چگونه ساختار قطعات مکانیکی ربات را بهینه کنیم؟

اگر تا به حال رباتی را طراحی، ساخته یا به کار گرفته اید، می دانید که حتی پیچیده ترین نرم افزارها و حسگرهای پیشرفته نیز به اندازه قطعات مکانیکی که دستگاه را زنده می کنند قابل اعتماد هستند. به‌عنوان تامین‌کننده قطعات مکانیکی ربات، هزاران ساعت را صرف کار با تیم‌های رباتیک کرده‌ام - از دانش‌آموزان علاقه‌مند به ساخت وسایل نقلیه خودران کوچک گرفته تا تولیدکنندگان صنعتی که خطوط مونتاژ را خودکار می‌کنند - که همین را به من می‌گویند: بهینه‌سازی ساختار قطعات مکانیکی ربات تنها تاثیرگذارترین (و اغلب نادیده گرفته‌شده‌ترین مرحله) در ایجاد رباتی است که هزینه طولانی، سریع، دقیق و کم‌هزینه دارد. بسیاری از تیم‌ها مستقیماً بدون مکث به سمت کدنویسی یا سیم‌کشی می‌روند تا بپرسند آیا قطعات آن‌ها دقیقاً همان چیزی است که ربات به آن نیاز دارد، نه بیشتر و نه کمتر. در این پست، استراتژی‌های عملی و مبتنی بر علم را که برای کمک به مشتریان برای اصلاح ساختار قطعه‌شان استفاده کرده‌ام، با مثال‌های واقعی از قطعاتی که ما عرضه می‌کنیم، برای کمک به شما برای جلوگیری از مشکلات رایج و ساخت ربات بهتر، توضیح خواهم داد.

اساس بهینه سازی قطعات مکانیکی ربات با تراز کردن ساختار با هدف شروع می شود. رباتی که برای انتخاب انبار طراحی شده است، نیازهای کاملاً متفاوتی نسبت به یک ربات کوچک برای آموزش یا جستجو و نجات دارد، و مجبور کردن یک اندازه قطعه برای جا دادن هر دو، دستور شکست است. بیایید یک بازوی ربات را مثال بزنیم: یک بازوی صنعتی برای جابجایی اجزای ماشین سنگین به استحکام نیاز دارد تا از خم شدن در زیر بار جلوگیری کند، در حالی که یک بازوی آموزشی برای مسابقات رباتیک دبیرستانی به انعطاف پذیری سبک وزن برای مانور دادن اجسام کوچک و کنترل حرکات سریع و چابک نیاز دارد. خیلی اوقات، تیم ها از یک قطعه پلاستیکی یک اندازه برای هر دو استفاده می کنند، فقط برای تماشای تاب برداشتن بازوی صنعتی در زیر بار یا خم شدن بازوی آموزشی بیش از حد برای ضربه زدن به اهداف دقیق. اینجاست که انتخاب مواد و نوع قطعه مناسب همه تفاوت را ایجاد می کند. برای کاربردهای صلب صنعتی، بازوی ربات ماشین CNC ما (/robot-parts/robot-mechanical-parts/cnc-machine-robot-arm.html) از شمش آلومینیومی جامد، با اتصالات برش دقیق که وزن را به‌طور یکنواخت توزیع می‌کند و انعطاف‌پذیری جایگزین‌های قالب‌گیری تزریقی را از بین می‌برد، ماشین‌کاری شده است. برای کارهای سبک تر و پرحرکت، پوسته ربات پلاستیکی ما (/robot-parts/robot-mechanical-parts/plastic-robot-shell.html) از ترکیب تقویت شده آکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS) ساخته شده است که سبکی را با یکپارچگی ساختاری کافی متعادل می کند تا بدون ایجاد ضربه های مکرر، تعادل را حفظ کند. نکته کلیدی در اینجا تطبیق ساختار قطعه با عملکرد اصلی ربات است، نه فقط گرفتن مقرون به صرفه ترین یا محبوب ترین قسمت از قفسه.

