Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Современные упаковочные линии в пищевой, фармацевтической и электронной промышленности предъявляют исключительные требования к скорости, точности и гигиеничности робототехнического оборудования. Два типа промышленных роботов занимают доминирующее положение на операциях pick-and-place: дельта-роботы (параллельная кинематика) и SCARA-роботы (горизонтально-шарнирная архитектура). Оба типа разработаны для высокоскоростной манипуляции лёгкими объектами, однако используют принципиально различные конструкции шарнирных узлов, подшипников и приводов.
Подшипники качения, сферические шарнирные опоры, перекрёстные роликовые подшипники, шариковинтовые пары (ШВП) и линейные направляющие -- это те элементы, от которых напрямую зависят повторяемость позиционирования, динамические характеристики и ресурс робота. Износ шарнирных подшипников в дельта-роботе может за несколько месяцев существенно снизить точность позиционирования, а люфт в перекрёстных роликовых подшипниках SCARA-робота непосредственно влияет на качество сборочных операций.
В данной статье подробно рассмотрены конструкции подшипниковых узлов дельта-роботов ABB IRB 360 FlexPicker, FANUC M-1iA и M-3iA, а также SCARA-роботов Epson серий LS и T, Yamaha YK-XG и FANUC SR-3iA/SR-6iA/SR-12iA. Для каждого типа робота описаны применяемые подшипники, направляющие и редукторы, приведены технические характеристики и рекомендации по подбору комплектующих.
Дельта-робот -- параллельный манипулятор, впервые описанный Реймоном Клавелем в Федеральной политехнической школе Лозанны (EPFL) в 1985 году. Конструкция представляет собой неподвижное основание с тремя (реже четырьмя) приводными серводвигателями, от которых через верхние рычаги и систему параллелограммных тяг движение передаётся к подвижной платформе -- рабочему органу.
Ключевая особенность конструкции -- использование параллелограммных звеньев, состоящих из пар параллельных стержней (обычно из углепластика или алюминиевых трубок). Параллелограммы обеспечивают сохранение ориентации рабочей платформы параллельно основанию на протяжении всего рабочего хода, предоставляя три степени свободы в трансляционных перемещениях (X, Y, Z). Четвёртая ось вращения реализуется через дополнительный привод, передающий момент через центральный вал или телескопическую тягу.
Каждый рычаг дельта-робота содержит минимум четыре шарнирных соединения: два в области сочленения верхнего рычага с параллелограммными тягами (локтевой узел) и два в месте крепления тяг к подвижной платформе. Таким образом, для трёхосевого дельта-робота общее число сферических шарниров составляет от 12 (при использовании двух тяг на рычаг) и более. Именно эти шарниры являются наиболее нагруженными и изнашиваемыми элементами конструкции.
В отличие от последовательных (серийных) манипуляторов, все приводные двигатели дельта-робота размещены на неподвижном основании. Это радикально снижает инерцию подвижных частей и позволяет достигать ускорений свыше 10g и скоростей выполнения более 200 циклов pick-and-place в минуту.
Сферические (шаровые) шарниры -- критически важные элементы, определяющие точность, жёсткость и ресурс дельта-робота. В промышленных дельта-роботах применяется несколько конструктивных решений для реализации сферических соединений.
Наиболее распространённое решение в промышленных дельта-роботах -- шаровые опоры (rod ends) с полимерными или композитными вкладышами. Шаровая головка из закалённой хромистой стали (100Cr6 по DIN / ШХ15 по ГОСТ 801) работает в полимерном гнезде из PTFE-композита, ацеталя (POM) или нейлона. Такие шарниры обеспечивают три степени свободы вращения и не требуют смазки в нормальных условиях.
В пищевом исполнении дельта-роботов (washdown и stainless версии ABB IRB 360) применяются шарниры из нержавеющей стали AISI 316 с вкладышами из пищевого PTFE. Отсутствие смазки устраняет риск контаминации продукта.
Альтернативное решение -- карданные (универсальные) шарниры с игольчатыми подшипниками качения. Такие конструкции применяются в дельта-роботах с повышенной грузоподъёмностью. Игольчатые подшипники обеспечивают малый коэффициент трения и высокую несущую способность при компактных размерах. Фирма Belden Universal, например, разработала специализированные карданные шарниры для дельта-роботов из нержавеющей стали, использующие прецизионные игольчатые подшипники увеличенного наружного диаметра для повышенных нагрузок.
В дельта-роботах малой грузоподъёмности (до 1-2 кг) широко применяются магнитные шаровые соединения: стальной шарик (диаметром 8-12 мм), запрессованный в рычаг, удерживается на магнитной чашке, прикреплённой к платформе. Удерживающие пружины или неодимовые магниты обеспечивают необходимый преднатяг. Такое решение используется, в частности, в некоторых конфигурациях FANUC M-1iA и в ряде OEM-дельта-роботов для лёгких операций.
