Dozowanie smaru na robocie: dlaczego dawka zmienia się w ciągu zmiany i jak to opanować

Typowy obraz z linii montażowej: robot nakłada smar na gniazdo o-ringu. Na początku pierwszej zmiany dawka mieści się w tolerancji, po południu smaru na detalu jest wyraźnie więcej, a zimą, gdy hala się wychładza, kontrola zgłasza braki. Program robota się nie zmienił, nastawa reduktora też nie.

Często zawór jest przy tym w pełni sprawny. Dawka zmienia się, bo zmieniają się warunki, od których zależy z samej zasady działania układu. Poniżej opisujemy, co fizycznie wyznacza dawkę, pięć typowych źródeł zmienności, prosty test, który pozwala je rozróżnić, oraz kryteria wyboru między dozowaniem czasowo-ciśnieniowym a wolumetrycznym.

Co fizycznie wyznacza dawkę

O stabilności procesu decyduje to, która wielkość wyznacza objętość dawki. Pod tym względem dwie stosowane zasady różnią się zasadniczo.

Dozowanie czasowo-ciśnieniowe. Zawór otwiera się na zadany czas t, a medium wypływa przez dyszę pod różnicą ciśnień Δp. Dla cieczy newtonowskiej w przepływie laminarnym strumień jest proporcjonalny do Δp i odwrotnie proporcjonalny do lepkości η (prawo Hagena–Poiseuille’a). Dawka wynosi więc w przybliżeniu:

V ≈ Q · t = k · (Δp / η) · t

Współczynnik k zależy tylko od geometrii dyszy i kanałów. Smary plastyczne nie zachowują się jak ciecz newtonowska, więc zależność nie jest liniowa. Kierunek jest jednak ten sam: gęstsze medium daje mniejszą dawkę.

Przykład: jeżeli lepkość medium wzrośnie o 30 %, przy tym samym ciśnieniu i czasie otwarcia dawka spadnie o około 23 % (1/1,3 ≈ 0,77). A zmiany lepkości z temperaturą są duże: olej ISO VG 46 ma z definicji 46 mm²/s przy 40 °C, a przy 20 °C jego lepkość jest ponad dwukrotnie wyższa.

Dozowanie wolumetryczne. Dawkę wyznacza geometrycznie określona objętość. W zaworze na zasadzie śruby mimośrodowej rotor obraca się w elastycznym statorze i przesuwa zamknięte komory od wlotu do wylotu:

Q = q · n, V = q · N

q to objętość przetłaczana na jeden obrót, n prędkość obrotowa, a N liczba obrotów na dawkę. Lepkość i ciśnienie zasilania nie występują w tym równaniu. W praktyce wpływają na wynik tylko w niewielkim stopniu, przez przecieki wewnętrzne i ściśliwość medium.

W układzie czasowo-ciśnieniowym dawka jest więc wynikiem bieżących warunków procesu, a w wolumetrycznym wynika z konstrukcji zaworu. Warto to rozstrzygnąć już na etapie zapytania ofertowego, bo od tej decyzji zależą kolejne kroki.

