Trackmotion机器人细胞的循环时间

轨迹运动机器人单元的循环时间
将机器人放在轨道上大大扩展到其到达信封，可能允许它倾向于更多的机器或在更大的距离上传输材料。例如，而不是三个机器人在单独的位置铺平机器，轨道上的单个机器人可能趋于三个，节省资金和提高效率。或者，轨道上的单个材料处理机器人可以用中间切换位置代替多个机器人。

最小化周期时间:一般原则
单元格的总循环时间定义为产生单个单元所需的时间。有许多因素影响机器人细胞的循环时间。

1. 细胞布局。工作单元的布局将对整体循环时间产生重大影响。机器人和其他设备的放置，例如机床，输送机和托盘架，应当按照操作顺序完成。
   
   对于使用TrackMotion线性轴的工作单元，首先尝试最小化机器人在一步和下一步之间必须沿着轨道移动的距离。对于具有多个操作的工作单元，将每个操作放置在尽可能接近前一个操作的位置。


2. 机器人运动。下一步是减少或移除不必要或过度的机器人动作。检查机器人路径中的中间点，以确定是否可以减少或消除移动和旋转。
   
   一些机器人控制器允许轻松优化机器人运动。例如，将路径精度设置改变为粗略而不是精细的运动，不需要精度允许提高速度。
   
   在允许的情况下，增加加速/减速和速度设置到最大水平，除非这可能对负载有害(如脆弱的，长，或大的部分)。这包括机器人的运动和第七轴的运动。(确保第七轴加速度和速度设置在设计参数范围内，如下所述。)
   
   最后，尝试并行执行多个机器人操作，而不是按顺序执行。例如，在接近运动时打开一个末端执行器，而不是等待直到运动停止。

轨迹运动周期时间:从点a移动到点b
对于在轨道上行走的机器人来说，最小化操作之间的距离是减少整个周期时间的第一步。一旦完成了这些操作，有许多因素将决定机器人能够以多快的速度完成一系列操作。

• 托架行动配置文件¹描述机器人小车随时间的速度和加速度。
• 为了从点A移动到点B，滑架加速到某个速度，保持行进速度为一定时间（大于或等于零），然后减速到停止。
• 在速度-时间图上，这看起来像一个梯形，所以这被称为"梯形"运动轮廓。
• 如果旅行距离足够长，大于“临界距离”，车厢将达到最大速度(或额定速度)。

最大速度是若干因素的函数，包括伺服电机的额定速度，齿轮箱的额定速度和小齿轮尺寸。对于更长的轨道，提高第7轴的最大速度可以显着降低细胞的循环时间。

确定最大速度。对于一个由Güdel齿条和小齿轮系统驱动的TrackMotion直线轴，最大速度简单地由小齿轮的有效节距半径和它能够转弯的最大角速度决定。

Güdel TMF-1和TMF-2的小齿轮节半径为25.47mm, TMF-3的小齿轮节半径为33.96mm, TMF-4的小齿轮节半径为42.44mm。

变速箱额定值和比例：每个变速箱将有一个最大允许输入速度。对于Güdel AE060变速箱(用于TMF-1和TMF-2)，这是6000 RPM (628.3 rad/s)。对于AE090 (TMF-3)和AE120 (TMF-4)变速箱，它是4500转(471.2 rad/s)。此外，每个变速箱的比例从2:1到24:1。将最大输入速度除以齿轮比i将提供齿轮转动时的最大输出速度。

因此，为了提高给定系统的最大速度，选择较小的齿轮箱比。（但是，这将对最大加速度产生反比作用，如下所述。）

基于上述信息，TMF-1，TMF-2和TMF-3的最大可能速度（使用变速箱比例2：1和最大齿轮箱输入RPM）为8.0m / s，10.0 m / s对于TMF-4。但是，不建议在最大输入速度下操作变速箱。此外，如果不是不可能的话，发现可以在这种高速提供所需扭矩的伺服电动机可能是有问题的。

