STO mu, Robot Eklem Modüllerindeki Tutma Freni mi: Robotlarda Güvenli Kontrol Açısından Farkları Nelerdir?

Endüstriyel otomasyonda robot güvenliği giderek daha önemli hâle gelirken, mühendislerin insansı robotlar, işbirlikçi robotlar ve diğer robotik sistemlerdeki robot eklem modülü içindeki güvenlikle ilgili her bileşenin rolünü anlaması gerekir. Safe Torque Off (STO) özelliğine, tutma frenine ya da her ikisine birden sahip bir eklem modülü mü seçmelisiniz?

Merhaba, ben HONPINE Teknik Direktörü Theodore Li. Bu makalede STO ile tutma frenleri arasındaki farkları, nasıl çalıştıklarını ve her bir işlevin ne zaman gerekli olduğunu açıklayacağım. Örnek olarak HONPINE HAG harmonik entegre eklem aktüatörünü ele alarak bu iki işlevin farklı amaçlara nasıl hizmet ettiğini ve uygun şekilde tasarlanmış bir robot güvenlik sisteminin parçası olarak birlikte nasıl çalışabileceklerini inceleyeceğiz.

STO (Safe Torque Off) Nedir?

STO veya Safe Torque Off, güvenlikle ilgili bir donanım mimarisi aracılığıyla sürücünün güç çıkışını devre dışı bırakarak motorun tahrik torku üretmesini önleyen bir güvenlik işlevidir.

HONPINE HAG serisinde STO, donanım tabanlı bir sürücü güvenlik işlevi olarak uygulanır. STO girişleri doğru şekilde etkinleştirildiğinde sürücü, motorun tork üretmesini önler. Sıradan bir yazılım durdurma komutundan farklı olarak, doğru şekilde uygulanmış bir STO işlevi normal hareket kontrol komutlarından ve iletişim talimatlarından bağımsız çalışacak şekilde tasarlanmıştır.

Bu, belirli kontrol yazılımı arızalarından veya iletişim hatalarından kaynaklanan istenmeyen motor torku riskini azaltmaya yardımcı olur.

STO Nasıl Çalışır?

STO işlevi tetiklendiğinde sürücü, güç katının motor torku üretme yeteneğini devre dışı bırakır. Motor artık sürücü aracılığıyla aktif olarak tahrik torku üretemez.

Ancak STO, eklem milini mekanik olarak kilitlemez ve robotun hemen duracağını garanti etmez. Eklem; atalet, yer çekimi, harici bir kuvvet veya başka bir mekanik enerji kaynağı nedeniyle hareket etmeye devam edebilir.

Örneğin, STO etkinleştirildiğinde robot kolu hareket hâlindeyse, kol durana kadar serbestçe hareket etmeyi sürdürebilir. Kolun askıdaki bir yükü taşıyan dikey yönelimli bir eklemi varsa, motor artık destek torku üretemediğinde yer çekimi eklemin aşağı doğru hareket etmesine neden olabilir.

STO'nun Başlıca Faydaları Nelerdir?

STO, sıradan bir yazılım hareket komutuna bağlı kalmadan motorun tork üretmesini önlemek için güvenlikle ilgili bir yöntem sunar.

Tipik uygulamalar arasında, genel güvenlik sistemi amaçlanan uygulama için tasarlanıp doğrulanmış olması koşuluyla, koruyucu kapı kilitleme düzeneklerine, acil durdurma sistemlerine ve bakım erişimine yönelik güvenlikle ilgili tepkiler yer alır.

STO, belirli sürücü kontrol arızalarından kaynaklanan istenmeyen motor torku riskini azaltmada özellikle kullanışlıdır.

STO'nun Sınırlamaları Nelerdir?

STO, sürücünün motor torku üretmesini önler ancak mekanik bir tutma kuvveti sağlamaz.

Askıdaki yükleri taşıyan robot eklemlerinde, dikey eksenlerde veya yer çekimi yüküne maruz kalan diğer mekanizmalarda yalnızca STO kullanılması eklemin hareket etmesini önlemeyebilir. Uygun kapasitede bir tutma freni veya başka bir mekanik yük tutma aygıtı gibi ek önlemler gerekebilir.

