Kaynak Pozisyonerleri için RV Redüktörü: Ağır Hizmet Kaynak Uygulamaları için Seçim ve Tork Hesaplaması

Giriş

Bir kaynak pozisyoneri, otomatik kaynak sistemlerinde kritik bir hareket bileşenidir. İş parçasını döndürüp yeniden konumlandırarak kaynak robotunun veya operatörün süreç boyunca uygun bir kaynak açısını korumasını sağlar. Ancak ağır hizmet tipi kaynak pozisyonerlerinde döner tahrik, basit hız düşürmenin çok ötesindeki gereksinimleri karşılamalıdır. Yeterli çıkış torku, yüksek burulma rijitliği, kararlı düşük hızlı dönüş, hassas konumlandırma ve sık hızlanma, yavaşlama ve yön değiştirme sırasında güvenilir performans sağlamalıdır.

Bu nedenle, orta ve ağır hizmet tipi kaynak pozisyonerleri için birRV redüktöryaygın olarak uygun bir transmisyon çözümü kabul edilir. Geleneksel dişli redüktörlerle karşılaştırıldığında, birRV dişli redüktörünispeten kompakt bir yapıda yüksek tork yoğunluğu, yüksek rijitlik, düşük boşluk ve darbe yüklerine karşı güçlü direnç sağlayabilir.

Bu makale; iş parçası kütlesi, dönüş yarıçapı, çıkış hızı, yük torku, atalet, ivmelenme ve konumlandırma gereksinimlerini dikkate alarak bir kaynak pozisyoneri için RV redüktör ve servo motorun nasıl seçileceğini açıklamaktadır.

Kaynak Pozisyonerinde Neden RV Redüktör Kullanılır?

Bir kaynak pozisyoneri, genellikle döner eksende yüksek tork gerektirirken nispeten düşük çıkış hızında çalışır. Aynı zamanda iş parçası yüzlerce, hatta binlerce kilogram ağırlığında olabilir.

Bu nedenle tahrik sisteminin, servo motorun yüksek hızlı ve nispeten düşük torklu çıkışını kontrollü, yüksek torklu döner harekete dönüştürmesi gerekir.

Bir RV redüktör, kaynak pozisyonerleri için önemli olan çeşitli özellikleri bir araya getirdiğinden bu uygulama için özellikle uygundur:

• Yüksek redüksiyon oranları

• Yüksek çıkış torku

• Yüksek burulma rijitliği

• Düşük boşluk

• Yüksek tork yoğunluğu

• Darbe yüklerine karşı iyi direnç

• Düşük hızlı dönüş sırasında kararlı çalışma

• Servo motor konumlandırma sistemleriyle uyumluluk

Ancak doğru RV dişli kutusu yalnızca iş parçası ağırlığına göre seçilmemelidir. Gerçek hesaplamada kaynak pozisyonerinin tüm mekanik ve hareket profili dikkate alınmalıdır.

Bir Kaynak Pozisyoneri için Tipik Tasarım Parametreleri

Aşağıdaki ön teknik özelliklere sahip bir başlık ve punta kaynak pozisyonerini ele alalım:

Bu hesaplamanın amacı, döner eksen için gereken yaklaşık redüksiyon oranını, motor torkunu ve RV redüktör tork kapasitesini belirlemektir.

Gerçek bir makinede değerler; gerçek iş parçası geometrisi, ağırlık merkezi konumu, fikstür kütlesi, atalet, ivmelenme süresi ve çalışma çevrimiyle değiştirilmelidir.

RV Redüktör Seçimi ve Tork Hesaplaması

Adım 1: Gerekli Çıkış Hızını Hesaplayın

Maksimum dönüş hızı şu şekilde belirtilmiştir:

70°/s

Açısal hızı dakika başına devire dönüştürme:

nL = 70 / 360 × 60

Dolayısıyla:

nL ≈ 11.67 rpm

Bu nedenle kaynak pozisyoneri, maksimum çalışma hızında yaklaşık 11.7 rpm çıkış hızı gerektirir.

Bu düşük çıkış hızı, servo motor ile döner eksen arasında yüksek oranlı bir redüktör gerekmesinin başlıca nedenlerinden biridir.

Adım 2: RV Redüktör Oranını Belirleyin

Nominal hızı 3000 rpm olan bir servo motor varsayalım:

i = nM / nL

Değerler yerine konulduğunda:

i = 3000 / 11.67 ≈ 257

Dolayısıyla, hız eşleştirme açısından yaklaşık 250:1 aralığında bir redüksiyon oranı uygundur.

