שיקולי ביצועי תנועה בעת בחירת כבלי VFD עבור רובוטיקה

יש להביא בחשבון מספר גורמים עיקריים כדי להבטיח גודל פתרון מינימלי ואמינות מקסימלית בעת הגדרת כבלי דחיפה בתדר משתנה (VFD) עבור רובוטיקה תעשייתית. מאחר ולא קיים פתרון "גודל אחד המתאים לכול", יש צורך בניתוח מדוקדק של דרישות תנועה ספציפיות כדי לקבוע את הכבל הטוב ביותר עבור כל יישום.

סוגים מסוימים של כבלים מתאימים עבור רובוטי ג'אנטרי (Gantry‏), בעוד שאחרים מצטיינים ברובוטים עם מפרקים רב-ציריים, יישומי ליקוט-והשמה או פתרונות רובוטיים אחרים.

המפרטים שיש להביא בחשבון כוללים רדיוס כיפוף מינימלי, פיתול מקסימלי, מבנה גדיל החוטים, דירוג כיפוף רציף (מבוסס על רדיוס כיפוף, מרחק, תאוצה, מהירות ומשקל), חומרי בידוד ומעטה, ורמת המיגון מפני הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI).

מאמר זה מפרט כמה מהדקויות בעת הגדרת כבלים עבור רובוטיקה תעשייתית ומראה כיצד ®ÖLFLEX‏VFD 1XL‏ ו-VFD 1XL‏ עם כבלי אותות של LAPP‏, עם דירוג של עד שני מיליון מחזורי כיפוף, מתאימים עבור שימוש במגוון תכני רובוטים, כולל רובוטי ג'אנטרי. לאחר מכן הוא סוקר את הדרישות של רובוטים עם מפרקים רב-ציריים עם תנועות פיתול וכיפוף מורכבות העשויות להפיק תועלת משימוש בכבלי ÖLFLEX ROBOT F1‏.

המאמר מציג בקצרה לאחר מכן את ÖLFLEX SERVO FD 7DSL‏, כבל היברידי העשוי מחוט שזירה-עדינה ביותר Class 6 ומיועד עד 10 מיליון מחזורי כיפוף לשימוש ביישומי רובוטיקה, כגון הרכבה אוטומטית וליקוט-והשמה. המאמר מסיים בבחינת החשיבות של בלוטות כבלים בהבטחת אמינות תנועת הכבלים והרובוטים.

יסודות התנועה

המבדיל העיקרי בין כבלי VFD עבור יישומים תעשייתיים כלליים לבין רובוטיקה תעשייתית הוא היכולת לתמוך בתנועה מהירה, חוזרת ומדויקת. זה יכול להפעיל מאמצים רבים על הכבלים.

רוב כבלי ה-VFD מדורגים עבור רמה מסוימת של גמישות. לעתים קרובות משמעות הדבר היא שניתן לכופף אותם כדי להקל על ניתוב הכבל במהלך ההתקנה. זה יכול להיות שימושי ביישומים נייחים, אבל זה לא מספיק עבור רובוטיקה.

גורמים המשפיעים על גמישות הכבל כוללים את סוג הבידוד, הוספת עיטוף או מיגון, גודל המוליך ומבנה הגדיל, בין היתר. השגת מספר גבוה של מחזורי כיפוף דורשת תשומת לב מדוקדקת לכל היבט של בניית הכבל, כולל חומר המעטה שהוא גם דק וגם עמיד בפני שחיקה.

רדיוס הכיפוף של הכבל הוא מפרט בסיסי המציין עד כמה הוא יכול להתכופף ללא נזק, אך הוא אינו מציין את מספר מחזורי הכיפוף שהכבל יכול לעמוד בהם. הבנת סוג התנועה היא קריטית עבור בחירת הכבל המתאים ועבור הבטחת מחזור החיים הנדרש.

רדיוס הכיפוף הוא היבט אחד של כיפוף רציף, המכונה גם כיפוף מתגלגל, שהוא מפרט חשוב עבור יישומי רובוטיקה. כיפוף פיתולי הוא סוג נוסף של גמישות שהוא קריטי בסוגים מסוימים של רובוטים; במקרים מסוימים, הכבל יכול להסתובב סביב צירו ±360° (איור 1).

