Робототехника — это междисциплинарная отрасль техники и науки, которая включает в себя машиностроение, электронную инженерию, информационную инженерию, информатику и пр. Робототехника занимается проектированием, строительством, эксплуатацией и применением роботов, а также компьютерных систем для их управления, сенсорной обратной связи и обработки информации.
Эти технологии используются для разработки машин, которые могут заменить людей и воспроизвести человеческие действия. Роботы могут использоваться во многих ситуациях и для многих целей, но сегодня многие из них используются при опасных обстоятельствах (включая обнаружение и обезвреживание бомб), в производственных процессах или там, где люди не могут выжить (например, в космосе, под водой, при высокой температуре, а также для очистки и локализации опасных материалов и радиации). Роботы могут принимать любую форму, но некоторые из них внешне напоминают людей. Говорят, что это помогает в принятии робота при определенном репликативном поведении, обычно осуществляемым людьми. Такие роботы пытаются воспроизвести ходьбу, подъем тяжестей, речь, понимание или любую другую человеческую деятельность. Многие из сегодняшних роботов вдохновлены природой, внося свой вклад в область робототехники, вдохновленной живыми организмами.
Концепция создания машин, которые могут работать автономно, восходит к классическим временам, но исследования функциональности и потенциального использования роботов в значительной мере не проводились до 20-го века. На протяжении всей истории различные ученые, изобретатели, инженеры и техники часто предполагали, что роботы однажды смогут имитировать поведение человека и решать задачи как люди. Сегодня робототехника является быстро развивающейся областью, поскольку технологический прогресс продолжается; Исследования, проектирование и создание новых роботов служат различным практическим целям, будь то внутренние, коммерческие или военные. Многие роботы созданы для выполнения работ, опасных для людей, таких, как обезвреживание бомб, поиск выживших в нестабильных руинах и исследование шахт и затонувших кораблей. Робототехника также используется в STEM (наука, технология, инженерия и математика) в качестве учебного пособия.
Появление нанороботов, микроскопических роботов, которые могут быть введены в тело человека, может произвести революцию в медицине и здоровье человека.
Робототехника — это отрасль техники, которая включает в себя концепцию, проектирование, производство и эксплуатацию роботов. Эта область пересекается с электроникой, информатикой, искусственным интеллектом, мехатроникой, нанотехнологиями и биоинженерией.
Подшипники для робототехники и автоматизации
Использование робототехники и автоматизации продолжает становиться все более распространенным во всех отраслях, особенно в производстве, поскольку компании осознают весь потенциал своей способности снижать затраты, увеличивать производство и обеспечивать большую эффективность и конкурентоспособность.
Типичные промышленные роботизированные приложения включают сварку, покраску, сборку, проверку и тестирование продукции. По мере развития технологий автоматизация продемонстрировала экспоненциальное улучшение выносливости, скорости и точности, при этом более чувствительные приложения в медицине и других высокотехнологичных секторах становятся обычным явлением.
Из-за высоко скоординированного, запрограммированного движения по двум или более осям подшипники играют важную роль в аспекте управления движением в робототехнике. Использование высокоточных подшипников является неотъемлемым фактором для тех, кому поручено проектировать и обслуживать эти приложения. Срок службы и производительность подшипников требуют выбора правильного типа, материала и смазки.
Однорядные радиальные шарикоподшипники с глубокими канавками, размером от миниатюрных до очень больших, как правило, являются предпочтительным выбором для большинства роботизированных и автоматизированных применений. Подшипники тонкого сечения часто проектируются в шарниры манипуляторов роботов из-за их малой массы, компактной конструкции и способности обеспечивать высокую скорость.
Роликовые подшипники обычно являются лучшим выбором для тяжелых условий эксплуатации. Опорно-поворотные кольца являются распространенным выбором для основного вращательного и связанного с ним подъемного оборудования. Гибридные (керамические шарики с кольцами из нержавеющей стали) и цельнокерамические подшипники являются отличным вариантом для работы в вакууме или других негостеприимных условиях.
Опасные среды, которым часто подвергаются роботизированные приложения, требуют надлежащей защиты от загрязнения, чтобы предотвратить попадание мусора всех типов, форм и размеров в подшипник, избежать причинения непоправимого ущерба или преждевременного выхода из строя.
Существует множество типов затворов подшипников, каждый из которых имеет свои преимущества. Независимо от типа, затворы продлевают срок службы подшипника, предотвращая попадание загрязнений на критические поверхности внутри подшипника и помогают удерживать смазку в подшипнике.
Металлические экраны не имеют прямого контакта с внутренним кольцом, что сводит к минимуму крутящий момент вращения и помогает максимизировать рабочую скорость. Формованные резиновые уплотнения (обычно изготовленные из проверенного материала Buna-N) соприкасаются с внутренним кольцом, что обеспечивает лучшую защиту в более загрязненных средах по сравнению с металлическими экранами, но также увеличивает пусковой и рабочий момент из-за сопротивления уплотнения.
Уплотнения также могут снижать максимальную скорость вращения при желаемом уровне оборотов, что необходимо учитывать. В зависимости от типа подшипника для дополнительной защиты могут быть применены уплотнения / экраны комбинированного типа.
Обладая превосходной устойчивостью к воздействию определенных химических веществ, уплотнения из ПТФЭ, армированные стекловолокном, могут быть предпочтительным выбором, поскольку они также обеспечивают более высокую рабочую скорость и меньшее сопротивление крутящему моменту по сравнению с резиновыми уплотнениями.