STO ayrıca belirli bir durma süresini veya durma mesafesini otomatik olarak garanti etmez. Bunlar mekanik sisteme ve genel güvenlik tasarımına bağlıdır.

Robot Eklem Modülünde Tutma Freni Nedir?

Tutma freni, fren devreye girdiğinde bir motor milini veya eklemi konumunda tutmak için tasarlanmış mekanik bir aygıttır. Birçok entegre robot eklem aktüatöründe fren, elektromanyetik ve yay kuvvetiyle devreye giren bir mekanizmadır.

Tipik bir tasarımda elektrik gücü freni serbest bırakırken, gücün kesilmesi yay mekanizmasının freni devreye almasını sağlar. Kesin çalışma prensibi fren tasarımına bağlıdır.

HONPINE HAG serisinde tutma freni, motor devre dışı kaldığında veya sistem gücünü kaybettiğinde, frenin teknik özelliklerine ve doğru kurulumuna bağlı olarak eklem konumunun korunmasını destekleyecek şekilde yapılandırılabilir.

Tutma Freni Nasıl Çalışır?

Tipik bir elektromanyetik tutma freni şu şekilde çalışır:

Sürücü etkin: Freni serbest bırakmak için fren enerjilendirilir ve böylece motorun ve eklemin dönmesine izin verilir.

Sürücü devre dışı: Yapılandırılmış kontrol sırasına göre frenin devreye girmesi komutu verilir.

Güç kaybı: Yay kuvvetiyle devreye giren ve güçle serbest bırakılan bir frenin serbest bırakma gücü kesildiğinde normalde devreye girmesi beklenir; bu da eklemin konumunda tutulmasına yardımcı olur.

HONPINE HAG serisinde, yapılandırmaya bağlı olarak frenin açılması ve kapatılması EtherCAT veya CANopen SDO komutlarıyla kontrol edilebilir.

Frenin mekanik tepkisi anlık değildir. Bu makale için sağlanan HAG çalışma parametrelerine göre fiziksel fren etkinleşme süresi yaklaşık 150 ms'dir. Sürücünün devre dışı bırakılması ile yeniden etkinleştirilmesi arasındaki belirtilen minimum süre 300 ms'dir ve hareket komutları gönderilmeden önce etkinleştirme sonrasında en az 500 ms beklenmelidir.

Bu değerler, tüm robot eklem modülleri için geçerli evrensel süreler değil, ürüne özgü çalışma gereklilikleridir. Sistemi devreye almadan önce daima güncel HAG kılavuzunu ve yapılandırılmış sürücü parametrelerini doğrulayın.

Tutma Freninin Başlıca Faydaları Nelerdir?

Tutma freninin temel faydası, motor yüke aktif olarak tahrik uygulamıyorken eklem hareketine mekanik direnç sağlayabilmesidir.

Tipik uygulamalar şunlardır:

Motor devre dışıyken dikey bir robot eklemini yer çekimine karşı tutmak.

Bekleme veya güç kapalı durumlarında eklemin konumunu korumak.

Motor torku mevcut olmadığında askıdaki bir yükün aşağı inmesini önlemeye yardımcı olmak.

Sistemin güvenlik tasarımının desteklediği bakım veya diğer çalışma durumlarında konumu korumak.

Tutma Freninin Sınırlamaları Nelerdir?

Tutma freni, STO'nun yerine geçmez.

Fren devredeyken sürücü motor torku üretmeye devam ederse ortaya çıkan kuvvet, frenin nominal tutma kapasitesini aşabilir. Bu durum frenin aşınmasına, aşırı ısınmasına, mekanik hasara veya tutma yeteneğinin kaybolmasına yol açabilir.

Geleneksel bir tutma freni, genellikle hızla hareket eden bir eklemi tekrar tekrar durdurmak yerine statik tutma için tasarlanır. Dinamik acil frenleme amacıyla kullanılması, bu göreve özel olarak uygun sınıfta bir fren ve doğrulanmış bir sistem tasarımı gerektirir.

