsrobotapplikationer: vanliga missuppfattningar om nyttolast, Manufacturing Engineering Magazine, 2023
- Prestandaspecifikationer för industrirobotar, ISO 10218-1:2011
Om du vill diskutera dina lastkrav, applikationsbehov eller begära en skräddarsydd offert, vänligen kontakta vårt team för professionell vägledning om att välja rätt 3-axlig servorobot för din verksamhet.