Pięć źródeł zmienności dawki

1. Temperatura medium. Liczy się temperatura medium w dyszy, a nie powietrza w hali. Medium stygnie w beczce stojącej przy bramie, w przewodzie prowadzonym wzdłuż zimnej ściany i w zaworze po przerwie. W długim przewodzie efekt się kumuluje: zimny smar stawia większy opór, więc do zaworu dociera niższe ciśnienie. Dawka spada wtedy podwójnie, przez mniejsze Δp i większą lepkość w dyszy. Kalibracja pomaga na jeden dzień. Trwałe rozwiązania to stabilizacja temperatury medium, np. ogrzewanie zaworu, albo zasada dozowania niezależna od lepkości.
2. Partia materiału. Kolejna beczka tego samego smaru może mieć inną lepkość, wciąż zgodną ze specyfikacją producenta. Skok dawki zaraz po wymianie opakowania, przy niezmienionej temperaturze, wskazuje na partię albo na powietrze.
3. Powietrze w medium. Powietrze jest ściśliwe, a smar praktycznie nie. Pęcherz w kanale działa jak sprężyna: po otwarciu zaworu najpierw się rozpręża, a po zamknięciu dalej wypycha medium z dyszy. Efekt to spóźniony początek ścieżki, przerwy i docieki na końcu. Powietrze dostaje się najczęściej przy wymianie opakowania, gdy płyta nadążna nie zostanie odpowietrzona. Pomaga odpowietrzanie płyty przy każdej wymianie i odgazowanie medium przed zaworem.
4. Rozwarstwienie smaru. Podczas długiego postoju pod ciśnieniem olej bazowy oddziela się od zagęstnika. Z dyszy wypływa najpierw sam olej, a zagęszczona reszta osadza się w filtrach i zaworach. Ryzyko zmniejsza obniżenie ciśnienia w linii na czas dłuższych przestojów i rezygnacja ze zbędnie wysokiego ciśnienia zasilania.
5. Prędkość robota. Przy stałym strumieniu przekrój ścieżki jest odwrotnie proporcjonalny do prędkości ruchu: A = Q / v. Jeżeli robot zwalnia przed narożnikiem z 200 do 50 mm/s, a zawór podaje tyle samo, przekrój ścieżki rośnie czterokrotnie. Stąd zgrubienia na łukach i w narożnikach.

Temperatura i partia działają głównie na układy czasowo-ciśnieniowe. Powietrze, rozwarstwienie i prędkość robota trzeba rozwiązać niezależnie od zasady dozowania.

Gdzie w łańcuchu dozowania powstają zakłócenia

Medium przechodzi od opakowania do dyszy przez kolejne elementy: beczkę i pompę z płytą nadążną, odgazowanie, reduktor z filtrem, przewód do zaworu oraz zawór z dyszą na robocie. Odgazowanie usuwa powietrze przed zaworem, a reduktor ustala ciśnienie na jego wejściu. Zakłócenia wchodzą w trzech miejscach:

• przy opakowaniu: powietrze przy wymianie beczki i nowa partia materiału;
• w przewodzie: zimny smar zwiększa spadek ciśnienia;
• w dyszy: lepkość zależna od temperatury i rozwarstwienie po postoju.

Zawór jest więc na końcu łańcucha, ale część zakłóceń powstaje wcześniej: przy opakowaniu, w przewodzie i na postoju. Dlatego diagnozę warto zaczynać od pomiaru, a nie od wymiany zaworu.

Najpierw zmierz: test wagowy

Zanim zmieni się zawór albo nastawy, warto ustalić, który mechanizm faktycznie działa. Wystarczy waga o rozdzielczości dobranej do wielkości dawki i termometr.

1. Na początku zmiany nanieś 10 kolejnych dawek na tarowane podłoże, np. folię. Zważ każdą osobno. Jeśli dawki są zbyt małe dla wagi, zważ wszystkie razem; wtedy porównasz tylko średnią, bez rozrzutu.
2. Zmierz temperaturę medium jak najbliżej dyszy.
3. Powtórz pomiar po 3–4 godzinach, po dłuższym postoju i zaraz po wymianie opakowania.
4. Porównaj średnią i rozrzut między seriami. Jeśli tolerancja jest podana w cm³, przelicz masę na objętość przez gęstość z karty technicznej medium.

Jak czytać wynik:

• średnia przesuwa się razem z temperaturą: lepkość, czyli temperatura medium i spadek ciśnienia w przewodzie;
• średnia skacze po wymianie opakowania przy tej samej temperaturze: partia materiału albo powietrze pod płytą nadążną;
• średnia stoi, a rośnie rozrzut między kolejnymi dawkami: powietrze w medium albo nieczyste odcięcie;
• pierwsza dawka po postoju odstaje od pozostałych: rozwarstwienie albo medium, które zgęstniało w dyszy.

