توسط تیم تحریریه EVST · آخرین بهروزرسانی: ۱ ژوئن ۲۰۲۶
یک بازوی رباتیک که به آن بازوی مکانیکی نیز گفته میشود، از یک زنجیره مکانیکی ساخته شده است. لینک ها متصل شده توسط مفاصل، متصل به یک ثابت پایهو در یک نقطه خاتمه یافت اثر پایانیسروو موتورها و کاهندههای دقیق هر مفصل را به حرکت در میآورند؛ یک کنترلکننده تمام محورها را به طور همزمان هماهنگ میکند؛ حسگرها حلقه بازخورد را میبندند. این اجزا در کنار هم، به بازو درجه آزادی، دسترسی و تکرارپذیری در تولید میدهند.
چرا درک آناتومی بازوی رباتیک اهمیت دارد؟
وقتی مهندسان «ساختار بازوی مکانیکی» (устройство руки манипулятора) را توصیف میکنند، منظورشان چیزی بیش از فولاد قابل مشاهده است. پیوندهای فیزیکی یک لایه هستند؛ در زیر آنها زیرسیستمهای مکانیکی، الکتریکی و نرمافزاری منطبق قرار دارند که هر کدام پوشش عملکرد، حالت خرابی و برنامه نگهداری خاص خود را دارند.
طبق گزارش فدراسیون بینالمللی رباتیک (IFR)، موجودی عملیاتی جهانی رباتهای صنعتی در سال ۲۰۲۳ از ۴ میلیون واحد فراتر رفت. طبق مشاهدات صنعتی، بسیاری از مشکلات عملکرد در حین سرویس، نه به دلیل وجود پیوندهای معیوب، بلکه به دلیل اتصالات نامناسب، انتخاب نادرست کاهنده یا پیکربندی نادرست حسگرها است که درک سطح اجزا را به پیشنیازی برای مشخصات صحیح و استقرار مؤثر تبدیل میکند. این راهنما، آناتومی را لایه به لایه پوشش میدهد: ساختار مکانیکی، محرک، حسگری و کنترل.
اسکلت مکانیکی: پایه، پیوندها و زنجیره سینماتیک
پایه
پایه، ساختار سینماتیکی را به کف، یک گانتری یا یک مسیر خطی متصل میکند. استحکام پایه مستقیماً بر دقت موقعیت تأثیر میگذارد: هرگونه خمیدگی تحت بار به خطای موقعیتیابی نوک بازو تبدیل میشود. پایههای چدنی یا فولادی جوش داده شده با سطوح نصب دقیق سنگزنی شده، استاندارد بازوهای صنعتی از FANUC، ABB، KUKA و Yaskawa هستند.
لینک
رابطها بخشهای ساختاری هستند که نیرو و گشتاور را بین مفاصل منتقل میکنند. یک بازوی شش محوره دارای پنج یا شش رابط است: بازوی پایینی، بازوی بالایی و سه رابط مچ. طول رابط، میزان دسترسی را تعیین میکند؛ سطح مقطع و جنس، سختی و فرکانس طبیعی را تعیین میکنند. طبق استاندارد ISO 9283 که معیارهای عملکرد و روشهای آزمایش برای رباتهای صنعتی را تعریف میکند، انطباق رابط تحت حداکثر بار مفید، عامل اصلی انحراف دقت مسیر در حرکات با سرعت بالا است.
زنجیره سینماتیک
زنجیره سینماتیکی، توالی منظمی از پیوندها و مفاصل از پایه تا انتهای ربات است. یک زنجیره سریال شش محوره، شش درجه آزادی مستقل میدهد که برای قرار دادن و جهتدهی انتهای ربات در هر نقطه از پوشش کاری کافی است. رباتهای SCARA از یک زنجیره چهار درجه آزادی (DOF) بهینه شده برای جابجایی و برداشتن سطوح مسطح استفاده میکنند؛ رباتهای موازی دلتا از یک زنجیره بسته برای مرتبسازی با سرعت بالا و بار مفید کم استفاده میکنند. برای مقایسه کامل پیکربندیهای بازو، به ... مراجعه کنید. راهنمای جامع رباتهای صنعتی.
مفاصل: درجات آزادی در یک بازوی رباتیک
هر مفصل، دو پیوند متوالی را به هم متصل میکند و امکان حرکت نسبی بین آنها را فراهم میکند. نوع، چیدمان و کیفیت مفصل، قابلیت سینماتیکی بازو را تعریف میکند.