Örneğin, 250:1 redüksiyon oranıyla:

nL = 3000 / 250 = 12 rpm

Karşılık gelen dönüş hızı:

12 × 360 / 60 = 72°/s

Ortaya çıkan maksimum çıkış hızı yaklaşık 72°/s olup, gerekli 70°/s değerini biraz aşar.

Nihai redüksiyon oranı, mevcut RV redüktör oranına, servo motor hız aralığına ve gerekli hareket profiline göre seçilmelidir.

Adım 3: İş Parçası Ataletini Hesaplayın

İş parçasının dönme ataleti, kaynak pozisyonerinin gerektirdiği dinamik tork üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.

İlk mühendislik tahmini için yük, belirli bir dönüş yarıçapında bulunan eşdeğer bir kütle olarak basitleştirilebilir:

JL = m × R²

Eşdeğer yarıçapı 0.6 m olan 500 kg'lık bir iş parçası için:

JL = 500 × 0.6²

Dolayısıyla:

JL = 180 kg·m²

Bu yalnızca ön bir yaklaşımdır. Gerçek bir kaynak pozisyonerinde toplam dönme ataleti; fikstürü, aynayı, montaj plakasını, kaplini, çıkış milini ve diğer dönen bileşenleri de içermelidir.

Büyük veya düzensiz iş parçalarında gerçek kütle merkezinin ve atalet momentinin hesaplanması çok daha güvenilir sonuç verir.

Adım 4: Yerçekimi Yük Torkunu Hesaplayın

İş parçasının ağırlık merkezi döner eksenden sapmışsa, yerçekimi statik bir yük torku oluşturur.

Temel ilişki şöyledir:

TL = m × g × e

Burada m iş parçası kütlesi, g yerçekimi ivmesi ve e ağırlık merkezi ile döner eksen arasındaki dik uzaklıktır.

Etkin sapmanın 600 mm olduğu varsayılırsa:

TL = 500 × 9.81 × 0.6

Dolayısıyla:

TL ≈ 2943 N·m

Bu değer, varsayılan eksantrik yük koşulundaki yerçekimi torkunu temsil eder.

İş parçasının fiziksel yarıçapı ile ağırlık merkezi sapmasını ayırt etmek önemlidir. İş parçasının ağırlık merkezi döner eksene yakınsa gerçek yerçekimi torku bu muhafazakâr örnekten önemli ölçüde düşük olacaktır.

Bu ayrım, gerçek bir kaynak pozisyoneri için RV redüktör seçerken önemlidir.

Adım 5: Hızlanma ve Yavaşlama Torkunu Dikkate Alın

Statik tork hesaplamanın yalnızca bir parçasıdır.

Hızlanma ve yavaşlama sırasında döner sistem ayrıca iş parçasının ataletini de yenmelidir.

Atalet torku şu formülle tahmin edilebilir:

TJ = JL × α

Burada JL toplam dönme ataleti, α ise iş parçası tarafındaki açısal ivmedir.

Bu, aynı 500 kg iş parçasını taşıyan iki kaynak pozisyonerinin, ivmelenme süreleri farklıysa tamamen farklı RV redüktörlere ihtiyaç duyabileceği anlamına gelir.

Örneğin, yavaş ve düzgün dönüş için tasarlanmış bir pozisyoner nispeten düşük dinamik torka sahip olabilirken, hızlı ivmelenme ve frenlemeye sahip yüksek hızlı bir pozisyoner önemli ölçüde daha yüksek tepe torku oluşturabilir.

Bu nedenle, nihai RV dişli kutusu seçiminde hızlanma ve yavaşlama profili her zaman dikkate alınmalıdır.

Adım 6: Gerekli Servo Motor Torkunu Hesaplayın

RV redüktörün çıkış torku yaklaşık olarak şu şekilde hesaplanabilir:

Tout = TM × i × η

Bu nedenle gerekli motor torku şöyledir:

TM = Tout / (i × η)

Varsayımlar:

TL = 2943 N·m

i = 250

η = 0.85

Motor tarafındaki tork şu olur:

TM = 2943 / (250 × 0.85)

TM ≈ 13.85 N·m

2.0'lık ön emniyet katsayısı uygulanırsa:

TM,rated = 13.85 × 2

TM,rated ≈ 27.7 N·m

Dolayısıyla servo motor, bu varsayılan yük koşulunda yaklaşık 28 N·m veya daha yüksek nominal torka sahip olmalıdır.