Серводвигатели дельта-роботов устанавливаются на неподвижном основании и оснащаются миниатюрными шариковыми радиальными подшипниками класса точности P5 (ABEC 5) и выше. В ABB IRB 360 каждая из трёх (или четырёх) осей приводится AC-серводвигателем. Типичные типоразмеры подшипников двигателей -- серий 6000 и 6200 по ГОСТ 8338-2022, в зависимости от мощности привода. Высокие скорости вращения (свыше 3000 об/мин) обусловливают применение подшипников с полиамидными сепараторами и пластичными смазками на полимочевинной основе.
ABB IRB 360 -- один из наиболее распространённых промышленных дельта-роботов в мире. Семейство включает модели с грузоподъёмностью от 1 до 8 кг и радиусом рабочей зоны 1130 и 1600 мм. Повторяемость позиционирования составляет +/-0,1 мм. Масса робота -- 120 кг (стандартное и wash-down исполнение) и 145 кг (нержавеющее исполнение).
Конструкция IRB 360 включает три или четыре приводных оси (3- и 4-осевые конфигурации). Каждый привод -- индивидуальный AC-серводвигатель, соединённый с верхним рычагом. Угловые скорости осей: J1 -- до 396 град/с, J2 -- до 780 град/с, J3 -- до 1100 град/с, J4 (ось вращения) -- до 2500 град/с.
Параллелограммные тяги выполнены из углепластиковых трубок, соединённых с верхними рычагами и рабочей платформой через шаровые опоры. В пищевом исполнении (IP69K) шарниры выполнены без смазки (lubricant-free joints), устойчивы к воздействию промышленных моющих средств и горячей воды под давлением.
FANUC M-1iA -- сверхкомпактный дельта-робот для высокоскоростной манипуляции мелкими деталями. Доступен в конфигурациях с 3, 4 и 6 осями. Модель M-1iA/0.5A имеет грузоподъёмность 0,5 кг, радиус 280 мм и повторяемость +/-0,02 мм. Расширенная версия M-1iA/0.5AL -- радиус 420 мм. Шестиосевые варианты оснащены трёхосевым запястьем, обеспечивающим дексоподобную подвижность кисти.
Масса робота M-1iA составляет всего 17-20 кг, что обусловлено применением миниатюрных подшипников и лёгких композитных материалов для тяг. Шарнирные узлы -- сферические шарниры с полимерными втулками или магнитные шаровые соединения.
FANUC M-3iA -- дельта-робот среднего класса грузоподъёмности (до 12 кг) для упаковки и pick-and-place. Модель M-3iA/12H имеет 3 оси и грузоподъёмность 12 кг при горизонтальном охвате 1350 мм, степень защиты IP67. Шестиосевая модель M-3iA/6A обеспечивает грузоподъёмность 6 кг. Как и в IRB 360, параллелограммные тяги соединены сферическими шарнирами, однако их увеличенный типоразмер рассчитан на более высокие нагрузки.
SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) -- горизонтально-шарнирный робот с 4 степенями свободы, разработанный под руководством профессора Хироши Макино в Университете Яманаси (Япония) в 1978-1981 годах. Архитектура SCARA характеризуется двумя параллельными осями вращения в горизонтальной плоскости (плечевой J1 и локтевой J2), вертикальной осью линейного перемещения (J3, Z-ось) и осью вращения инструмента (J4, R-ось).
Принцип избирательной податливости означает, что робот является жёстким в вертикальном направлении (Z) и допускает небольшую податливость в горизонтальной плоскости (XY). Это качество идеально подходит для операций вертикальной вставки деталей, сборки, дозирования и pick-and-place.
В отличие от дельта-робота, SCARA-робот использует последовательную (серийную) кинематическую схему, где каждое звено вращается относительно предыдущего. Это обусловливает принципиально иной набор подшипниковых узлов: вместо сферических шарниров здесь применяются перекрёстные роликовые подшипники, шариковинтовые пары и волновые редукторы.
Перекрёстные роликовые подшипники (crossed roller bearings) -- основной тип опор вращения в осях J1 (плечо) и J2 (локоть) промышленных SCARA-роботов. Конструкция подшипника предусматривает расположение цилиндрических роликов под углом 90 градусов попеременно между внутренним и наружным кольцами. Такая компоновка позволяет одному подшипнику воспринимать радиальные, осевые и опрокидывающие нагрузки одновременно -- что критически важно для консольных нагрузок, возникающих в рычажной системе SCARA.