因此，可以安全地假设，实际的最大速度将不超过理论值的60-70%左右。最后，请记住，选择较小的变速箱比(如2:1)将对最大可能加速度产生负面影响，如下所述。

确定最大加速度。确定运输的最大可能加速需要更多信息。根据牛顿着名方程式的说法，加速等于武力除以质量。作用在滑架上的力包括小齿轮和齿条之间的力以及各种摩擦力：辊子的滚动阻力，导轨刮板和润滑系统的摩擦等。系统的质量包括滑架本身，马托车上的机器人，以及连接到它的一切（电缆，连接器等）也是如此，因为托架涉及旋转元件（滚筒，电机轴，联轴器，齿轮箱元件，小齿轮），还有旋转动量和旋转摩擦必须被考虑到加速度方程。

为了简单起见，让我们专注于影响最大载体加速的三个主要变量：机器人质量，伺服电机扭矩和齿轮箱比。

机器人质量:对于大多数TrackMotion系统来说，对质量最重要的贡献将是机器人。因此，为了使系统的加速度最大化，选择能够执行所需任务的最小机器人是至关重要的。这也适用于任何机器人立管或附在车厢上的有效载荷。整个系统越轻，在给定的外力作用下加速的速度就越快。

伺服电机扭矩：有广泛的伺服电机与Güdel变速箱兼容。每个电机都有自己的速度-扭矩特性，通常用速度/扭矩图来说明。对于电动机，随着输出轴的速度增加，最大扭矩将减小。

伺服电机通常有一个“峰值”或间歇扭矩容量，以及额定扭矩容量，用于连续运行，给定的速度。电机可以在不过热的“连续”区域内无限期运行。因此，电机的均方根速度和转矩必须在连续区域内。

为了增加小车系统的加速度，请选择具有高间歇转矩额定的伺服电机。(记住，伺服电机的最大转矩一定不能超过变速箱联轴器的最大额定转矩，否则会发生打滑。)

变速箱比率:因为齿轮箱降低了从电动机到小齿轮的旋转速度，所以它具有通过相应量增加输出扭矩的效果。

因此，选择一个较高的变速箱比允许更高的输出扭矩的给定电机速度。然而，正如我们上面看到的，增加变速箱比有降低最大速度的效果!对于给定的伺服电机，最大速度和最大加速度之间存在权衡。

平衡速度和加速度。特定应用程序的速度和加速之间的理想权衡是什么？如上所述，在大于临界距离的行进距离处，机器人托架将在其最大速度Vmax处达到峰值。临界距离是系统的最大速度和加速度的函数：

短途旅行:对于距离该关键距离小的行程距离，在机器人托架中从未在减速前实现其最大速度，行程时间只是距离的函数和加速度的速率：

对于短距离（低于临界距离），增加最大速度没有效果在旅行时间！因此，当行进距离足够短，使得机器人没有达到其最大速度，减少行驶时间的策略是通过选择具有更高扭矩的伺服电动机和/或通过选择更高的齿轮箱比来增加加速度。（请记住，通过在滑架上延长有效载荷，也可以提高最大加速度，因此寻找尽可能减少质量的方法）。

长途旅行:对于临界距离以上的距离，旅行时间是距离、最大速度和加速度的函数。

对于高于临界距离的行程距离，该等方程的第一组件将是旅行时间的较大因素。因此，一旦超过临界距离，缩短循环时间的第一个策略就是增加最大速度通过选择一个最大额定转速较大的伺服电机，和/或通过选择一个较低的变速箱比。一旦尝试增加最大速度，可以通过增加加速度(如上所述)进一步改善周期时间。

工作流调度
对于每个部分有多个操作的机器人细胞，可以做出几个影响周期时间的决定。首先，要决定实施的是远期周期还是反向周期。其次，采用双夹持器代替单夹持器可以大大减少循环时间。最后，为了达到最佳效率，必须确定同时执行每个操作的并行机器的数量。

正向或反向循环。在“前进周期”中，循环从所有机器开始空的。机器人从输入缓冲区拾取零件，将它送到第一台机器，等待第一台机器完成，然后将零件送到下一台机器(如此类推，直到所有过程完成，该零件被丢弃在输出缓冲区)。

在“反向循环”中，循环从所有机器开始，除了第一台机器完整的(第一台机器必须是空的，以便接收进来的零件)。机器人从输入缓冲器中取出一个原始零件，并将它送到第一台机器。然后机器人走到最后一台机器，拿起一个成品，并把它转移到输出缓冲器。然后机器人走到倒数第二台机器，拿起一个完成的零件，并把它转移到最后一台机器。这个过程一直持续到机器人回到起点。

