Roboty i wnioski dla nas

Roboty i wnioski dla nas

 Jednym z największych światowych producentów robotów przemysłowych oraz systemów automatyki przemysłowej jest niemieckie przedsiębiorstwo KUKA AG. Nietrudno zgadnąć ze firma obsługuje głównie branże motoryzacyjne, które są przeciez narodowymi branżami Niemiec wypracowującymi gigantyczne nadwyżki eksportowe.
Przedsiębiorstwo posiada ponad 20 dystrybucyjno-serwisowych spółek-córek na całym świecie:  w USA , Meksyku, Brazylii, Japonii, Chinach, Korei Południowej, Tajwanie, Indiach i krajach europejskich. Prace badawczo - rozwojowe i konstrukcyjne oraz produkcja odbywa się tylko w Niemczech.

Wspolcześnie niepodzielnie dominują w robotyce napędy elektryczne. Najchętniej stosowane są silniki synchroniczne z magnesami trwałymi. Mniej popularne, chociaż tańsze, są w servonapędach robotów silniki asynchroniczne.
Na etykiecie silników stosowanych w robotach KUKA nie ma słowa Siemens. Jednak konstrukcja oznaczenia silnika jest w konwencji Siemensowskiej i kompletny "silnik" jest  faktycznie produkcji Siemensa. Jednak szczegoły oznaczenia silnika z napisem KUKA są inne niż w katalogowej produkcji stosuje Siemens. Siemens jest narodowym koncernem elektrotechnicznym Niemiec i jego wybór jako dostawcy "silników" jest oczywistością. Poniewaz wzieliśmy pod lupe robota KUKA to pare słow o serwo silnikach Siemensa. Podobne silniki są stosowane w robotach FANUCa czy ABB. Są masowym produktem obecnie dostępnej nowoczesnej technologi.
 "Silnik" Siemensa to w istocie zespolony, kompaktowy blok zawierający sam silnik wraz z bardzo starannie zaizolowanych sensorem temperatury KTY84 umieszczonym w uzwojeniu stojana i sensorem położenia, hamulcem, przekładnią najczęscie planetarna 5:1 lub 10:1 chociaż dostępne sa takze inne przekładnie. Zastosowanie bezobsługowej zespolonej przekładni eliminuje elementy pośrednie i zmniejsza wymiary i moment inercji. Także zabudowanie w bloku "silnika" sensora połozenia niewiele zwiększa wymiar silnika. Blok "silnika" ma dwa przemysłowe złącza. Złączem prądowym doprowadzana jest do silnika trojfazowa moc z inwertera oraz sterowanie hamulca. Złączem sygnałowym są wyprowadzone sygnały z sensora połozenia i temperatury. Kompletny blok "silnika" znacznie uprasza konstrukcje robota.
Oferta Siemensa na "silniki" serwomechanizmowe jest bogata a pobieżny przeglądowy katalog ma 225 stron. Ze strony Siemensa można pobrać katalog "silników" servo:
https://www.automatyka.siemens.pl/docs/da65_3_2004_gesamt_e2.pdf
Serwomechanizmowe silniki małej i średniej mocy mają chłodzenie naturalne. Większe jednostki mają chłodzenie wymuszone ciągle pracującą dmuchawą a największe jednostki mają chłodzenie wodne.      

Obecna rodzina silników synchronicznych 1FK7 jest o 25% mniejsza od zastąpionej przez nią starszej rodziny 1FK6.
- Na wirniku silnika są magnesy stałe z pierwiastków ziem rzadkich
- Mały jest moment inercji. Oczywiscie hamulec i sensor położenia a takze ewentualnie przekładnia zwiększają ten niepożądany moment ale są koniecznością i nie mozna się bez nich w konstrukcji robota obejść.
- Wysoka przeciążalność. Przez czas 250 ms silnik można forsować momentem równym 300% momentu nominalnego.
- Silniki są przeznaczone do sterowania inverterami zasilanymi wyprostowanym trojfazowym napieciem sieciowym 540 lub 600Vdc.
- Przy temperaturze otoczenia 40 C dopuszczalny jest 100 C przyrost temperatury izolacji uzwojeń wykonanych w klasie F. W starszej rodzinie silników stosowano izolacje klasy E. Reguła jest wygenerowanie na podstawie pomiaru z wbudowanego w uzwojenia sensora KTY84 pre-alarmu ostrzegawczego dla systemu przy temperaturze uzwojenia 125C i wysokopoziomowego alarmu ( ratunkowe wyłączenie silnika i załączenia hamulca/ów jest konieczne jako że nastąpiłby gwałtowny spadek żywotności silnika lub jego natychmiastowe zniszczenie ) przy temperaturze 150 C. O tym decyduje oprogramowanie sterownika. Przesadne dynamiczne forsowanie silnika skróci jego zywotność. Jednak samo forsowanie jest koniecznością o czym dalej. Robot jest elementem całej synchronicznie pracujacej lini produkcyjnej ( ma cały repertuar interfejsów komunikacyjnych do wspólpracy z otoczeniem ) i na podstawie pre-alarmu można teoretycznie profilaktycznie spowolnić prace lini produkcyjnej a w tym robota bowiem w przeciwnym razie robot w końcu zostanie ratunkowo unieruchomiony. Sensor temperatury ma okresloną stałą czasową odpowiedzi a przy silnym forsowaniu silnika uzwojenia szybko się nagrzewają. Faktyczne temperatury uzwojeń są więc większe niż 125 i 150 C. Mimo starannej izolacji sensora KTY84 przy termicznym zniszczeniu izolacji uzwojenia silnika moze nastapić przebicie elektryczne miedzy obwodem inwertera i siecią zasilajacą a masa systemu. Interface do wspołpracy z sensorem KTY84 przewiduje taka katastrofalną sytuacje ale i tak konsekwencje są poważne.     
- Wysoka sprawność
- Pulsacje momentu ponizej 1%
- Dobra ochrona przed warunkami środowiska