Bu nedenle fren, istenmeyen motor torkuna karşı tek koruma olarak değerlendirilmemelidir.

STO ve Tutma Freni: Temel Farklar

STO ve tutma frenleri, robot eklem modülünde farklı işlevlere hizmet eder. Aşağıdaki karşılaştırma başlıca farklarını özetlemektedir.

Temel fark basittir: STO motorun tork üretmesini önlerken tutma freni eklem hareketine mekanik direnç sağlar. Bu işlevlerden hiçbiri diğerinin yerini kendiliğinden almaz.

Robot Eklem Modülünde Yalnızca STO veya Yalnızca Tutma Freni Kullanılırsa Ne Olur?

Her bir işlevin sınırlamalarını anlamak, özellikle mekanizma dikey bir yükü desteklediğinde güvenli bir robot eklemi tasarlamak için önemlidir.

Senaryo 1 — Tutma Freni Olmadan STO Kullanımı

STO Etkinleştirildikten Sonra Dikey Bir Robot Eklemi Neden Aşağı İnebilir?

STO, motorun tork üretme yeteneğini devre dışı bıraktığında dikey bir eklem, yer çekimine karşı koymak için gereken motor torkunu kaybedebilir.

Eklemde etkili başka bir yük tutma mekanizması yoksa kol veya taşıdığı yük aşağı inebilir. Ortaya çıkan hareket ekipmana zarar verebilir, robotun konumunu bozabilir veya yakındaki personelin yaralanmasına yol açabilir.

Bu nedenle, yer çekimi yüküne maruz kalan bir mekanizmayı güvenli biçimde tutması gereken robot eklemi, gerekli korumayı sağlayan başka uygun bir mekanik veya sistem düzeyinde önlem olmadığı sürece yalnızca STO'ya dayanamaz.

Uygun uygulamalar: Bakım erişimi, güvenlik koruyucusu olayları veya güvenlikle ilgili diğer durumlarda istenmeyen motor torkunu önlemeye yönelik bir çözümün parçası olarak STO kullanılabilir. Ancak komple güvenlik sistemi, kalan hareketi, yer çekimini ve harici kuvvetleri yine de hesaba katmalıdır.

Sınırlama: STO mili mekanik olarak kilitlemez veya askıdaki bir yükü tutmaz.

Senaryo 2 — STO Olmadan Tutma Freni Kullanımı

İstenmeyen Motor Torkunu Önlemek İçin Tutma Freni Neden Yeterli Değildir?

Tutma freni, devredeyken ve uygulanan yük nominal kapasitesi içinde kaldığında eklemi konumunda tutabilir. Ancak arızalı bir sürücünün motor torku üretmeye çalışmasını önlemez.

Bir sürücü arızası, fren devredeyken motorun tork üretmesine neden olursa aşırı tork frene veya diğer mekanik bileşenlere zarar verebilir. Frenin tutma kapasitesi aşılırsa eklem beklenmedik şekilde hareket edebilir.

Bu nedenle tutma freni, istenmeyen motor torkuna karşı doğru şekilde uygulanmış bir STO işleviyle aynı korumayı bağımsız olarak sağlayamaz.

Uygun uygulamalar: Tutma frenleri dikey eklemlerin konumunu korumak, askıdaki bir yükü tutmak ve motor devre dışıyken bir mekanizmayı sabitlemek için kullanışlıdır.

Sınırlama: Geleneksel bir tutma freni, bu amaç için özel olarak tasarlanıp uygun sınıfta olmadığı sürece, istenmeyen motor torkunu önlemenin temel aracı veya dinamik acil durdurma işlevi olarak değerlendirilmemelidir.

STO ve Tutma Freni Birlikte Nasıl Çalışmalıdır?

Yer çekimi yükü taşıyan robot eklemlerinde STO'yu uygun kapasitede bir tutma freniyle birleştirmek, birbirini tamamlayan bir koruma sağlayabilir. Ancak her iki bileşeni de takmak, tüm robotu kendiliğinden güvenli hâle getirmez. Kontrol sıraları, gerçek mekanik sistem ve gerekli güvenlik işlevleri temel alınarak tasarlanmalıdır.