איור 1: כיפוף גמיש יכול להיות מועיל ברוב ההתקנות התעשייתיות של כבלים. יכולות כיפוף רציף וכיפוף פיתולי נדרשות עבור רובוטיקה תעשייתית. (מקור התמונה: LAPP)

כיפוף רציף מתייחס לתנועה חוזרת ונשנית, ליניארית, קדימה ואחורה של כבל, הנפוצה ביישומים כמו ציוד אוטומטי, רובוטי ג'אהטרי או מערכות מסילות כבלים. סוג זה של כיפוף חושף את הכבל לשחיקה ומאמצים מתמידים, מה שמחייב אותו לעמוד בתנועה רציפה ללא תקלה.

כבלים המתוכננים עבור כיפוף פיתולי יכולים לעמוד בפיתול מתמיד. ברובוטים ניתן גם למשוך את הכבל קדימה ואחורה, תוך שילוב של כיפוף ליניארי רציף עם כיפוף סיבובי ופיתולי. כבלים ביישומים כגון רובוטים עם מפרקים רב-ציריים, רובוטי צביעה תעשייתיים (במיוחד באפקטורי-הקצה שלהם) ומערכות ליקוט-והשמה העלולים לחוות כיפוף פיתולי.

שלא כמו בתחומים רבים אחרים בבקרת תהליכים תעשייתיים, אין טרמינולוגיה סטנדרטית לתיאור או לכימות הסוגים השונים של גמישות כבלים. כל יצרן חייב לפתח מערכת סיווג משלו, המבוססת בדרך כלל על סדרה של תקני IEC, כגון IEC 60228, "מוליכים של כבלים מבודדים".

תקן IEC 60228:2023‏ מציין את שטחי החתך הנומינליים עבור מוליכים בכבלים וחוטי חשמל מסוגים ויישומים שונים. הדרישות עבור מספר וגודלי החוטים, כמו גם ערכי התנגדות, כלולות גם כן.

התקן מסווג מוליכים לקטגוריות על סמך הגמישות והמבנה, כולל מוליכים מוצקים (Class 1‏), תקועים (Class 2‏), גמישים (Class 5‏) וגמישים ביותר (Class 6‏). למוליכים גמישים יותר יש מספר גדול יותר של חוטים עדינים יותר בתוך הגדילים.

בנוסף להתייחסות לתקני IEC שונים, מתודולוגיית בדיקת הגמישות הרציפה של LAPP זכתה לתיקוף UL על סמך ביקורת מפורטת. הביקורת כללה דרישות עבור ציוד מיוחד מכויל, צוות מאומן היטב ותיעוד מבוקר, הכול בהתאם לתקן ISO/IEC 17025, תקן בינלאומי המגדיר את הדרישות עבור כשירותן של מעבדות בדיקה וכיול.

חברת LAPP מגדירה סדרה של חמש רמות ביצועים של גמישות רציפה ושתי רמות ביצועים עבור כבלים גמישים פיתוליים (טבלה 1). LAPP גם הגדירה שלוש רמות של גמישות כיפוף עבור כבלים תעשייתיים בסיסיים ושלוש רמות של גמישות פיתול עבור כבלים מיוחדים המשמשים בטורבינות רוח.

טבלה 1: רמות ביצועי כיפוף רציף וכיפוף פיתולי כפי שמוגדר על ידי LAPP. (מקור הטבלה: Lapp)

משקל קל גם הוא שיקול חשוב בבחירת כבלי רובוטיקה. רובוטים תעשייתיים חווים תאוצה ובלימה מהירות, וכבלים קלים ממזערים את כמות המסה, מקלים על תנועות מהירות ומשפרים את יכולתו של הכבל לעמוד באופן אמין בעומסים של מיליוני מחזורי כיפוף ופיתול.

תנועת רובוט בסיסית

כבל ÖLFLEX VFD 1XL‏ של LAPP‏ הוא בעל דירוג גמישות רציפה CF-01, ההופך אותו למתאים עבור יישומים כגון רובוטי ג'אנטרי. כבלים אלה הם עמידים בפני שמן וקרינת UV, כמו גם מסוככים. בידוד פוליאתילן מצולב משופר (XLPE), המכונה גם XLPE פלוס, הוא בעל תכונות מכניות הנדרשות עבור רובוטיקה והקוטר החיצוני שלו הוא קטן יותר ותומך בהתקנה בחללים צרים תוך שמירה על גמישות CF-01‏.