Objaw, przyczyna, co sprawdzić

• Dawka zmienia się w ciągu dnia lub sezonowo. Przyczyna: lepkość zależna od temperatury. Sprawdź: temperaturę medium przy dyszy, prowadzenie przewodu, ogrzewanie zaworu.
• Skok dawki po wymianie beczki. Przyczyna: nowa partia albo powietrze pod płytą nadążną. Sprawdź: odpowietrzenie płyty, dawkę przy tej samej temperaturze.
• Przerwy w ścieżce, „plucie” dyszy. Przyczyna: powietrze w medium. Sprawdź: odpowietrzanie płyty, odgazowanie medium, uszczelnienie płyty w opakowaniu.
• Nitki i docieki na końcu ścieżki. Przyczyna: ciśnienie resztkowe za gniazdem zaworu. Sprawdź: odcięcie i dyszę; w zaworach wolumetrycznych funkcję retrakcji.
• Zgrubienia na łukach i w narożnikach. Przyczyna: stały strumień przy zmiennej prędkości robota. Sprawdź: sprzężenie strumienia z prędkością ruchu.
• Sam olej z dyszy po postoju, zatkany filtr lub zawór. Przyczyna: rozwarstwienie smaru. Sprawdź: ciśnienie w linii podczas postoju, czas postoju, filtr.
• Dawka za mała tylko zimą, przy długim przewodzie. Przyczyna: spadek ciśnienia na przewodzie. Sprawdź: ciśnienie na wejściu zaworu, a nie na reduktorze.

Integracja z robotem i PLC

Synchronizacja z ruchem. Na robocie wymaga się stałej ilości medium na milimetr ścieżki, a nie na sekundę. Zawór wolumetryczny można sprzęgnąć z ruchem: strumień objętościowy zadaje sygnał analogowy proporcjonalny do prędkości robota lub osi. Gdy robot zwalnia przed narożnikiem, zawór podaje proporcjonalnie mniej i przekrój ścieżki się nie zmienia. W układzie czasowo-ciśnieniowym podobny efekt daje regulacja ciśnienia, ale strumień nadal zależy od lepkości, a medium w przewodzie reaguje na zmianę ciśnienia z opóźnieniem.

Początek i koniec ścieżki. Po zakończeniu dawki rotor zaworu wolumetrycznego obraca się wstecz i zbija ciśnienie na wylocie. Początek i koniec ścieżki są jednoznaczne, a medium nie ciągnie się w nitki i nie kapie. Przy klejach sieciujących pod wpływem wilgoci znaczenie ma też zamknięta przestrzeń medium, odcięta od powietrza: produkcję można wznowić po przerwie bez czyszczenia dyszy.

Ciśnienie na wejściu zaworu. Zawór wolumetryczny opisany niżej przyjmuje medium pod ciśnieniem do 6 bar, a pompy beczkowe do smarów plastycznych tłoczą znacznie wyżej. W takim układzie zawór zasila się przez reduktor. Spadki ciśnienia na przewodach warto policzyć na etapie projektu, bo o dawce decyduje ciśnienie przy zaworze, a nie wskazanie manometru przy pompie.

Potwierdzenie dawki. W motoryzacji i elektronice dawkę trzeba potwierdzić, a nie tylko założyć. Służy do tego pomiar ciśnienia i przepływu w czasie rzeczywistym z sygnałem OK/NOK do PLC oraz kontrola obecności medium na detalu, zanim trafi on na kolejne stanowisko.

