Optymalizacja czasu cyklu i zużycia robota FANUC SR-12iA

Założenia projektu

Analiza została przeprowadzona dla stanowiska zrobotyzowanego przeznaczonego do pobierania i odkładania losowo rozmieszczonych detali (pozycjonowanie systemem wizyjnym iRVision). Masa narzędzia (chwytaka) wynosi 0,3 kg, a masa pobieranego detalu (korbowodu) to 0,2 kg (łączne rzeczywiste obciążenie robota wynosi 0,5 kg).

Cykl pracy uwzględnia 3 sekundy oczekiwania na dojazd detalu do strefy pobrania oraz 1 sekundę opóźnienia na rozruch i wymianę sygnałów.

Konfiguracja symulacji zakłada pracę badanego cyklu robota przez 20 godzin na dobę oraz 300 dni w roku, a obciążenie cieplne wyliczono dla temperatury otoczenia 20°C.

Celem symulacji jest znalezienie optymalnego rozwiązania dla cyklu ułożenia 10 korbowodów w czasie maksymalnie 20 s.

Podsumowanie

Poszczególne zmiany konfiguracji wpływają na parametry pracy robota w następujący sposób:

• Zawyżenie deklarowanej masy (np. z 0.5 kg na 1.0 kg):
  • 🔴 Efekt negatywny: Sterownik automatycznie ogranicza dynamikę maszyny, co niepotrzebnie wydłuża czas cyklu.
  • 🔴 Efekt negatywny: Brak poprawy w żywotności sprzętu (całkowity brak korzyści).
• Mniejsza prędkość (np. zmiana ze 100% na 80%):
  • 🟢 Efekt pozytywny: Znaczący wzrost żywotności przekładni oraz niższe obciążenie cieplne silników.
  • 🔴 Efekt negatywny: Dłuższy czas cyklu (strata ok. 2 sekund).
• Ruch przez punkt pośredni (składanie ramienia):
  • 🟢 Efekt pozytywny: Zmniejszenie momentu bezwładności i mniejsze obciążenie głównego reduktora (J1).
  • 🔴 Efekt negatywny: Wydłużenie czasu cyklu.
• Ruch Liniowy (L):
  • 🟢 Efekt pozytywny: Przejazd po najkrótszej drodze (linii prostej) zapewnia krótszy czas cyklu.
  • 🔴 Efekt negatywny: Prowadzi do większych przeciążeń termicznych osi robota.
• Ruch Osiowy (J):
  • 🟢 Efekt pozytywny: Płynna praca silników, równomierne rozłożenie obciążeń i bezpieczne temperatury.
  • 🔴 Efekt negatywny: Przemieszczanie po łuku wydłuża czas cyklu.

2. Analiza Zmiennych i Fizyka Ruchu

Najbardziej obciążonym elementem mechanicznym w robocie FANUC SR-12iA jest reduktor osi głównej (Oś J1). Żywotność reduktora drugiej osi (Oś J2) we wszystkich testach z łatwością przekracza standardowe 8 lat. Osie pionowa i obrotowa (J3 i J4) nie posiadają klasycznych reduktorów podlegających zużyciu mechanicznemu, lecz oś J3 jest wrażliwa na przeciążenia termiczne.

• Kwestia wagi (Payload): Wpisywanie do sterownika zawyżonej masy jest błędem. Kontroler redukuje przyspieszenia, co wydłuża cykl, ale nie zmniejsza sił fizycznych oddziałujących na przekładnię. Należy używać poprawnej masy (chwytak + obiekt), aby odblokować pełną wydajność.

• Wpływ prędkości robota: Obniżenie prędkości zaledwie o 20% (ze 100% na 80%) drastycznie redukuje energię kinetyczną podczas hamowania. Akceptacja wydłużenia cyklu o ok. 2 sekundy wydłuża żywotność reduktora J1 z 1.5 roku do ponad 5 lat.

• Typ interpolacji (Joint vs Linear): Ruch liniowy (L) prowadzi narzędzie po prostej, co skraca cykl, ale wymaga większej pracy silników (nadużycie przegrzewa oś J3). Ruch osiowy (J) pozwala silnikom wykonać ruch "po najmniejszej linii oporu" - nie jest to linia prosta. Zapewnia to płynną i stabilną pracę bez przeciążania układu.

• Wpływ trajektorii i momentu bezwładności: Przejazd bezpośredni to ruch na wyprostowanym ramieniu – silnik J1 musi wygenerować ogromny moment, by wyhamować masę (degradacja przekładni). Punkt pośredni wymusza złożenie ramienia, co drastycznie zmniejsza bezwładność i odciąża przekładnię J1, choć wydłuża czas cyklu.

Tabela - zestawienie testowanych konfiguracji, czasu cyklu i zużycia:

3. Analiza skrajności

Najkrótszy czas cyklu - 17,23 s

• Konfiguracja: Prędkość 100%, payload 0.5kg, ruch L, przejazd bezpośredni od punktu pobrania do odłożenia.
• Skutki: Reduktor osi J1 wymaga wymiany po zaledwie 1.2 roku. Ruch liniowy przy 100% prędkości przegrzewa oś J3 (przegrzanie 105.3%).

Anty-przykład (Błędna optymalizacja) - czas cyklu 17,88 s

• Konfiguracja: Prędkość 100%, payload 0.5kg, ruch L, przejazd przez punkt pośredni.
• Skutki: Agresywne składanie ramienia w locie przy 100% prędkości i ruchu liniowym skutkuje najgorszym wynikiem termicznym: oś J3 osiąga 111.7% przegrzania.

Najdłuższa żywotność / Najdłuższy czas - 21,76 s

• Konfiguracja: Prędkość 80%, payload 0.5kg, ruch J, przejazd przez punkt pośredni.
• Skutki: Żywotność reduktorów wynosi > 8 lat, a przegrzanie osiąga zaledwie max 56,5%.

4. Optymalne rozwiązanie:

Dla uzyskania czasu cyklu w granicach 20s, rekomendowana jest konfiguracja: Prędkość 80%, payload 0.5kg, ruch J, przejazd bezpośredni.

Uzasadnienie:

• Wydajność: Czas cyklu 20,08 s - nieznaczne przekroczenie czasu cyklu jest warte optymalnej temperatury pracy i czasu bezawaryjnej eksploatacji.
• Trwałość: Żywotność reduktora J1 wynosi 5.3 roku, co pozwala na łatwe i bezpieczne planowanie serwisów.
• Bezpieczeństwo: Obciążenie cieplne (62.8% dla J1, 57.1% dla J3) daje wysoki margines bezpieczeństwa nawet w upalne dni.