Maksymalne prędkości obrotowe silników wynoszą 1500, 2000, 3000, 4500, 6000 obrotów na minute. Czestotliwość prądu zasilającego silnik może przekroczyć 200 Hz co wymaga konstrukcji pakietu stojana z cienkich blach i użycia specjalnych materiałów magnetycznych. Blachy są automatycznie bardzo starannie cięte aby uniknąć pogorszenia własności magnetycznych wskutek napręzeń i odpręzane termicznie.  Brak jest jednak szczególowych informacji na  temat uzytych blach. To oraz uzycie magnesów z ziem rzadkich sprawia że konstrukcji silnika jest niebanalna. Niemcy są wielkim partnerem gospodarczym Chin i Siemens z pewnoscią pierwiastki ziem rzadkich magnesów kupuje w Chinach wprost od producentów z pierwszej ręki. 

Na moment inercji wbudowanego w  robota kompletnego napędu składa sie sam moment inercji "silnika" oraz moment inercji poruszanych elementów robota. Przy czym dominuje moment inercji silnika. Jesli więc zastosujemy duzy silnik bez forsowania momentu  to musi on byc naprawde duży aby sam głównie napedzać swoją własną bezwładność. Poza tym ciezar silnika wyzszych "numerów" ( objaśnienia dalej ) napedów składa się na moment napedowy nizszych numerów napędów. W standardowych sześciosiowych robotach KUKA stosowane sa trzy takie same mocniejsze silniki do napędów 1,2,3 i trzy takie same słabsze silniki do napędów numer 4,5,6. "Silniki" 4,5,6 mogę od razu mieć dlugi wałek z przegubami krzyżakowymi co znów banalizuje konstukcje mechaniczną robota. Tego rozwiązania nie ma w katalogu serwo silników Siemensa.  Oczywiście do konstrukcji robota warto stosować lekkie materiały aby oszczędzic na mocy i koszcie serwonapędów.  

W "silnik" wbudowany jest inkrementalny kwadraturowy sensor fotoelektryczny z gołym sygnalem wyjsciowym "cyfrowym" lub analogowym sin/cos 1 Vpp  lub cyfrowym ( interfejs szeregowy ) lub wielobiegunowy ( z zasady tyle samo biegunów ile ma sam silnik ) resolver czyli po polsku selsyn przelicznikowy. W "silnikach" stosowanych w robotach KUKA stosowany jest właśnie resolver. 
Co może dziwić to generalny brak sygnału Index. Współpracujący sterownik ma za to pamięć nieulotną i odpowiedni algorytm. Program po zatrzymaniu napędu i uruchomieniu hamulca przed zasadniczym Resetem ( ostateczny spadek napiecia zasilania wymagający zatrzymania procesora, który błednie by działal czyniąc szkody ) w reakcji na pre-reset ( przerwanie niemaskowalne sygnalizujące że za chwile nastapi brak zasilania i Reset ) zapisuje położenie sensora czyli napędu  do pamieci nieulotnej. Po ponownym uruchomieniu systemu ( przed odpuszczeniem hamulców ) program sprawdza czy aktualne położenie sensora nie rozni sie wiecej niz 6 działek elementarnych od momentu ostatniego odstawienia systemu. Jesli rożnica jest wieksza oznacza to ze siłowo manipulowano zahamowanym robotem lub był on na przykład naprawiany. Konieczne jest więc ponowne odnalezienie bazy czyli punktu odniesienia.
Na rysunkach [ za Siemens ] pokazano idee wbudowanych sensorów połozenia wirnika "silnika".

"Silnik" serwomechanizmu jest drogi choćby na tle masowo produkowanych silników asynchronicznych. Jest istotnym składnikiem ceny robota czy maszyny CNC.
Automatyzacje w masowej produkcji silników elektrycznych w amerykańskich koncernach General Electric i Westinghouse wdrażano od lat dwudziestych XX wieku ! Technologia produkcji silników elektrycznych jest więc bardzo zaawansowana i dojrzała.
Resolver czyli selsyn przelicznikowy  to mikromaszyna elektryczna bedąca produktem elektromaszynowego przemysłu precyzyjnego. Zintegrowanie jej w "silniku" bardzo upraszcza i potania konstrukcje. Obwód magnetyczny resolwera zbudowany jej z permoallojów, które sa drogie i wymagają starannej obróbki, także termicznej.
Prostsza jest sprawa z inkrementalnymi kwadraturowymi sensorami fotoelektrycznymi. Dobry i niedrogi zestaw tarczy z wzorem  i modulu diod LED i fotodiod jest od lat produkowany przez koncern Hewlett-Packard czyli obecny Agilent Technologies będący samodzielną filią Hewlett-Packard.
Praktycznie kazdy wspołczesnie produkowany procesor do sterowania inverterow i silnikow ma interfejs do inkrementalnych kwadraturowych sensorów fotoelektrycznych.

W dawnym ZSRR produkowano silniki seromechanizmowe i maszyny NC i CNC. Kopiowano też zachodnie systemy sterujące.