3000 rpm'de çalışan tipik bir 11 kW servo motor yaklaşık olarak şunu sağlar:

T = 9550 × P / n

T = 9550 × 11 / 3000

T ≈ 35 N·m

Bu ön hesaplamaya göre 11 kW, 3000 rpm servo motor, varsayılan koşul için yeterli nominal tork sağlayabilir.

Ancak nihai motor seçiminde tepe torku, aşırı yük kapasitesi, termal kapasite, enkoder çözünürlüğü ve tüm görev çevrimi de doğrulanmalıdır.

Adım 7: RV Redüktörü Çıkış Torkuna Göre Seçin

RV redüktör, hızlanma, yavaşlama, acil duruş ve yön değiştirme sırasındaki geçici torkları da karşılayarak gerekli yük torkunu sürekli olarak iletebilmelidir.

2.0'lık ön emniyet katsayısı kullanıldığında:

Tcontinuous ≥ 2943 × 2

Tcontinuous ≥ 5886 N·m

Statik yük torkunun üç katı kullanılarak muhafazakâr bir tepe yük kontrolü için:

Tpeak ≥ 2943 × 3

Tpeak ≥ 8829 N·m

Dolayısıyla, bu varsayılan eksantrik yük koşulu için yaklaşık olarak aşağıdaki değerlere sahip bir RV redüktör:

Nominal çıkış torku ≥ 6000 N·m

ve:

Tepe tork kapasitesi ≥ 9000 N·m

daha ileri model seçimi için makul bir başlangıç noktası olacaktır.

Gerçek redüktör; üreticinin nominal torkuna, izin verilen tepe torkuna, servis faktörüne, giriş hızına, ömür değerine ve görev çevrimine göre seçilmelidir.

Kaynak Pozisyonerlerinde Tepe Tork Neden Önemlidir?

Bir kaynak pozisyoneri nadiren sabit hızda çalışır.

Tipik bir hareket çevrimi şunları içerebilir:

Hızlanma → sabit hızlı dönüş → yavaşlama → durma → ters dönüş

Bu geçişler sırasında iş parçasının atalet torku önemli hale gelebilir.

Acil duruş daha da yüksek geçici yükler oluşturabilir.

Bu nedenle, bir RV redüktörün yalnızca sürekli nominal torkuna göre seçilmesi yetersiz boyutlandırılmış bir transmisyon sistemine yol açabilir.

Aşağıdaki parametreler birlikte kontrol edilmelidir:

• Sürekli çıkış torku

• Tepe çıkış torku

• Giriş hızı

• Çıkış hızı

• Yük ataleti

• Hızlanma ve yavaşlama

• Görev çevrimi

• Radyal ve eksenel yükler

• Boşluk ve burulma rijitliği

Bu yaklaşım, RV redüktör seçimi için çok daha güvenilir bir temel sağlar.

RV Redüktör Boşluğu ve Konumlandırma Hassasiyeti

Konumlandırma hassasiyeti, otomatik kaynak pozisyonerleri için bir diğer önemli husustur.

Mekanik transmisyon zinciri normalde şunlardan oluşur:

Servo motor → RV redüktör → çıkış mili → fikstür → iş parçası

Bu zincirdeki herhangi bir mekanik hata, nihai iş parçası konumunu etkileyebilir.

Boşluk özellikle önemlidir; çünkü dönüş yönünün tersine çevrilmesi, giriş ve çıkış tarafları arasında açısal hata oluşturabilir.

Örneğin, 1 yay dakikalık açısal hata varsayalım:

θ = 1 / 60 × π / 180

θ ≈ 0.000291 rad

600 mm dönüş yarıçapında:

ΔL = θ × R

ΔL ≈ 0.000291 × 600

ΔL ≈ 0.175 mm

Bu örnek, uygulamanın iş parçası yarıçapında yaklaşık 0.1 mm seviyesinde doğrusal tekrarlanabilirlik gerektirmesi durumunda, yalnızca redüktör boşluğunun bile önemli bir etken olabileceğini göstermektedir.

Ancak sistem konumlandırma hassasiyeti yalnızca redüktör boşluğundan belirlenemez.