Önerilen Güvenlik Kontrolü İlkeleri

Tipik bir güvenlik tasarımı aşağıdaki aşamaları ele almalıdır:

Güvenlik olayını algılayın. Acil durdurma devresi veya koruyucu kilitleme düzeneği gibi güvenlikle ilgili bir giriş, gerekli tepkiyi başlatır.

Gerektiğinde eklemin hareketini kontrol edin. Risk değerlendirmesi kontrollü yavaşlama gerektiriyorsa, sistem motor torkunu ortaya çıkabilecek hareketi hesaba katmadan hemen kesmek yerine uygun ve doğrulanmış bir durdurma işlevi kullanmalıdır.

Tutma frenini doğru zamanda devreye alın. Fren, üreticinin gerekliliklerine ve doğrulanmış güvenlik sırasına uygun şekilde uygulanmalıdır. Tasarım, frenin devreye girme gecikmesi sırasında yer çekimi yüküne maruz kalan eklemin aşağı inmesini önlemelidir.

Güvenlik tasarımının gerektirdiği şekilde STO'yu uygulayın. Gerekli durma ve yükü tutma koşulları sağlandıktan sonra STO, motorun yeniden tork üretmesini önleyebilir. Torkun hemen kesilmesini gerektiren acil bir durumda güvenlik tasarımı, bunun sonucunda ortaya çıkabilecek serbest hareketi veya yer çekiminin neden olduğu hareketi hesaba katmalıdır.

Komple sistemi doğrulayın. Fren zamanlaması, yük kapasitesi, durma mesafesi, arıza tepkisi ve yeniden başlatma koşulları gerçek robot ve çalışma ortamı için doğrulanmalıdır.

Önemli: Her robot için geçerli tek bir doğru sıralama yoktur. Özellikle, STO'yu tetikledikten sonra fren devreye girmeden önce eklemin durmasını beklemek, bu aralıkta eklem aşağı inmeye başlarsa yer çekimi yüküne maruz kalan bir eksen için tehlikeli olabilir. Doğru sıralama risk değerlendirmesine, mevcut güvenlik işlevlerine, fren özelliklerine ve geçerli standartlara bağlıdır.

Hangi Robot Uygulamaları Hem STO'dan Hem de Tutma Freninden Yararlanır?

Bir robotun hem istenmeyen motor torkunu önlemesi hem de mekanik yük taşıyan bir eklemi konumunda tutması gerektiğinde STO ile tutma frenini birlikte kullanmayı değerlendirmek faydalı olur.

İnsansı Robotlar

İnsansı robotlar, vücut ağırlığını destekleyebilen veya farklı yönlerde yük taşıyabilen çok sayıda eklem içerir. Motor torku mevcut olmadığında tutma freni eklemi konumunda tutmaya yardımcı olabilirken STO, güvenlik işlevi etkinleştirildiğinde istenmeyen motor torkunu önleyebilir.

Gerekli yapılandırma eklemin görevine, robotun duruşuna ve motor torkunun kaybedilmesinin sonuçlarına bağlıdır.

İşbirlikçi Robotlar

İşbirlikçi robotlar insanların yakınında çalışabilir ve hareket, bekleme ve bakım durumları arasında sık sık geçiş yapabilir. STO ve tutma frenleri farklı tehlikeleri ele alabilir; ancak robotun tamamında uygun koruyucu önlemler, güvenlik kontrolü ve risk azaltma önlemleri de bulunmalıdır.

Bu işlevlerden hiçbiri tek başına bir robotun işbirlikçi çalışmaya uygun olduğunu göstermez.

Endüstriyel Robot Kolları

Endüstriyel robot kollarında genellikle dikey eksenler ve önemli yükleri taşıyan eklemler bulunur. Bu mekanizmalar için tasarımcıların yer çekimini, durma davranışını, frenin tutma kapasitesini ve sürücü arızalarının sonuçlarını dikkate alması gerekir.

STO ile mekanik yük tutma işlevinin doğru şekilde tasarlanmış birleşimi, bu farklı tehlikeleri ele almaya yardımcı olabilir.