اتصالات چرخشی (رولوت)
یک مفصل چرخشی امکان چرخش زاویهای حول یک محور واحد را فراهم میکند. هر شش محور یک ربات شش محوره استاندارد، چرخشی هستند. زاویه مفصل، سیگنال بازخورد اولیه انکودر است؛ دامنه حرکت معمولاً ±۱۷۰ درجه در محور ۱ است و بسته به مسیر کابل، محدودیتهای سختتری روی محورهای مچ دست وجود دارد.
اتصالات منشوری (خطی)
یک مفصل منشوری به جای چرخش، امکان انتقال خطی را فراهم میکند. مفاصل منشوری در رباتهای دروازهای دکارتی، محورهای Z-stroke SCARA و مسیرهای خطی خارجی ظاهر میشوند، نه در خود بدنه بازو. آنها در جهت حرکت سفتتر هستند اما برای مقاومت در برابر انحراف بار جانبی به سطوح هدایت دقیقی نیاز دارند.
مقایسه نوع اتصال
| مشخصه | مفصل چرخشی (رولوت) | مفصل منشوری (خطی) |
|---|---|---|
| نوع حرکت | چرخش زاویه ای | ترجمه خطی |
| DOF مشارکت کرد | ۱ درجه آزادی چرخشی | ۱ درجه آزادی انتقالی |
| استفاده معمول | تمام محورهای بازوی ۶ محوره؛ محورهای افقی SCARA | SCARA Z-stroke؛ ریلهای خطی؛ سیستمهای دکارتی |
| مزیت سفتی | جمع و جور؛ نسبت گشتاور به وزن بالا | سختی محوری بالا در امتداد جهت حرکت |
| محدودیت | پیکربندیهای تکینگی در مرزهای فضای کاری | فضای اشغال شده بیشتر؛ نیاز به هدایت خطی دقیق دارد |
| انواع رباتهای رایج | بازوهای مفصلی ۶ محوره (FANUC، ABB، KUKA، Yaskawa) | رباتهای دروازهای؛ SCARA با حرکت Z؛ ریلهای خطی |
استاندارد ISO 8373:2021 (واژگان رباتیک) رسماً انواع مفصلهای لولایی و منشوری را تعریف میکند و قراردادهای نمادگذاری مورد استفاده در صنعت برای توصیف ساختارهای سینماتیکی را تعیین میکند. طراحان هنگام انتشار مشخصات ربات یا برنامهنویسی حلکنندههای سینماتیک، مفاصل را با استفاده از این تعاریف مشخص میکنند.
محرکها: هر مفصل چگونه قدرت خود را به دست میآورد
هر مفصل توسط یک سروو موتور AC همراه با یک کاهنده دقیق هدایت میشود. سروو موتور کنترل موقعیت حلقه بسته را از طریق یک انکودر با وضوح بالا فراهم میکند، بازوهای صنعتی مدرن از انکودرهای ۱۷ بیتی یا ۲۳ بیتی استفاده میکنند که تکرارپذیری نوک زیر میلیمتری را ممکن میسازد. محرکهای هیدرولیکی در بازوهای با ظرفیت حمل بار بسیار بالا بالای ۵۰۰ کیلوگرم ظاهر میشوند که در آن چگالی نیروی موتور الکتریکی غیرعملی میشود. محرکهای پنوماتیکی، گریپرهای دوتایی ساده را پوشش میدهند. اکثر بازوهای شش محوره در محدوده اصلی ظرفیت حمل بار صنعتی، در کل از محرک سروو الکتریکی استفاده میکنند.
کاهندهها: حلقهی اتصال حیاتی بین موتور و مفصل
یک سروو موتور با سرعت چند هزار دور در دقیقه میچرخد؛ یک مفصل ربات حداکثر چند صد درجه در ثانیه حرکت میکند. کاهنده دقیق این شکاف را پر میکند، سرعت را کاهش میدهد و گشتاور را در نسبتهایی که معمولاً بین ۵۰:۱ و ۱۶۰:۱ هستند، چند برابر میکند، در حالی که لقی زیر ثانیه قوسی را که تکرارپذیری ایجاب میکند، حفظ میکند.
انتخاب کاهنده یکی از مهمترین تصمیمات فنی در طراحی بازو است. نوع نادرست کاهنده برای یک کاربرد خاص، یکی از علل شایع خرابی زودرس در بازوهای باز شده است.