Ayrıca şunlara bağlıdır:

• Servo enkoder çözünürlüğü

• Servo kontrol performansı

• RV redüktör transmisyon hassasiyeti

• Burulma deformasyonu

• Çıkış mili rijitliği

• Fikstür rijitliği

• Montaj hassasiyeti

• İş parçası deformasyonu

Bu nedenle yüksek çözünürlüklü bir enkoder, yüksek mekanik konumlandırma hassasiyetini otomatik olarak garanti etmez.

Kaynak Pozisyoneri Konumlandırma Performansı Nasıl İyileştirilir?

Düşük Boşluklu, Yüksek Rijitlikli RV Redüktör Kullanın

Düşük boşluklu ve yüksek burulma rijitlikli bir redüktör, yük değişimlerinden ve ters hareketten kaynaklanan açısal hareketi azaltmaya yardımcı olur.

Yüksek Çözünürlüklü Mutlak Enkoder Kullanın

Mutlak enkoder, servo sisteme hassas geri bildirim sağlar ve konumlandırma belirsizliğini azaltabilir.

Güç kaybından sonra konumun korunmasını gerektiren uygulamalarda, çok turlu mutlak enkoder de düşünülebilir.

Çıkış Tarafı Yapısal Rijitliğini Artırın

Yüksek performanslı bir RV redüktör bile çıkış mili, montaj plakası, fikstür veya makine şasisindeki aşırı deformasyonu telafi edemez.

Bu nedenle mekanik yapı, gerçek iş parçası yükü için yeterli rijitlikte tasarlanmalıdır.

Çıkış Tarafı Konum Geri Bildirimini Değerlendirin

Yüksek hassasiyetli kaynak pozisyonerlerinde, çıkış eksenindeki doğrudan konum geri bildirimi, yalnızca motor tarafı enkoderine güvenmekten daha doğru gerçek iş parçası konumu bilgisi sağlayabilir.

Tek Tahrikli ve Çift Tahrikli Kaynak Pozisyonerleri

Başlık ve punta kaynak pozisyonerleri, tek döner tahrik veya çift tahrik yapılandırması kullanabilir.

Tek Tahrikli Kaynak Pozisyoneri

Tek tahrikli tasarımda, bir tahrik sistemi ana döner torku sağlar. Bu nedenle RV redüktör, çıkış mili, yatak düzeni ve makine şasisi, tüm yük koşulunu karşılayacak şekilde tasarlanmalıdır.

Çift Tahrikli Kaynak Pozisyoneri

Çift tahrik yapılandırması, iş parçasının her iki ucunda servo motorlar ve redüktörler kullanır.

Yük eşit dağıtılırsa, her tahrik teorik olarak toplam ortalama torkun yaklaşık yarısını karşılayabilir.

Ancak nihai mühendislik tasarımı sırasında toplam yük basitçe ikiye bölünemez.

Mekanik hizalama, servo senkronizasyonu, rijitlik, sürtünme ve yük dağılımındaki farklılıklar, iki tahrik sistemi arasında eşit olmayan tork paylaşımına neden olabilir.

Bu nedenle çift tahrikli bir kaynak pozisyoneri hem mekanik senkronizasyon hem de koordineli servo kontrol gerektirir.

Kaynak Pozisyonerleri için RV Redüktörlerin Başlıca Avantajları

Yüksek Burulma Rijitliği

Yüksek burulma rijitliği, kaynak sırasında iş parçasının kararlı konumlandırılmasına yardımcı olur ve değişen yüklerin neden olduğu açısal sapmayı azaltır.

Yüksek Tork Yoğunluğu

Bir RV dişli redüktörü, nispeten kompakt bir gövde içinde yüksek çıkış torku sağlayarak montaj alanının sınırlı olduğu ağır hizmet tipi döner eksenler için uygun hale gelir.

Düşük Boşluk

Düşük boşluk, özellikle robotik kaynak uygulamaları için önemli olan ters yön doğruluğunu ve tekrarlanabilir konumlandırmayı iyileştirmeye yardımcı olur.

Darbe Yüklerine Karşı Yüksek Direnç

Büyük iş parçaları; hızlanma, yavaşlama, yükleme ve acil duruş sırasında önemli geçici yükler oluşturabilir. Uygun boyutlandırılmış bir RV redüktör, bu çalışma koşulları için gerekli mekanik dayanıklılığı sağlayabilir.

Servo Kontrollü Hareket için Uygunluk

RV redüktörler, otomatik kaynak ekipmanları için kapalı çevrim döner konumlandırma sistemleri oluşturmak üzere AC servo motorlar ve yüksek çözünürlüklü enkoderlerle birleştirilebilir.

