EOAT, czyli narzędzie końcowe robota: jak je dobrać

EOAT to skrót od angielskiego end of arm tooling, czyli narzędzie końcowe robota. Tak nazywa się wszystko, co montuje się na kołnierzu ramienia: chwytak, przyssawki, spawalniczy uchwyt, głowicę kleju, czujniki, a także konstrukcję łączącą te elementy. Dla robota to ładunek, dla procesu to jedyny element, który faktycznie dotyka detalu.

Z czego składa się EOAT

Typowe narzędzie końcowe obejmuje kilka warstw. Przy kołnierzu znajduje się płyta montażowa lub system szybkiej wymiany. Dalej konstrukcja nośna, często z profili aluminiowych albo płyt frezowanych. Na niej siłowniki, chwytaki, magnesy lub przyssawki, a w okolicy detalu czujniki obecności i położenia. Całość łączą przewody energii, powietrza i sygnałów.

Taka budowa decyduje o tym, że gotowy katalogowy chwytak rzadko jest jedynym elementem. W praktyce projekt narzędzia to zwykle zestaw komponentów dopasowanych do konkretnego detalu.

Masa i moment na kołnierzu

Udźwig robota podawany w katalogu jest największą masą, jaką ramię może przenosić w określonych warunkach, zwykle z punktem ciężkości blisko kołnierza. Do tej masy zalicza się narzędzie wraz z detalem. Gdy robot ma udźwig 20 kg, a narzędzie waży 8 kg, na detal zostaje 12 kg, i to w idealnym przypadku.

Drugi parametr to moment bezwładności i moment statyczny. Narzędzie, które sięga daleko od osi, obciąża nadgarstek mocniej niż zwarta konstrukcja o tej samej masie. Producenci robotów podają dopuszczalne momenty dla osi nadgarstka i dopuszczalne momenty bezwładności. Wyliczenie wymaga środka ciężkości narzędzia z detalem, który wyznacza się w modelu 3D.

Lekka konstrukcja jako oszczędność

Każdy kilogram narzędzia to kilogram mniej na detal albo wolniejsze przyspieszenia. Obniżenie masy zmniejsza też obciążenie przekładni i skraca czas cyklu. Stosuje się płyty z wycięciami odciążającymi, profile aluminiowe, tworzywa sztuczne tam, gdzie siły są małe, oraz elementy drukowane do prototypów. Zbyt cienkie elementy mogą jednak drgać i powodować rozjeżdżanie pozycji na końcu ruchu.

Czujniki i sygnały

Narzędzie bez czujników zmusza do zgadywania. Warto zaplanować:

• czujnik obecności detalu w chwytaku,
• czujnik położenia szczęk lub tłoczyska, żeby sterownik znał stan otwarcia,
• czujnik podwójnego arkusza lub kontroli nadmiarowego detalu,
• czujnik ciśnienia lub podciśnienia przy układach pneumatycznych,
• wyłącznik kolizyjny, który zatrzymuje robota przy uderzeniu narzędzia.

Liczba kabli i przewodów rośnie szybko, więc trzeba ją policzyć przed projektem. Przepusty w nadgarstku mają ograniczoną ilość linii, a poprowadzenie ich na zewnątrz ramienia wymaga zapasu długości na pełny zakres ruchu.

Przyłącza i media

Narzędzie potrzebuje zasilania w postaci powietrza, prądu, a niekiedy chłodzenia lub próżni. Dla powietrza wybiera się średnicę przewodu i zawór w zależności od wydatku siłowników, bo za wąski przewód wydłuża czas ruchu. W układach elektrycznych dochodzą kable sygnałowe, zasilanie 24 V i czasem magistrala komunikacyjna. Przy wymianie narzędzi te linie przechodzą przez złącza, które mają określoną liczbę styków i prąd znamionowy.

Kolizje, serwis i bezpieczeństwo

Narzędzie jest najbardziej narażoną częścią robota. Uderza o stoły, ramy palet i detale ustawione niezgodnie z programem. Dlatego często montuje się między kołnierzem a narzędziem zabezpieczenie przeciwkolizyjne, które przy uderzeniu rozłącza się lub wysyła sygnał zatrzymania. Odzyskanie położenia po takim zdarzeniu powinno zająć minuty, a nie godziny.