در مرحله بعد، کاهش وزن تقریباً برای هر روباتی یک بهینه‌سازی غیرقابل مذاکره است، زیرا وزن اضافی هر قسمت دیگر را مجبور می‌کند تا سخت‌تر کار کند، عمر باتری را کوتاه‌تر کند، حرکت را کندتر کند و سایش مفاصل و محرک‌ها را افزایش دهد. اما "سبک بودن" به معنای "ضعیف" نیست، بلکه به معنای حذف موادی است که هدفی را دنبال نمی کنند، در حالی که مناطقی را که استرس را کنترل می کنند، دست نخورده نگه می دارند. برای مثال، برای شاسی، یک بلوک جامد از فلز وزن بیشتری نسبت به نیاز خود نگه می‌دارد و باتری را در چند ساعت تخلیه می‌کند، در حالی که شاسی با بریدگی‌های مهندسی دقیق و قاب‌های باز، جرم را 30 تا 40 درصد بدون کاهش ظرفیت بار کاهش می‌دهد. شاسی ربات آلومینیومی ما (/robot-parts/robot-mechanical-parts/aluminium-robot-chassis.html) دقیقاً با در نظر گرفتن این طراحی شده است: ما قسمت‌های غیر بحرانی را از یک صفحه آلومینیومی جامد آسیاب می‌کنیم، و یک قاب سفت و سخت را ایجاد می‌کنیم که سبک‌تر از جایگزین فولاد جامد است، اما به اندازه کافی قوی برای پشتیبانی از ربات‌های صنعتی با اندازه متوسط، محموله‌های صنعتی کوچک، کشاورزی و بارهای کوچک صنعتی. ما همچنین با مشتریان کار می‌کنیم تا برش‌های سفارشی برای سیم‌کشی، حسگرها و نقاط نصب اضافه کنیم، بنابراین هر اینچ از قطعه یک عملکرد را انجام می‌دهد - بدون مواد اضافی، بدون انرژی هدر رفته، بدون فشار غیرضروری به موتور. حتی قطعات کوچک‌تر مانند براکت‌های نصب یا محفظه‌های چرخ دنده را می‌توان به این ترتیب بهینه کرد: به جای یک بلوک جامد، یک طرح توخالی و آجدار به مناطق پر استرس بدون اضافه کردن جرم، استحکام می‌افزاید، و قطعات ربات فلزی فولاد زنگ نزن ما (/robot-parts/robot-mechanical-parts/stainless-steel-parts.html) شامل این ربات‌های سفارشی شده از جنس فولاد ضد زنگ است. هدف، متعادل کردن دوام و سبکی برای کارهایی مانند روبات‌های فضای باز یا تجهیزاتی که در معرض رطوبت هستند.

یکی از حیاتی ترین (و درک نشده ترین) جنبه های ساختار قطعه، توزیع تنش است. اگر استرس در یک ناحیه کوچک متمرکز شود، حتی قوی‌ترین ماده نیز از بین می‌رود - به یک گیره کاغذ فکر کنید: می‌تواند برای سال‌ها خم شود و خم شود، اما اگر آن را در یک نقطه کوچک محکم فشار دهید، فوراً می‌شکند. همین قانون در مورد قطعات ربات نیز صدق می کند، جایی که استرس مکرر ناشی از حرکت، بار یا لرزش می تواند باعث ایجاد ترک، تاب برداشتن یا خرابی کامل قطعه در طول زمان شود. به عنوان مثال، یک پایه چرخ روباتی که یک صفحه تخت ساده با یک سوراخ برای محور است، بیشترین تنش خود را در لبه آن سوراخ تجربه می کند که منجر به ایجاد ترک در عرض چند صد ساعت پس از استفاده می شود. اما اگر آن پایه را طوری طراحی کنیم که یک لبه گرد در اطراف سوراخ محور داشته باشد، یا یک گیره تقویت کننده کوچک در سمتی که بیشترین نیرو اعمال می شود اضافه کنیم، آن تنش را در یک منطقه بزرگتر پخش می کنیم، بدون اینکه وزن قابل توجهی اضافه کنیم، طول عمر قطعه را دو یا سه برابر می کنیم. اینجاست که دقت مهندسی تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند: زمانی که ما قطعات سفارشی را برای مشتریان خود تولید می‌کنیم، از نرم‌افزار تجزیه و تحلیل اجزا محدود (FEA) برای ترسیم مکان‌هایی که استرس تحت بار انباشته می‌شود، استفاده می‌کنیم، سپس شکل قطعه را برای توزیع یکنواخت آن نیرو تنظیم می‌کنیم. برای قطعات استاندارد ما، مانند براکت‌های موجود در خط لوازم جانبی ربات (/robot-parts/robot-mechanical-parts/robot-accessories.html)، ما قبلاً این تجزیه و تحلیل را اجرا کرده‌ایم، و قطعاتی را ایجاد کرده‌ایم که آزمایش شده‌اند تا بیش از 10000 چرخه حرکت را بدون شکست انجام دهند، بنابراین مشتریان مجبور نباشند هنگام ساخت ربات مورد نظر خود، دوباره اختراع کنند.