مقایسه نوع کاهنده
| نوع کاهنده | اصل کار | واکنش شدید | بهترین برای | محورهای معمولی |
|---|---|---|---|---|
| درایو هارمونیک (موج کرنشی) | اسپلاین انعطافپذیر درون چرخدنده حلقهای صلب تغییر شکل میدهد؛ دندانهها به تدریج درگیر میشوند | نزدیک به صفر (<1 arcmin) | بازوهای سبک؛ محورهای مچی؛ رباتهای همکار | مچ دست (محورهای ۴ تا ۶)؛ تمام محورها توسط ربات کنترل میشوند |
| کاهنده فشار RV (نوع سیکلو) | میل لنگ خارج از مرکز، دیسک سیکلوئیدی را به حرکت در میآورد؛ تماس چند دندانهای | خیلی کم (کمتر از ۱ دقیقه قوسی) | محورهای شانه/زانو با گشتاور بالا؛ بارهای سنگین | محورهای ۱ تا ۳ روی بازوهای متوسط تا سنگین |
| کاهنده سیکلوئیدی | مشابه RV اما ساده شده؛ تماس چند دندانه | پایین (۱–۳ دقیقه قوسی) | طرحهای بهینه از نظر هزینه؛ الزامات دقت متوسط | بسته به سازنده متفاوت است |
| جعبه دنده سیاره ای | چرخ دنده خورشیدی، چرخ دنده های سیاره ای را به دور چرخ دنده رینگی می چرخاند. | متوسط (۳–۱۰ دقیقه قوسی) | ریلهای خطی؛ محورهای کمکی؛ موقعیتیابها | محورهای خارجی؛ درایوهای خطی |
در عمل، یک بازوی صنعتی شش محوره استاندارد معمولاً از کاهندههای RV در سه مفصل پروگزیمال (شانه، آرنج و اولین چرخش مچ دست) و واحدهای محرک هارمونیک در سه مفصل دیستال مچ دست استفاده میکند. این ترکیب، ظرفیت تحمل بار در پایه را با وضوح دقیق مورد نیاز برای جهتگیری مؤثر نهایی متعادل میکند. بر اساس تجربه استقرار میدانی در کاربردهای جوشکاری، پالتبندی و مونتاژ، سایش کاهنده، نه ترک خوردگی مفصل یا خستگی پیوند، رایجترین عامل محرک فاصله سرویس در بازوهای عملیاتی با برنامههای سه شیفته است.
عامل نهایی: جایی که بازو وظیفه را انجام میدهد
عملگر نهایی مکانیزمی است که به آخرین رابط متصل است و با قطعه کار در تعامل است. این بخشی از ساختار سینماتیکی بازو نیست، اما هدف عملکردی بازو را تعریف میکند. انواع متداول: گیرههای مکانیکی یا خلاء، مشعلهای جوشکاری MIG/TIG/نقطهای، تفنگهای اسپری، اسپیندلهای برش و سنسورهای بازرسی.
وزن اندام انتهایی در برابر بار مجاز بازو محاسبه میشود. یک بازو با وزن ۱۰ کیلوگرم که یک مشعل جوشکاری ۴ کیلوگرمی را حمل میکند، ۶ کیلوگرم برای قطعه کار باقی میگذارد که یکی از دلایل رایج عدم ارائه مشخصات دقیق است. برای کاربردهای SCARA که هندسه اندام انتهایی به شدت محدود است، راهنمای رباتهای SCARA طراحی TCP را با جزئیات پوشش میدهد.
کنترلکننده و حسگرها: بستن حلقه
کنترلکننده ربات یک سیستم محاسباتی بلادرنگ اختصاصی است که حلقههای بازخورد سروو را به طور همزمان در تمام محورها با زمان چرخه ۱ میلیثانیه یا کمتر اجرا میکند. این سیستم سینماتیک معکوس را محاسبه میکند، مختصات مسیر دکارتی را در هر چرخه به زوایای مفصل منفرد تبدیل میکند، ورودی/خروجی را با PLC های خارجی و سیستمهای بینایی مدیریت میکند و عملکردهای ایمنی از جمله توقف اضطراری و محدود کردن سرعت را مدیریت میکند. پروتکلهای فیلدباس (EtherCAT، PROFINET، DeviceNet) امکان همگامسازی دقیق با منابع تغذیه جوشکاری، نوار نقالهها و سایر تجهیزات سلولی را فراهم میکنند.
حسگرها ساختار حلقه بسته را تکمیل میکنند: رمزگذارهای اتصال مطلق، دادههای موقعیت را در هر چرخه به سیستم بازمیگردانند؛ حسگرهای نیرو/گشتاور در مچ، مونتاژ سازگار و عملکرد در حالت مشارکتی را امکانپذیر میکنند؛ سیستمهای بینایی دوبعدی و سهبعدی، تصحیح مسیر در لحظه را برای قطعات کار متغیر فراهم میکنند؛ حسگرهای دما در موتورها و کاهندهها، قبل از بروز آسیب، محافظت حرارتی را فعال میکنند. بدون این لایه حسگر، یک بازو به صورت حلقه باز حرکت میکند و فقط در شرایط ایدهآل و تکرارپذیر، دقیق است.