ה-ÖLFLEX VFD 1XL הוא דוגמה טובה לחשיבות של בניית כבלים לגמישות. דגמים בסיסיים כמו 701703‏ עם חוטי נחושת דקים מצופי בדיל, סיכוך המורכב מסרט מחסום וסרט עם רדיד שלוש שכבות (כיסוי של 100%), בתוספת צמת נחושת מצופה בדיל (כיסוי של 85%) בעל דירוג גמישות CF-01 עם מחזור חיים נומינלי של 1 עד 2 מיליון מחזורים ואורכי שרשרת של עד 15 רגל.

הוספת זוג חוטים המסוככים עם רדיד אינדיבידואלי עבור חיבור אותות עם חוט הארקה (Drain‏) כבל מגש (TC) לא-מבודד יכולה לפשט את ההתקנות על ידי מתן אפשרות לכבל אחד להתמודד גם עם הספקת-הכוח וגם עם אותות, אך על חשבון דירוג גמישות נמוך יותר. ל-ÖLFLEX VFD 1XL עם כבלי אותות יש דירוג גמישות של FL-02‏, ההופך אותם למתאימים עבור יישומים תעשייתיים כלליים.

לדוגמה, לדגם ÖLFLEX VFD 1XL‏ 701715‏ עם אותות יש דירוג FL-02 והוא גמיש ביותר הודות ל"תכונות תכן גמישות רציפה" שלו. עם זאת, חסר לו אורך חיים נומינלי, מה שהופך אותו ללא מתאים עבור מרבית יישומי הרובוטיקה (איור 2).

איור 2: עם חוטי האותות הנוספים, כבל ÖLFLEX VFD 1XL זה בעל דירוג גמישות של FL-02, המתאים עבור יישומים תעשייתיים כלליים. ללא חוטי האותות, דירוג הגמישות עולה ל-CF-01, ההופך את הכבל לאידיאלי עבור יישומים רובוטיים בסיסיים. (מקור התמונה: DigiKey)

תנועת רובוט מקסימלית

עבור מרבית יישומי הרובוטיקה התובעניים ביותר, המתכננים יכולים לסמוך על כבל ÖLFLEX ROBOT F1, בעל דירוג גמישות פיתול גבוהה של TCF-01‏. רמה זו של גמישות פיתול מושגת הן על ידי דגמים בסיסיים, כגון 0029591‏, והן על ידי דגמים מסוככים, כמו 0029689‏. לשניהם יש חוטי נחושת דקים ביותר, כמוגדר בתקן IEC 60228‏, ובידוד אלסטומר תרמופלסטי (TPE).

כבלים קטנים יותר, מ-0.14 מ"מ² עד 0.5 מ"מ², כוללים חוטי נחושת מצופי בדיל, בעוד שאלו בקוטר של 0.75 מ"מ² ומעלה, הם בעלי חוטי נחושת חשופה. ההבדל העיקרי בביצועים הוא דירוג הפיתול המקסימלי, שהוא ±360° למטר עבור כבלים לא-מסוככים ו-±180° למטר עבור כבלים מסוככים.

דירוג הפיתול המקסימלי מציין את כמות הפיתול שהכבל יכול לעמוד לאורך של מטר אחד מבלי להינזק. כבלים כאלה עם דירוג גמישות TCF-01 יכולים לעמוד בתנועה רציפה ובמאמץ דינמי גבוה של מעל 10 מיליון מחזורי פיתול.

כבלי ÖLFLEX ROBOT F1 מתוכננים במיוחד עבור שימוש ביישומים כגון רובוטים בעלי מפרקים רב-ציריים, רובוטי ריתוך ורובוטים תעשייתיים עבור צביעה בהתזה. לדוגמה, רובוטי צביעה הם לרוב בעלי שישה צירים ויכולים לממש תנועות מורכבות הדורשות רמות משמעותיות של פיתול (איור 3).

איור 3: רובוטי צביעה תעשייתיים. (מקור התמונה: LAPP)

לא כל הצירים ברובוט רב-צירים חווים בהכרח את אותו סוג או רמת כיפוף. בהתאם לתכן, צירים מסוימים יכולים לחוות פיתול של ±360°, לפעמים בכיוונים מנוגדים, בעוד שצירים אחרים חווים כיפוף ליניארי רציף יותר ופיתול מועט או ללא פיתול כלל. ניתן להשתמש בכבלי ÖLFLEX ROBOT F1 בכל תרחישי התנועה, אך הם מתאימים במיוחד עבור יישומים בהם מתרחשים מאמצי פיתול וכיפוף משולבים, כגון חיבורים לכלי אפקטור-קצה.