اتصالات دقیق یکی دیگر از بهینه‌سازی‌های کلیدی است که اغلب نادیده گرفته می‌شود، مخصوصاً برای روبات‌های کوچک و با دقت بالا. حتی یک فاصله 0.1 میلی متری بین دو قسمت جفت شده - مانند یک مفصل بازوی ربات یا یک چرخ دنده در جعبه دنده - می تواند باعث حرکت ناهماهنگ، کاهش دقت و سایش اضافی در طول زمان شود. این فقط در مورد خرید قطعات ساخته شده از مواد با کیفیت بالا نیست. این در مورد طراحی ساختار قطعه است تا کاملاً با بقیه سیستم ربات مطابقت داشته باشد. به عنوان مثال، هنگام ساخت بازوهای روباتی با ماشینکاری CNC، از ماشینکاری با تلورانس محکم (در عرض 0.05 میلی‌متر) برای تمام سطوح مفصلی استفاده می‌کنیم، بنابراین هر بخش بدون اتصال به خوبی جا می‌گیرد و امکان حرکت صاف و دقیق را فراهم می‌کند که برای کارهایی مانند مرتب‌سازی قطعات الکترونیکی کوچک یا مونتاژ اجزای ظریف ضروری است. برای ربات‌های علاقه‌مند، جزئیات کوچک‌تر نیز مهم است: چرخ دنده‌ای پلاستیکی که به جای لبه مستقیم، با کمی مخروطی قالب‌گیری می‌شود، بهتر با چرخ دنده‌ی مقابل می‌چرخد، اصطکاک را کاهش می‌دهد و عمر چرخ دنده را تا 50 درصد یا بیشتر افزایش می‌دهد. ما همچنین درج‌های بلبرینگ دقیق را به عنوان بخشی از خط لوازم جانبی ربات خود عرضه می‌کنیم، که به گونه‌ای طراحی شده‌اند که کاملاً در قطعات آلومینیومی و فولادی ضدزنگ قرار می‌گیرند و بازی‌هایی را که می‌تواند باعث تلاطم در قطعات متحرک شود، از بین می‌برند. اغلب، تیم‌ها قطعات عمومی را خریداری می‌کنند و آنها را مجبور می‌کنند تا جا بیفتند، که استرس اضافی بر روی قطعات ایجاد می‌کند و منجر به شکست زودهنگام می‌شود - وقت گذاشتن برای طراحی قطعاتی که با یکدیگر کار می‌کنند، نه در برابر یکدیگر، در درازمدت باعث صرفه‌جویی در زمان و هزینه می‌شود.

دوام یک بهینه‌سازی نهایی و غیرقابل مذاکره است، اما به معنای ساخت قطعاتی نیست که می‌توانند در برابر حمله موشکی مقاومت کنند، بلکه به معنای ساخت قطعاتی است که می‌توانند شرایط خاصی را که روبات شما با آن مواجه می‌شود، تحمل کند. رباتی که در یک کارخانه تمیز کار می کند، نیاز به دوام متفاوتی نسبت به رباتی دارد که در سایت های ساختمانی گل آلود، سرمای شدید یا محیط های شور ساحلی کار می کند. به عنوان مثال، یک پوسته ربات پلاستیکی ممکن است در یک انبار به خوبی مقاومت کند، اما اگر در معرض ضربه های مکرر ناشی از آوار یا دماهای شدید قرار گیرد، به سرعت می ترکد و یک قطعه فولادی ضد زنگ را انتخاب بهتری برای روبات های بیرونی یا صنعتی می کند. خط قطعات ربات فلزی فولاد ضد زنگ ما از فولاد ضد زنگ درجه 304 ساخته شده است که در برابر زنگ زدگی و خوردگی ناشی از رطوبت، مواد شیمیایی و نمک مقاومت می کند و آن را برای روبات های مورد استفاده در کشاورزی، دریایی یا محیط های تولیدی که قطعات در معرض شرایط سخت قرار می گیرند، ایده آل می کند. برای ربات هایی که در آب و هوای سرد کار می کنند، قطعات آلومینیومی بهتر از پلاستیک هستند زیرا در دماهای پایین شکننده نمی شوند و حتی در محیط های 20- درجه سانتی گراد نیز استحکام خود را حفظ می کنند. ما همچنین تمام قطعات خود را در شرایط واقعی آزمایش می‌کنیم: شاسی آلومینیومی خود را از طریق آزمایش ارتعاش 1000 ساعته برای شبیه‌سازی حمل و نقل کامیون در مسافت‌های طولانی، رها کردن پوسته‌های پلاستیکی آزمایشی از ارتفاع 2 متری برای تقلید سقوط در حین استفاده، و قرار دادن قطعات فولادی ضد زنگ در معرض اسپری نمک به مدت 500 ساعت برای اطمینان از خوردگی آنها قرار می‌دهیم. این آزمایش به این معنی است که مشتریان ما مجبور نیستند حدس بزنند که آیا قطعات آن‌ها پایدار می‌مانند یا نه - آنها می‌توانند مطمئن باشند که قطعاتی که خریداری می‌کنند برای شرایطی که روباتشان با آن مواجه می‌شود بهینه شده است.