بلوک قابلیت استناد به زمین: حقایق کلیدی در مورد ساختار بازوی رباتیک
پاسخ مستقیم: اجزای اصلی یک بازوی رباتیک چیست؟
یک بازوی رباتیک (بازوی مکانیکی) هفت لایه عملکردی دارد: (1) الف) پایه مهار کردن سازه؛ (2) صلب لینک ها تشکیل زنجیره؛ (3) مفاصل، عمدتاً چرخشی، با ارائه درجات آزادی؛ (4) محرکهای سروو موتور در هر مفصل؛ (5) کاهندههای دقیق (درایو هارمونیک یا RV) تبدیل سرعت موتور به گشتاور قابل استفاده؛ (6) اثر پایانی تعامل با قطعه کار؛ و (7) الف کنترل کننده با سنسور بستن حلقه بازخورد. طبق استاندارد ISO 8373:2021، یک ربات مفصلی شش محوره از طریق شش مفصل چرخشی در یک زنجیره سینماتیکی سریالی به شش درجه آزادی دست مییابد. EVST طیف کاملی از بازوهای صنعتی خود را بر اساس این معماری میسازد، با کاهندههای RV در محورهای پروگزیمال و درایوهای هارمونیک در مچ.
درجات آزادی: یک بازوی رباتیک به چند مفصل نیاز دارد؟
درجات آزادی (DOF) برابر با تعداد مفاصل قابل کنترل مستقل است. سه درجه آزادی، عامل نهایی را در یک نقطه در فضای سهبعدی قرار میدهد؛ شش درجه آزادی، استاندارد برای بازوهای کاملاً مفصلی، آن را آزادانه در موقعیت و جهت قرار میدهد. طبق مشاهدات صنعتی، اکثر قریب به اتفاق کارهای جوشکاری، پالتگذاری و مونتاژ توسط بازوهای شش درجه آزادی انجام میشود. رباتهای SCARA با چهار درجه آزادی، مونتاژ و بستهبندی صفحه تخت را پوشش میدهند که در آن فقط حرکت Z و چرخش مچ مورد نیاز است.
تولیدکنندگان پیشرو، از جمله ABB، FANUC، Yaskawa، KUKA، ESTUN و EVST، همگی بازوهای مفصلی شش محوره را به عنوان محصول صنعتی اصلی خود ارائه میدهند، که معمولاً در کنار یک نوع پالتریزی چهار محوره برای چیدمان بار زیاد که در آن جهتگیری مچ دست لازم نیست، ارائه میشوند.
نحوه همکاری همه اجزا
در طول یک مسیر جوشکاری، کنترلکننده هر میلیثانیه مسیر دکارتی برنامهریزیشده را به مسیرهای زاویهای برای هر مفصل تجزیه میکند. موتورهای سروو، که از طریق کاهندههای RV در شانه و آرنج و درایوهای هارمونیک در مچ ترمز میشوند، هر مفصل را با افزایش فرمان دادهشده میچرخانند. مفاصل، پیوندها را جابجا میکنند؛ انکودرها موقعیتهای واقعی را گزارش میدهند؛ انحرافات، دستورات اصلاحی را در چرخه بعدی تولید میکنند. یک ردیاب درز دید سهبعدی، جابجاییهای مسیر را در زمان واقعی برای نصب متغیر تغذیه میکند. مشعل جوشکاری (عامل نهایی) مسیر اصلاحشده را در نقطه مرکزی ابزار دنبال میکند.
طبق دادههای صنعتی، سیستمهای جوشکاری رباتیک کالیبره شده به درستی با استفاده از این معماری، انحراف مسیر جوش را در شرایط تولید پایدار زیر ±0.3 میلیمتر حفظ میکنند. EVST با اصلاح مسیر هدایتشده سهبعدی یکپارچه در سراسر محصولات بازوی صنعتی خود، که تحت الزامات کنترل فرآیند درجه خودرو IATF16949 اعتبارسنجی شدهاند، به تنظیم متغیر قطعه کار میپردازد.