Высокая жёсткость перекрёстных роликовых подшипников непосредственно определяет точность позиционирования робота. Допустимый момент опрокидывания значительно превышает аналогичный параметр радиально-упорных шариковых подшипников при сопоставимых габаритах. Именно поэтому ведущие производители SCARA-роботов (Epson, Yamaha, FANUC) применяют перекрёстные роликовые подшипники в критических узлах.
Ось вращения инструмента (J4, R-ось) оснащается шариковыми радиальными подшипниками (типоразмеры 6000-6200 серий) или миниатюрными шариковыми упорными подшипниками. В роботах Yamaha YK-XG ось R использует полый волновой редуктор с прямым приводом (без ременной передачи), что обеспечивает высокую жёсткость и допустимый момент инерции.
Ось Z (линейное вертикальное перемещение) в SCARA-роботах реализуется с помощью шариковинтовой пары (ШВП, ball screw). В ряде высокоточных роботов применяется комбинированный узел -- шариковый шлиц (ball spline), совмещающий функции линейного перемещения (Z) и вращения инструмента (R) в одном конструктивном элементе.
В SCARA-роботах Yamaha YK-XG ось Z использует ШВП с прямым приводом от серводвигателя (ball screw directly connected structure). Это исключает ременную передачу и связанные с ней люфты, вытяжку ремня и необходимость периодического натяжения. Ход оси Z варьируется в зависимости от модели: от 100 до 300 мм.
В SCARA-роботах FANUC серии SR ход оси Z составляет 200 мм (SR-3iA), 210 мм (SR-6iA). Максимальная скорость перемещения по Z -- до 2000 мм/с. Класс точности ШВП -- C5-C7 по ISO 3408 (DIN 69051) для стандартных моделей и C3-C5 для прецизионных.
Шариковый шлиц -- конструктивный элемент, в котором шариковые тела качения обеспечивают одновременно линейное перемещение и передачу крутящего момента. Вал шлица имеет продольные дорожки качения, а гайка содержит рециркулирующие шарики. Это решение применяется в SCARA-роботах для совмещения Z-хода и R-вращения в одном узле, что значительно сокращает длину кинематической цепи и повышает жёсткость.
В патентных решениях SCARA-роботов (например, CN103624794A) описана конструкция, где шариковый шлиц соединён с волновым редуктором через синхронный ремень, а ШВП обеспечивает Z-перемещение через отдельный привод. Такая схема позволяет независимо управлять линейным и вращательным движениями оси Z-R.
Epson производит один из наиболее широких модельных рядов SCARA-роботов в мире. Серия LS -- универсальные промышленные SCARA-роботы с внешним контроллером RC90, доступные с длиной руки от 400 до 1000 мм. Повторяемость -- от +/-0,01 мм (LS3) до +/-0,025 мм (LS10-B80x). Серия T (Synthis T3, T6) -- компактные SCARA-роботы со встроенным контроллером в основании, предназначенные для простых операций pick-and-place с повторяемостью +/-0,02 мм.
Серия Yamaha YK-XG охватывает модели с длиной руки от 120 до 1200 мм и грузоподъёмностью от 1 до 50 кг. Ключевая конструктивная особенность серии XG -- полностью безременная структура (beltless), реализованная за счёт прямого соединения серводвигателей с осями Z и R через волновые редукторы (harmonic gears). Это устраняет основные источники люфтов и деградации точности: вытяжку ремней, износ зубьев шкивов и колебания натяжения.
В конструкции YK-XG ось вращения R использует полый волновой редуктор с прямым приводом. Ось Z оснащена ШВП с прямым приводом от вертикально установленного серводвигателя. Позиционные датчики -- резольверы (не оптические энкодеры), что обеспечивает высокую устойчивость к загрязнениям и конденсату. Шпиндель оси Z -- независимый шлицевой вал высокой жёсткости.
Повторяемость моделей YK250XG-YK400XG составляет порядка +/-0,01 мм (XY). Стандартное время цикла -- от 0,45 с. Волновые редукторы используют долговечную герметичную смазку, не требующую замены в течение всего срока службы.
Серия FANUC SR -- сверхкомпактные SCARA-роботы с 4 осями. SR-3iA имеет грузоподъёмность 3 кг, радиус 400 мм, ход Z 200 мм. SR-6iA -- 6 кг, 650 мм, ход Z 210 мм. SR-12iA -- 12 кг, 900 мм. Повторяемость -- +/-0,01 мм. Масса SR-3iA составляет всего 19 кг, SR-6iA -- 30 кг.
Время стандартного цикла SR-3iA -- 0,33 с, что является одним из лучших показателей в классе. Максимальные угловые скорости: J1 -- 720 град/с, J2 -- 780 град/с, J4 -- 3000 град/с. Скорость перемещения Z -- до 1800 мм/с (SR-3iA) и 2000 мм/с (SR-6iA).