پس از کار با صدها تیم رباتیک، می‌توانم با اطمینان بگویم که بزرگترین اشتباهی که مردم هنگام بهینه‌سازی قطعات مکانیکی ربات مرتکب می‌شوند این است که آن را به عنوان یک مرحله یک‌بار مصرف در نظر می‌گیرند، کاری که در شروع یک پروژه انجام می‌دهید و فراموش می‌کنید. بهترین رویکرد این است که تکرار کنید: قطعات ربات خود را در شرایط کاری واقعی آزمایش کنید، به دنبال علائم استرس، سایش یا عملکرد ضعیف باشید و ساختار قطعه را بر اساس آن تنظیم کنید. به عنوان مثال، اگر بازوی ربات شما هنگام بلند کردن بار 5 کیلوگرمی بیش از حد خم می شود، می توانید یک دنده تقویت کننده کوچک به بخش بازو اضافه کنید تا بدون اضافه کردن وزن، استحکام را افزایش دهید. اگر پایه‌های چرخ شما بعد از چند ماه ترک می‌خورد، می‌توانید برای توزیع بهتر استرس، از صفحه تک سوراخ به طراحی دو لنگه تغییر دهید. بسیاری از پرفروش‌ترین قطعات ما به‌عنوان درخواست‌های سفارشی مشتریانی که متوجه مشکلی شده‌اند و برای اصلاح ساختار با ما کار کرده‌اند، شروع شده‌اند. ما به تیم ها کمک می کنیم تا مشکلات واقعی را حل کنند.

در پایان، بهینه سازی قطعات مکانیکی ربات در مورد تعادل است: تعادل بین قدرت و وزن، بین دقت و دوام، بین نیازهای سفارشی و مقرون به صرفه بودن. هر قسمت از ربات شما - از شاسی گرفته تا بازو گرفته تا براکت‌های نصب کوچک - در نحوه عملکرد کل دستگاه نقش دارد و صرف زمان برای درست کردن این ساختار، تفاوت بین رباتی که چند ماه کار می‌کند و رباتی که سال‌ها کار می‌کند، ایجاد می‌کند.

اگر آماده اصلاح ساختار قطعه برای پروژه ربات بعدی خود هستید، تیم ما اینجاست تا به شما کمک کند. ما طیف کاملی از قطعات مکانیکی ربات استاندارد و سفارشی، از جمله بازوی ربات ماشین CNC (/robot-parts/robot-mechanical-parts/cnc-machine-robot-arm.html)، شاسی ربات آلومینیومی (/robot-parts/robot-mechanical-parts/aluminium-robot-chassis.html)، Plas را عرضه می کنیم. (/robot-parts/robot-mechanical-parts/plastic-robot-shell.html)، قطعات ربات فلزی از جنس استنلس استیل (/robot-parts/robot-mechanical-parts/stainless-steel-metal-robot-parts.html)، و تمام لوازم جانبی مورد نیاز برای تکمیل ساخت خود (/robot-merobot-parts-orbotical/robot. با تیم ما تماس بگیرید تا در مورد نیازهای پروژه خود صحبت کنید، یک پیشنهاد سفارشی دریافت کنید، یا درباره اینکه چگونه قطعات ما می توانند به شما در بهینه سازی عملکرد ربات خود کمک کنند، بیشتر بدانید.

مراجع

1. انجمن مهندسین مکانیک آمریکا. (2018). دستورالعمل های طراحی برای ساخت و مونتاژ (DFMA) برای سیستم های رباتیک. ASME Press.
2. گیبسون، آی.، روزن، DW، و استاکر، بی. (2021). فن آوری های ساخت افزودنی: چاپ سه بعدی، نمونه سازی سریع، و ساخت دیجیتال مستقیم (ویرایش سوم). اسپرینگر.
3. هرتزبرگ، جی.، و واگنر، آر. (2020). بهینه سازی ساختاری شاسی ربات موبایل برای وزن و استحکام. مجله رباتیک و مکاترونیک، 32 (4)، 789-801.
4. سازمان بین المللی استاندارد. (2019). ISO 10303-238: سیستم‌های اتوماسیون صنعتی و یکپارچه‌سازی - ارائه و تبادل داده‌های محصول (AP 238: طراحی مکاترونیک). ISO
5. کیم، اس.، و پارک، اچ (2019). تجزیه و تحلیل توزیع تنش برای اجزای مفصلی ربات دقیق. مجله بین المللی فناوری ساخت پیشرفته، 102 (9)، 3125-3136.