תנועת רובוטים ברמת ביניים

כבלי סרוו היברידיים בעלי קיבוליות נמוכה ÖLFLEX SERVO FD, כגון דגם 1023278‏, הם בעלי גדילי חוטים דקים-ביותר מנחושת חשופה, כמוגדר בתקן IEC 60228, מעטה חיצוני מפוליאוריטן (PUR), והם מתוכננים עבור יישומי שרשרות הספקת-כוח דינמיות ביותר. הם מתאימים עבור יישומים הדורשים מחזור חיים ארוך וגמישות ברמת-ביניים, כגון תכנים מסוימים של רובוטי ג'אנטרי ומכונות הרכבה או ליקוט-והשמה.

כבלים אלה הם בדירוג CF-04 עבור כיפוף רציף ומיועדים ליישומים בעלי מחזורי כיפוף רציף גבוהים, עם מסלולי כבלים ארוכים התומכים באורכי שרשרות של עד 300 רגל. יש להם דירוג מחזור חיים של 8 עד 20 מיליון מחזורים. זוג האותות מתאים עבור ממשקי Hiperface DSL ולממשקי פתרון כבל-יחיד (SCS‏) עם קישור-פתוח. הם יכולים לעמוד במאמצי תאוצה גבוהה.

החשיבות של מעצורי מתיחה (Strain Relief‏)

ההגנה שמספק מעצור-מתיחה היא חיונית ביישומי רובוטיקה שבהם הכבלים נתונים למאמצים מכניים משמעותיים. הוא גם מבטיח את אורך חיי חיבורי הכבלים על ידי מניעת העברת כוחות חיצוניים לחיבורים פנימיים, כגון נקודות הלחמה או פיני מחבר. 

סדרה SKINTOP SL/SLR‏ של LAPP היא של בלוטות כבלים עמידות, אטומות לנוזלים וקלות להרכבה, המיועדות עבור יישומי רובוטיקה. לדוגמה, ל-S2221‏ יש תחום הידוק של 9 עד 16 מ"מ והוא מתאים עבור כבלי VFD בקוטר בינוני (איור 4).

איור 4: בלוטות כבלים כאלה מעניקות מעצור-מתיחה עבור כבלים ביישומים כמו רובוטיקה תעשייתית. (מקור התמונה: LAPP)

תותב הניאופרן בבלוטות הכבלים SKINTOP SL/SLR מעניק איטום הרמטי לנוזלים ולאבק בדירוג IP68. יש להם גם מנגנון נעילה משולב עם ראצ'ט פנימי להגנה מפני רעידות.

סיכום

חשוב להבין את דרישות התנועה בעת בחירת כבלים עבור רובוטיקה. האם הכבל יעבור כיפוף רציף, בדומה לרובוט ג'אנטרי, כיפוף פיתולי, בדומה לרובוט צביעה תעשייתי, או שניהם? מה מידת הכיפוף? לדוגמה, חלק מהרובוטים עם מפרקים רבי-צירים יכולים להתכופף ב-±360°, בעוד שאחרים דורשים כיפוף של ±180° בלבד.

הוספת מאפיינים כמו חוטי אותות יכולה להפחית את דירוג הגמישות של הכבל, כפי שנראה ב-ÖLFLEX VFD 1XL לעומת VFD 1XL עם חוטי אותות. כבלים אחרים, כגון ÖLFLEX SERVO FD, יכולים לשמור על רמות טובות מאוד של גמישות רציפה אפילו עם כבלי אותות משולבים, ולשרת את הצרכים של רובוטי ליקוט-והשמה. לבסוף, השימוש בבלוטות כבלים יכול לספק מעצור-מתיחה הדרוש להגנה על הכבלים ועל כל האלקטרוניקה המחוברת, וכן לספק הגנה סביבתית משופרת.

קריאה מומלצת:

1. סוגי רובוטים ניידים אוטונומיים ויישומים
2. כיצד SMEs‏ יכולים להשתמש במטאוורס (Metaverse‏) תעשייתי כדי לבחון ולהתקין פתרונות רובוטיים במהירות
3. מהם הגורמים העיקריים המשמשים לסיווג רובוטים תעשייתיים?
4. כיצד למטב את הלוגיסטיקה התוך-ארגונית כדי לייעל ולהאיץ את שרשרות האספקה של Industry 4.0 - פרק ראשון מתוך שניים
5. מהם השיקולים החשובים בעת הערכת בטיחות קובוטים?
6. שילוב בטוח ויעיל של AMRs בפעולות Industry 4.0 עבור תועלת מרבית