500 kg Kaynak Pozisyoneri için Örnek RV Redüktör Seçimi

Bu makalede ele alınan örnek için:

Bu ön hesaplamalara dayanarak, yaklaşık 6000 N·m veya daha yüksek nominal çıkış torkuna ve yeterli tepe tork kapasitesine sahip bir RV redüktör daha ileri değerlendirme için düşünülebilir.

Kesin redüktör modeli; gerçek iş parçası ağırlık merkezi, toplam atalet, ivmelenme süresi, çalışma çevrimi, radyal ve eksenel yükler, montaj yapılandırması ve gerekli kullanım ömrü kontrol edildikten sonra doğrulanmalıdır.

Bir Kaynak Pozisyoneri için RV Redüktör Seçerken Yapılan Yaygın Hatalar

Redüktörü Yalnızca İş Parçası Ağırlığına Göre Seçmek

500 kg'lık bir iş parçası, her uygulamada otomatik olarak aynı RV dişli kutusu özelliklerini gerektirmez.

Ağırlık merkezi sapması, atalet, ivmelenme ve fikstür geometrisi gerekli torku önemli ölçüde değiştirebilir.

Dinamik Torku Göz Ardı Etmek

Hızlı ivmelenme, frenleme veya yön değiştirme içeren uygulamalar için statik yerçekimi torku yeterli değildir.

Atalet torku nihai hesaplamaya dahil edilmelidir.

Yalnızca Motor Gücüne Göre Seçim Yapmak

11 kW servo motor, doğru RV redüktörü otomatik olarak belirlemez.

Redüktör; giriş hızı, çıkış torku, tepe torku, redüksiyon oranı, atalet, görev çevrimi ve mekanik yüklemeye göre eşleştirilmelidir.

Boşluğu Göz Ardı Etmek

Bir redüktör yeterli tork sağlayabilir, ancak mekanik hassasiyeti ve rijitliği uygulama için yetersizse gerekli konumlandırma performansını yine de karşılayamayabilir.

Fikstürü ve Dönen Yapıyı Göz Ardı Etmek

İş parçası tek dönen kütle değildir. Aynalar, fikstürler, montaj plakaları, kaplinler, miller ve diğer bileşenler de toplam dönme ataletine katkıda bulunur.

Sonuç

Bir kaynak pozisyoneri için RV redüktörseçmek, redüktörü iş parçası ağırlığıyla eşleştirmekten daha fazlasını gerektirir. Tüm döner sistem; yük torku, ağırlık merkezi sapması, dönme ataleti, ivmelenme, maksimum hız, tepe torku, boşluk, burulma rijitliği ve konumlandırma gereksinimlerine göre değerlendirilmelidir.

Bu makalede ele alınan 500 kg kaynak pozisyoneri örneğinde, 70°/s maksimum dönüş hızı yaklaşık 11.67 rpm çıkış hızına karşılık gelir. 3000 rpm servo motor kullanıldığında, yaklaşık 250:1 redüksiyon oranı yaklaşık 12 rpm çıkış hızı sağlar.

Varsayılan 600 mm ağırlık merkezi sapması altında hesaplanan yerçekimi torku yaklaşık 2943 N·m'dir. Ön emniyet katsayısıyla sürekli çıkış torku gereksinimi yaklaşık 5886 N·m'ye ulaşırken, muhafazakâr tepe yük kontrolü yaklaşık 8829 N·m verir.

Bu, ağır hizmet tipi kaynak pozisyonerleri için yüksek torklu, yüksek rijitlikli RV dişli redüktörü seçmek adına yararlı bir başlangıç noktası sağlar.

Ancak gerçek makine tasarımında bu hesaplamalar; gerçek iş parçası ağırlık merkezi, toplam dönme ataleti, ivmelenme ve frenleme profili, fikstür kütlesi, radyal ve eksenel yükler, çalışma çevrimi ve seçilen RV redüktörün özel teknik verileri kullanılarak iyileştirilmelidir.

Doğru eşleştirilmiş bir RV redüktör ve servo motor; robotik kaynak pozisyonerleri, kaynak rotatörleri ve diğer ağır hizmet tipi otomatik döner ekipmanlar için gerekli yüksek tork, hassas konumlandırma, kararlı düşük hızlı dönüş ve mekanik rijitlik kombinasyonunu sağlayabilir.