Serwis planuje się tak jak dla każdej maszyny: dostęp do przyssawek, filtrów, czujników i złączy bez demontażu całego narzędzia, opis przewodów i zapasowe elementy zużywalne. Do tego dochodzi bezpieczeństwo: narzędzie z ostrymi krawędziami, ruchomymi szczękami lub wysoką siłą chwytu zmienia ocenę ryzyka dla stanowiska, w szczególności przy pracy obok ludzi. Szersze ramy przedstawia artykuł o bezpieczeństwie robotów i normach.

Zapas na zmianę detalu

Linia produkcyjna rzadko pozostaje przy jednym detalu. Gdy asortyment się rozszerza, narzędzie musi przyjąć kolejne warianty albo zostać szybko wymienione. Pomaga w tym projekt modułowy: wspólna płyta, wymienne nakładki, regulowane rozstawy szczęk i wymienne końcówki. Zapas masy i miejsca w konstrukcji bywa tańszy niż nowy chwytak. Z drugiej strony narzędzie uniwersalne jest cięższe i wolniejsze, więc dla jednego dużego wolumenu opłaca się narzędzie dedykowane. O logice takiego wyboru piszemy w tekście o szybkiej wymianie chwytaków.

Dokumentacja i testy przed uruchomieniem

Przed zamówieniem warto przygotować krótki dokument z założeniami: masy, wymiary, cykl, media, warunki otoczenia (temperatura, pył, olej) i wymagania co do czystości detalu. Na jego podstawie dostawca może zaproponować konstrukcję, a zespół zakładowy ocenić, czy ta konstrukcja spełnia potrzeby. Brak takiego dokumentu powoduje zmiany w trakcie budowy, które kosztują więcej niż dokładne przygotowanie na początku.

Odbiór narzędzia najlepiej oprzeć na próbie z kilkuset cyklami na rzeczywistych detalach, w tym z tymi najbardziej niekorzystnymi (najcięższy, najbardziej zabrudzony, najtrudniejszy w orientacji). Wyniki zapisuje się w protokole, który później służy jako punkt odniesienia, gdy narzędzie się zużyje.

Gdzie szukać wiedzy o rodzajach

Wybór technologii chwytu to oddzielny temat: pneumatyczne, elektryczne, magnetyczne i podciśnieniowe mają inne zalety, o czym opisujemy w artykule o rodzajach chwytaków do robotów. Dostawcy zajmujący się projektowaniem takich zestawów, na przykład w ofercie systemy EOAT, pokazują, jak wygląda pełne narzędzie z konstrukcją, czujnikami i przyłączami, a nie tylko pojedynczy chwytak.

Kolejność prac projektowych

1. Zbierz dane o detalach: masa, wymiary, materiał, powierzchnie chwytu.
2. Ustal cykl: wysokość, prędkość, przyspieszenia, orientacje detalu.
3. Wybierz technologię chwytu i sposób kontroli obecności.
4. Zaprojektuj konstrukcję i oblicz masę oraz środek ciężkości.
5. Sprawdź obciążenia nadgarstka w dokumentacji robota.
6. Zaplanuj przewody, przyłącza i dostęp do serwisu.
7. Przetestuj prototyp na prawdziwych detalach i przy pełnej prędkości.

Najczęstsze pytania

Czy EOAT to to samo co chwytak?

Nie. Chwytak jest jednym z elementów narzędzia końcowego. EOAT obejmuje też konstrukcję, czujniki, przyłącza i ewentualny system wymiany.

Ile udźwigu robota zostaje na detal?

Tyle, ile pozostaje po odjęciu masy całego narzędzia i zapasu dynamicznego. Dla robotów o małym udźwigu narzędzie bywa największą częścią obciążenia.

Czy można użyć jednego narzędzia do wielu detali?

Tak, jeśli detale są podobne w masie i kształcie, a konstrukcja ma regulację. Przy dużych różnicach częściej stosuje się wymianę narzędzi.

Co sprawdzić w dokumentacji robota?

Udźwig znamionowy, dopuszczalne momenty na osiach nadgarstka, położenie środka ciężkości względem kołnierza oraz ograniczenia dla przewodów i interfejsu narzędzia.