Волновые редукторы (strain wave gears) семейства Harmonic Drive -- стандартный элемент привода осей вращения как SCARA-, так и дельта-роботов (в осях вращения инструмента). Главные преимущества волновых редукторов для робототехники: практически нулевой мертвый ход (кинематическая погрешность менее 1 угловой минуты), высокое передаточное отношение в одной ступени (50:1 - 160:1), компактность и малая масса.
В конструкции SCARA-робота волновые редукторы серий CSF и CSG (Harmonic Drive) или SHF (Simplicity Units) устанавливаются в плечевом (J1) и локтевом (J2) узлах. Согласно документации Harmonic Drive, в плечевом узле внешнее кольцо встроенного перекрёстного роликового подшипника присоединяется к верхнему сегменту руки робота, а круговой шлиц -- к базе. В локтевом узле круговой шлиц крепится к нижнему сегменту руки.
Для улучшения динамических характеристик в локтевой оси SCARA-роботов применяется специальный генератор волн с пониженным моментом инерции (low inertia Wave Generator), не имеющий муфты Олдгема стандартной конструкции. Снижение момента инерции генератора волн может достигать 40%, что существенно повышает динамику разгона и торможения оси.
Подшипниковые системы дельта- и SCARA-роботов отражают принципиальные различия кинематических схем. Дельта-робот имеет большое число сферических шарниров (12 и более), каждый из которых работает с малыми углами качания при высокой частоте. SCARA-робот использует меньшее число, но более нагруженных узлов вращения -- перекрёстные роликовые подшипники, воспринимающие значительные консольные нагрузки.
Основной объект регулярного обслуживания в дельта-роботе -- сферические шарниры параллелограммных тяг. Полимерные вкладыши и изоляционные кольца (Delrin, нейлон) подвержены износу при непрерывной высокоскоростной работе. По данным производителей, ресурс вкладышей составляет около 1 миллиона циклов, после чего рекомендуется проверка и при необходимости замена. На практике замена выполняется каждые 6-12 месяцев в зависимости от интенсивности эксплуатации.
Регламент обслуживания включает: проверку люфтов шарниров, осмотр и замену пружин удерживания тяг, смазку штуцеров (Zerk fittings) на двигателях, проверку износа шайб. Большинство производителей подчёркивают, что замена этих элементов -- быстрая и недорогая процедура, не требующая длительного простоя линии.
Перекрёстные роликовые подшипники SCARA-роботов имеют значительно больший ресурс -- от 20 000 до 40 000 часов непрерывной работы при соблюдении нагрузочных режимов. Основной фактор, определяющий ресурс, -- качество и количество смазки. В роботах Yamaha YK-XG волновые редукторы используют герметичную долговечную смазку, не требующую замены в течение штатного срока службы.
ШВП оси Z требует периодического контроля преднатяга и смазки. Признаки износа ШВП: увеличение мёртвого хода, повышенный шум при перемещении, снижение повторяемости по оси Z.
При выборе подшипниковых узлов для дельта- и SCARA-роботов в упаковочных применениях необходимо учитывать следующие ключевые факторы:
Для дельта-роботов определяющим параметром является динамическая грузоподъёмность сферических шарниров при высокочастотных колебательных нагрузках. Расчёт ресурса ведётся по ISO 281:2007 с учётом коэффициента осциллирующего режима. Для SCARA-роботов критический параметр -- допустимый момент опрокидывания перекрёстного роликового подшипника, определяющий максимальную консольную нагрузку при полном вылете руки.
Подшипники для осей вращения SCARA-роботов должны соответствовать классу точности P4 (ABEC 7) или P2 (ABEC 9) по ISO 492. Для приводных двигателей -- не ниже P5 (ABEC 5). Класс точности ШВП -- C5-C7 по ISO 3408 для стандартных упаковочных операций и C3-C5 для прецизионных сборочных задач.
Пищевые упаковочные линии предъявляют требования к коррозионной стойкости (нержавеющая сталь AISI 316 или 440C), совместимости смазок с пищевыми стандартами (NSF H1, FDA), герметичности (IP67, IP69K). В дельта-роботах для пищевой отрасли предпочтительны безмасляные шарниры на базе PTFE-композитов.
Для дельта-роботов с производительностью свыше 150 циклов/мин подшипники шарниров должны обеспечивать коэффициент трения не более 0,15 в сухом режиме. Момент инерции шарнирных узлов должен быть минимизирован -- каждый дополнительный грамм на подвижных частях снижает достижимое ускорение.
Для обслуживания и модернизации дельта- и SCARA-роботов на упаковочных линиях требуется широкий ассортимент прецизионных комплектующих: шарнирные подшипники, перекрёстные роликовые подшипники, ШВП, линейные направляющие и подшипники для электродвигателей.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.