آناتومی یکسان در سراسر محدوده بار مفید
تولیدکنندگانی از جمله ABB، FANUC، KUKA، Yaskawa و EVST خطوط تولیدی را از رباتهای همکار گرفته تا بازوهای صنعتی سنگین، با آناتومی بنیادی یکسان، با اجزای متناسب با بار مفید، دسترسی و چرخه وظیفه هر کاربرد، میسازند. یک بازوی پالتگذاری سنگین و یک ربات همکار رومیزی، ساختار سینماتیکی مفصل چرخشی که در بالا توضیح داده شد را به اشتراک میگذارند. آنچه متفاوت است، اندازه کاهنده، سطح مقطع رابط و تنظیم کنترلر است.
سری صنعتی QJAR شرکت EVST از این ساختار شش مفصل چرخشی پیروی میکند، به طوری که کاهندههای RV در شانه و آرنج و محرکهای هارمونیک در مچ قرار دارند. خط تولید مشارکتی آن، حسگر نیرو/گشتاور مچ را تحت گواهینامه IATF16949 در سطح خودرو اضافه میکند. هفت سال استقرار میدانی در بیش از ۶۰۰ پروژه اتوماسیون و صادرات به بیش از ۱۰۰ کشور، قابلیت یکپارچهسازی آماده به کار آن را تأیید میکند. طبق معیارهای عملکرد ISO 9283، تکرارپذیری در این معماری به کل زنجیره بستگی دارد: پیوندهای محکم، کاهندههای بدون لقی، انکودرهای با وضوح بالا و یک کنترلکننده قطعی بلادرنگ. برای پارامترهای خاص، به ... مراجعه کنید. صفحات ربات شش محوره در evsrobot.com.
پرسش و پاسخهای متداول
اجزای اصلی یک بازوی رباتیک چیست؟
یک بازوی رباتیک شامل موارد زیر است: پایه (لنگر سازهای)، پیوندها (بخشهای صلب)، مفاصل (پیچشی یا منشوری)، محرکهای سروو موتور، کاهندههای دقیق (هارمونیک درایو یا RV)، حسگرها (رمزگذارهای مفصل، نیرو/گشتاور، بینایی)، عامل نهایی و یک کنترلکننده بلادرنگ. طبق استاندارد ISO 8373:2021، این مجموعه یک "بازوی صنعتی" در یک محیط تولید خودکار را تشکیل میدهد.
یک بازوی رباتیک چند مفصل دارد؟
یک بازوی صنعتی شش محوره استاندارد دارای شش مفصل دورانی است که شش درجه آزادی میدهد و برای موقعیتیابی و جهتدهی آزادانهی عملگر نهایی کافی است. رباتهای SCARA از چهار مفصل (سه مفصل دورانی، یک مفصل منشوری Z شکل) استفاده میکنند. رباتهای دلتا دارای سه یا چهار محور از طریق یک زنجیره سینماتیکی موازی هستند.
تفاوت بین یک بازوی مکانیکی و یک بازوی رباتیک چیست؟
این اصطلاحات قابل تعویض هستند. استاندارد ISO 8373 یک «بازوی صنعتی» را به عنوان ماشینی تعریف میکند که مکانیزم آن از بخشهایی تشکیل شده است که نسبت به یکدیگر برای گرفتن یا جابجایی اشیاء به هم متصل شدهاند. «بازوی رباتیک» اصطلاح رایج مهندسی است. در ادبیات مهندسی روسی، «بازوی رباتیک» و «بازوی رباتیک» به یک ساختار سینماتیکی چند مفصلی اشاره دارند.
چه نوع مفاصلی در بیشتر بازوهای رباتیک صنعتی استفاده میشوند؟
بازوهای شش محوره صنعتی از مفاصل چرخشی (چرخشی) در سراسر بدنه بازو استفاده میکنند. شش مفصل چرخشی به صورت سری، موقعیتیابی و جهتگیری فضایی کامل را فراهم میکنند. مفاصل منشوری در محورهای خارجی، مسیرهای خطی، سیستمهای گانتری، SCARA Z-stroke ظاهر میشوند، نه در خود بدنه بازو.
ساختار سینماتیکی در یک بازوی رباتیک چیست؟
ساختار سینماتیکی، آرایش هندسی پیوندها و مفاصل است که حرکت را تعریف میکند. یک زنجیره سریالی، مفاصل را به ترتیب از پایه تا عملگر نهایی متصل میکند. یک ساختار سینماتیکی موازی، مانند رباتهای دلتا، عملگر نهایی را از طریق چندین شاخه همزمان متصل میکند. این انتخاب، شکل پوشش کاری، بار مفید در دسترسی کامل و رویکرد محاسباتی مورد نیاز برای سینماتیک معکوس را تعیین میکند.