Przykładowe parametry zaworów wolumetrycznych na zasadzie śruby mimośrodowej (seria Walther RotoStream):

• minimalna objętość dawki: od 0,003 cm³ do 0,530 cm³, zależnie od wielkości;
• zakres strumienia objętościowego: od 0,003 do 60 cm³/min, zależnie od wielkości;
• maksymalne ciśnienie wejściowe medium: 6 bar;
• maksymalna temperatura medium: 80 °C;
• zasilanie: 24 V DC;
• sygnały analogowe: wejścia 0–10 V lub 4–20 mA, wyjście 4–20 mA;
• komunikacja: Ethernet, parametryzacja przez przeglądarkę;
• tryby pracy: punkt, ścieżka, praca ciągła.

Czasowo-ciśnieniowe czy wolumetryczne

Wybór zależy od tego, czy o procesie decyduje powtarzalność dawki, czy prostota i koszt układu.

• Co wyznacza dawkę. Czasowo-ciśnieniowe: ciśnienie, czas otwarcia i lepkość. Wolumetryczne: objętość komory i liczba obrotów.
• Wpływ temperatury i partii medium. Czasowo-ciśnieniowe: bezpośredni. Wolumetryczne: w dużej mierze wyeliminowany.
• Wahania ciśnienia zasilania. Czasowo-ciśnieniowe: zmieniają dawkę. Wolumetryczne: w dużej mierze bez wpływu.
• Ścieżka przy zmiennej prędkości robota. Czasowo-ciśnieniowe: regulacja ciśnienia, z opóźnieniem. Wolumetryczne: strumień sprzężony z prędkością sygnałem analogowym.
• Koniec ścieżki. Czasowo-ciśnieniowe: zależy od odcięcia i ciśnienia resztkowego. Wolumetryczne: aktywna retrakcja.
• Utrzymanie ruchu. Czasowo-ciśnieniowe: prostsze, mniej części zużywalnych. Wolumetryczne: rotor i stator to części zużywalne.
• Koszt zakupu. Czasowo-ciśnieniowe: niższy. Wolumetryczne: wyższy.

Układy czasowo-ciśnieniowe od dekad są standardem i w wielu zastosowaniach w pełni wystarczają. Zostań przy nich, jeżeli:

• proces akceptuje odchyłkę dawki rzędu kilkunastu procent;
• medium ma stabilną lepkość, np. rzadki olej o małej wrażliwości na temperaturę;
• stanowisko ma stabilną temperaturę, np. jest klimatyzowane;
• aplikacja jest statyczna: dysza stoi, a detal jest pozycjonowany pod nią;
• priorytetem jest prostota utrzymania ruchu i mały magazyn części zamiennych.

Przejście na dozowanie wolumetryczne ma uzasadnienie, gdy o jakości wyrobu zaczyna decydować powtarzalność: wąskie tolerancje, zmienna temperatura na hali, ścieżki prowadzone robotem albo obowiązek dokumentowania dawki.

Co przygotować przed zapytaniem ofertowym

Najpewniejszą odpowiedzią na pytanie o zasadę dozowania jest próba na własnym medium i własnym detalu. Dostawca oceni ją szybko, jeżeli dostanie:

1. Nazwę i kartę techniczną medium, w tym klasę NLGI dla smaru i gęstość.
2. Wymaganą dawkę z tolerancją oraz formę aplikacji: punkt, ścieżka czy powłoka.
3. Opakowanie, z którego pobierany jest materiał: kartusz, wiadro, beczka 200 l.
4. Sposób prowadzenia dyszy: robot, oś liniowa albo stanowisko ręczne, oraz czas cyklu.
5. Zakres temperatur na stanowisku w ciągu roku i długość przewodów od opakowania do zaworu.
6. Wyniki testu wagowego, jeżeli problem dotyczy istniejącej linii.

Z tymi danymi da się rozstrzygnąć, czy wystarczy stabilizacja temperatury i odgazowanie, czy potrzebna jest zmiana zasady dozowania.

ERD Engineering jest wyłącznym dystrybutorem Walther Systemtechnik w Polsce i prowadzi próby aplikacyjne na stanowisku testowym we Wrocławiu. Więcej o zasadach dozowania: erd-engineering.pl/systemy-smarowania/dozowanie