反向循环允许更多的机器同时被零件占用，这提高了效率。但是，它增加了机器人每个部件所需的整体移动距离。

因此，对于单抓手机器人，每个机器的加工时间总是小于机器人从一个机器到另一个机器所需的时间，向前循环是更好的。在其他所有情况下，逆向循环更有效。2

Dual-Gripper EOAT。对于大多数机器加工时间大于机器人行走时间的系统，实现双夹持式EOAT可以大大减少整个周期时间。双夹持式EOAT可以在每个周期开始时占用所有机器，并减少每个部件的总行程距离。循环开始时，所有机器都被占用，两个钳子都是空的。机器人用第一个抓手从输入设备中抓取一个零件，然后移动到第一个机器。

EOAT旋转并在1号机器上用空夹持器拾取完成的零件，EOAT旋转并从第一个夹持器脱落新零件。然后机器人移动到机器2,EOAT旋转并用空夹持器拾取完成的零件，EOAT旋转然后从第一台机器上放下零件。这个过程会一直持续下去，直到机器人把一个完成的零件送到输出设备。然后返回起点，重新开始序列。

并联机器。在一项操作比另一项操作持续时间长的情况下，可以通过并行运行多个较慢的操作，但有多台机器，从而提高单元的整体效率。例如，如果操作1每个部件需要10秒，而操作2每个部件需要30秒，那么机器人总是要等待操作2完成，这就限制了系统的整体容量。然而，这种浪费的时间可以通过添加执行较慢操作的额外机器来减少。

结论
从布局到组件的选择，有许多因素影响机器人单元的整体周期时间。使工作单元尽可能紧凑，使机器人和轨道运动最小化是第一步。选择可以执行必要任务的最轻的机器人将允许更快速的移动加速度。Güdel应用工程师可以帮助选择伺服电机和变速箱的比例组合，这将提供正确的速度和加速度的折衷。最后，如果要通过多个操作来移动部件，则应该考虑采用双夹持式EOAT。

附录a:梯形和s曲线运动剖面
梯形运动。梯形运动轮廓基于恒定加速和减速度的假设。

看看速度和加速度与时间的图表，你可以看到有三个不同的旅行阶段:第一个阶段是恒定加速度，第二个阶段是恒定速度(零加速度)，第三个阶段是恒定减速。看看加速度图，你可以看到这些阶段之间的过渡是瞬间的——加速度的变化在每个阶段之间瞬间发生。“加速度”是加速度的变化率。对于梯形运动，jerk是无穷大的。

设计一个具有极高冲击的系统有缺点，即引入振动或振荡。对于给定的载荷，挺举(或加速度变化)越高，振动就越强烈，被激发的振动模态数量也就越多。如果振动频率与机械系统的共振频率相匹配，这可能会导致沉降时间增加或精度降低。振动还将导致更大的应力对系统和降低寿命由于材料疲劳。因此，另一种运动剖面，称为s曲线剖面，通常是首选。

S曲线概况。s曲线由7个不同的运动相位组成(与梯形轮廓的3个相位相反)。阶段1以线性增加的加速度从静止开始加载，直到达到最大加速度。在阶段2中，剖面以这个最大加速度加速，直到它必须在接近最大速度时开始减小。在阶段3中，加速度线性减小，直到达到零。在第4阶段，速度是恒定的，在这一点上，轮廓在一个与第1-3阶段对称的物质中减速。

由于梯形曲线的所有时间都处于全加速度或全减速状态，所以它们比s曲线曲线的速度要快。但是如果“全开/全关”的方法导致了沉淀时间的增加，就失去了优势。很多时候，即使在完全加速度和零加速度之间进行少量的平滑处理，也可以大大减少诱发的振动。s曲线形式的具体选择将取决于系统的机械性质和期望的性能规格。

PDF下载与完整的表格，图表，公式和图片:http://gudel.lead-central.com/17

本文档的书面内容由应用工程师Don Bromley, Güdel, Inc.提供。

¹见附录A.

²Dawande, M.， Geismar, H. N.， Sethi, S. P.， & Sriskandarajah, C. S.(2005)。机器人细胞的排序和调度:最新进展。调度学报，8,387-426。

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