Рабочая среда, приложенная нагрузка и предполагаемый профиль движения также могут влиять на выбранный материал подшипника. Для суровых или агрессивных сред, типичных для медицины, общественного питания и химической промышленности, часто применяется нержавеющая сталь 440C для колец и шариков вместо стандартной твердой хромированной стали.
Надлежащая смазка подшипников является еще одним важным фактором оптимизации производительности и продления срока службы подшипника. Например, в средах пищевой промышленности и производства напитков строгие нормативные требования из-за возможности случайного контакта с перерабатываемым веществом часто предписывают использование пищевых смазочных материалов H1, которые обычно содержат синтетические масла на основе углеводородов с комплексными загустителями на основе мочевины, полимочевины или алюминия.
Важнейшей функцией смазочного материала является минимизация сопротивления трению и износа движущихся частей, которыми (в случае подшипников) являются шарики или ролики и дорожки качения колец. Смазка, предназначенная для конкретных условий эксплуатации, обеспечит надлежащую долго сохраняющуюся пленку, защищающую от износа. В идеальных условиях эта плёнка разделяет поверхности трения. Кроме того, смазочный материал обеспечивает отвод тепла и общую термическую стабильность подшипников. Правильный выбор смазочного материала позволит избежать быстрой порчи подшипника, а также обеспечит защиту от коррозии, влаги и загрязняющих веществ.
Оптимизация подшипников для роботизированных систем
Идея персональных роботов, помогающих в работе по дому, кажется великолепной, но мы далеки от того, чтобы эта технология была достаточно эффективной и доступной для широкого распространения. Точность и аккуратность, необходимые для того, чтобы «потребительские» роботы стали реальностью, становятся все более возможными благодаря исследованиям и разработкам, проводимым в области промышленной автоматизации, особенно в последнее десятилетие.
От производства и упаковки до хирургических сред, роботы выполняют все более сложные задачи, быстрее и с большей точностью, чем когда-либо прежде. Например, в операционных роботы могут выполнять сложные операции с такой воспроизводимой точностью, что связанный с ними риск для пациента резко снизился, а время восстановления пациента улучшилось.
Наше отношение к промышленным роботам также меняются. В заводских цехах коллаборативные роботы вырываются из клеток, которые традиционно ограничивали их, чтобы работать на открытом месте вместе с людьми.
Эти разработки стали возможными благодаря достижениям в области двигателей, приводов и датчиков, а также вездесущих подшипников. Гибридные хромированные и стальные подшипники, керамические подшипники и поворотные подшипники широко распространены в роботизированных приложениях, при этом подшипники тонкого сечения также играют ключевую роль, но инженеры могут упускать их из виду.
Необходимость небольших объёмов
Подшипники тонкого сечения обеспечивают более высокие скорости, повышают эффективность, обеспечивают более высокий уровень гибкости конструкции, а также снижают трение. И, поскольку разница в размерах между внутренним и внешним кольцом очень мала, они также уменьшают вес и объем приложения, что делает их идеальным выбором для робототехники, где и занимаемая площадь, и вес являются основными элементами.
Однако из-за того, что они такие тонкие, особое внимание следует обратить на округлость самого кольца. Если вы возьмете подшипник тонкого сечения без какой-либо смазки и раскрутите внутреннее кольцо, легкое сжатие наружного кольца остановит вращение из-за изгиба подшипника.
Поэтому процесс производства должен быть предельно точным, чтобы обеспечить максимально возможную степень округлости обоих колец, а также хороший уровень шума в самом подшипнике. Обычно для этого требуется тонкое шлифование и механическая обработка, дополненные очень высоким уровнем качества как технологического процесса, так и сырья. Если кольца сформированы не идеально, даже незначительное несоответствие не позволит добиться мягкой работы подшипника, создавая избыточный шум.
Эти тонкопрофильные шарикоподшипники могут поставляться открытыми, экранированными или с уплотнениями из хромистой стали SAE52100 или нержавеющей стали марки 440, и рассчитаны на то, чтобы выдерживать некоторые радиальные нагрузки, а также умеренные осевые нагрузки в обоих направлениях. Некоторые подшипники меньшего диаметра тонкого сечения также выпускаются с высокоскоростным синтетическим фиксатором, армированным стекловолокном.
Смазка тонкопрофильных подшипников
Для подшипников тонкого сечения следует выбирать смазку, рассчитанную на низкий крутящий момент, свободное вращение и низкий уровень шума, так как чрезмерно жесткая смазка не даст наилучших результатов и может увеличить крутящий момент подшипника до неприемлемого уровня.
Смазка с температурным диапазоном от -40 до 150 ° C будет наиболее подходящей, поскольку она отражает разнообразие применений, в которых, скорее всего, будет использоваться робот, от холодильников до мест рядом с печью. Также важно выбрать смазку пищевых марок, если робот будет использоваться в производстве или упаковке продуктов питания или напитков.
Правильный выбор пластичной смазки приведет к свободному ходу подшипника, что, в свою очередь, снизит энергопотребление устройства, а также долгосрочные затраты на техническое обслуживание. Это также один из факторов, который может повлиять на общую скорость манипулятора робота.
Таким образом, хотя человекоподобные роботы, возможно, не убирают наши дома, вполне вероятно, что их влияние на промышленность будет продолжать быстро расти.