Tıbbi, Eğitim ve Araştırma Robotları

Tıbbi robotlar ile laboratuvar veya araştırma platformları kontrollü hareket, öngörülebilir durma davranışı ve güvenli konum tutma gerektirebilir. Uygun güvenlik mimarisi, eklemin askıdaki bir yükü destekleyip desteklemediği veya insanların yakınında çalışıp çalışmadığı da dâhil olmak üzere uygulamaya özgü risklere bağlıdır.

STO ve tutma frenleri, birbirinin yerine kullanılabilir seçenekler olarak değil, komple sistem tasarımının parçası olarak seçilmelidir.

HONPINE HAG Harmonik Entegre Eklem Aktüatörü: STO ve Tutma Freni Seçenekleri

HONPINE HAG harmonik entegre eklem aktüatörü, farklı hareket kontrolü ve güvenlikle ilgili tasarım gerekliliklerini desteklemek üzere STO ve tutma freniyle yapılandırılabilir.

Harmonik transmisyonu ve motor-sürücü işlevlerini kompakt bir eklem modülünde birleştiren HAG serisi, robot eklem uygulamaları için kullanışlı bir platform sunar. STO ve tutma freni sistem içinde farklı amaçlara hizmet eder: STO motor torku üretiminin önlenmesini ele alırken fren mekanik konumun korunmasını destekler.

HAG yapılandırması seçilirken mühendisler aşağıdaki etkenleri değerlendirmelidir:

Eklem yönelimi ve yük: Eklemde dikey bir eksen, askıdaki bir yük veya yer çekimi yüküne maruz kalan başka bir mekanizma olup olmadığını belirleyin.

Frenin tutma kapasitesi: Frenin nominal tutma torkunun en olumsuz yük ve mekanik koşullar için yeterli olduğunu doğrulayın.

Sürücü ve iletişim yapılandırması: Seçilen modeldeki mevcut STO uygulamasını, fren kontrol yöntemini ve desteklenen EtherCAT veya CANopen işlevlerini doğrulayın.

Durdurma ve yeniden başlatma davranışı: Gerekli fren etkinleştirme sürelerini, sürücüyü etkinleştirme sırasını ve izin verilen hareket komutlarını kontrol edin.

Sistem düzeyindeki güvenlik gereklilikleri: Güvenlik kontrolörü, güç mimarisi, mekanik yapı ve öngörülebilir arıza koşulları dâhil olmak üzere robotun tamamını değerlendirin.

Doğru yapılandırma, robotun gerçek çalışma koşullarına ve güvenlik gerekliliklerine bağlıdır. STO ile tutma freni birbirini tamamlayan işlevlerdir; birbirinin yerine geçmez.

Sonuç: STO Motor Torkunu Önler; Tutma Freni Mekanik Konumu Korur

Robot eklem modülleri için STO ve tutma frenleri iki farklı sorunu çözer.

Güvenlik işlevi etkinleştirildiğinde STO, sürücünün motor torku üretmesini önler. Tutma freni eklem hareketine mekanik direnç sağlar ve motor devre dışı olduğunda yer çekimi yüküne maruz kalan bir mekanizmanın konumunu korumaya yardımcı olabilir.

Dikey eklemler veya askıdaki yükler içeren uygulamalarda bu işlevlerden yalnızca birine güvenmek, önemli tehlikelerin ele alınmamasına yol açabilir. İşlevler robotun genel güvenlik tasarımının bir parçası olarak doğru seçilip sıralandığında ve doğrulandığında, bunları birleştirmek daha kapsamlı bir çözüm sağlayabilir.

HONPINE olarak insansı robotlar, işbirlikçi robotlar, endüstriyel otomasyon ve diğer hassas hareket kontrolü uygulamaları için harmonik entegre eklem aktüatörleri sunuyoruz.

HAG harmonik entegre eklem aktüatörü hakkında daha fazla bilgi almak ve robot eklem uygulamanıza uygun STO ve tutma freni yapılandırmasını görüşmek için HONPINE ile iletişime geçin.