มีคำถามจากลูกค้าที่มักถามว่า ทำไม Harmonic Drive ถึงไม่ทน จากที่ติดตั้งมาในเครื่องจักร / หุ่นยนต์ ส่วนนี้จะเสียหายก่อน ทำไมไม่ทน ถามไปยังผู้เกี่ยวข้อง ก็บอกว่าเป็นของจีนบ้างล่ะ ใช้งานผิดวิธีบ้างล่ะ บราๆ เอาเป็นว่า อย่าไปสนใจมาก แต่ที่อยากรู้ ….คือ….ทำไมไม่ทน?
จากประสบการณ์ของ AHR Robotics ได้ใช้งาน Harmonic Drive เกิน 30 ตัวไปแล้ว และได้ติดตาม และเก็บข้อมูล Harmonic Drive ทุกตัวว่ามีอายุการใช้งานจริงได้กี่ชั่วโมง ต้องบำรุงรักษาที่ชั่วโมงเท่าไร และพบปัญหาอะไรบ้าง …
สรุป…จากที่ใช้งานมา Harmonic Drive ทุกตัวจากหลากหลายแบรนด์(ทั้งจีน ไต้หวัน และญี่ปุ่น) มีอายุเป็นตาม…การออกแบบและคำนวณอย่างถูกต้องและแม่นยำ …ยังไม่พบปัญหาอายุใช้งานจริง ต่ำกว่าที่คำนวณเลย……
**พบปัญหาจากการบกพร่องจากการผลิตบ้าง แต่เป็นส่วนน้อยมาก
จากข้อมูลจากการใช้งานจริง ก็คงจะตอบได้ว่า “Harmonic Drive ไม่ทนอย่างที่คิด ” นั้นไม่เป็นความจริง ส่วน ผิดตรงไหน? ….นั้้น มาลองหาคำตอบกัน
การเลือก Harmonic Drive
Harmonic Drive หรือ อุปกรณ์ทางกล ทั้งสำเร็จรูป และกึ่งสำเร็จรูป เช่น servo motor ,Planetary Gearbox,Cycloidal drive,ball spline และ bearing เป็นต้น นั้นมีกระบวนการเลือกที่ไม่แตกต่างกันในเชิงขั้นตอน/หลักการ แต่จะแตกต่างกันที่รายละเอียดเท่านั้น มี 4 ขั้นตอนดังนี้
ขั้นตอนที่1.สร้างโจทย์ทางวิศวกรรม
ไม่ว่าจะเป็นชิ้นส่วน หรือ อุปกรณ์ทางกลชนิดไหนก็ตาม เมื่อใช้งานจริง เราต้องหาให้ได้ว่ามี load แบบไหนมากระทำบ้าง? และที่กระทำเป็นแบบ static หรือ dynamic จากนั้นรวบรวมข้อมูลทั้งหมดเพื่อสร้าง Simulation Case ให้ครบตามสมมติฐานที่กำหนด ยิ่ง Simulation Case มีความแม่นยำเท่าไร ก็เท่ากับว่า load ที่กระทำกับชิ้นส่วน หรือ อุปกรณ์ทางกลตามสถาณการณ์จริง กับ Simulation Case นั้นตรงกัน หรือใกล้เคียงกัน ถ้าเป็นแบบนี้การหา “อายุใช้งาน / lifetime” ของชิ้นส่วน หรือ อุปกรณ์ทางกลก็จะถูกต้องมีความแม่นยำสูง
ขั้นตอนที่2.Statics & Dynamics (Kinematic / Kinetic) Design
เมื่อเรามีโจทย์ เราก็มีตัวเลข มีข้อมูล เมื่อมีก็นำมาคำนวณเพื่อสร้าง "ข้อมูลสำหรับคำนวณ" เช่น ความเร็ว ความเร่งทั้งเชิงเส้น และเชิงมุม หรือ force ,torque ,impact force หรือ enforced displacement เป็นต้น
**ส่วนนี้ถือเป็นพื้นฐาน แต่ก็ไม่ง่ายต้องใช้ความรู้ และประสบการณ์พอควร เพื่อที่จะได้ค่าที่ถูกต้องแม่นยำ เพราะถ้าผิด คือเหนื่อยฟรี และเกิดความเสียหายแน่นอนไม่ช้าก็เร็ว
ขั้นตอนที่3.Product Sizing & Selection
ถ้าคุณ ออกแบบ/คำนวณชิ้นส่วน ขั้นตอนนี้จะเป็น Stress Analysis แต่กรณีนี้เป็นอุปกรณ์สำเร็จรูป ที่ผู้ผลิตมีให้เราเลือกใว้แล้ว แต่เราจะเลือกยังไง? ให้อุปกรณ์ทางกลที่เลือก มี“อายุใช้งาน / lifetime” ตามที่เราต้องการ
….. จากกระบวนการตามขั้นตอนที่ 2 เราจะได้ "ข้อมูลสำหรับคำนวณ" ซึ่งจะเป็นตัวเลขตั้งต้นที่จะมาใช้คำนวนเพื่อเลือก Harmonic Drive โดยแบ่งการคำนวณเป็น 5 กลุ่ม ดังนี้
a.การคำนวนเพื่อหาอายุของ Harmonic Drive
“อายุใช้งาน / lifetime” ของ Harmonic Drive จะพิจารณาตามชิ้นส่วนแต่ล่ะส่วนที่สำคัญ ประกอบด้วย
-lifetime จาก Torque และความเร็วรอบใช้งานจริง และจะสัมพันธ์กับ Design life ที่ผู้ผลิตกำหนด
-Life of the wave generator (wave generator bearing)
-Life of the output bearing
-Life during oscillating motion
….วิศวกรจะพิจารณาตัวไหนเป็นสำคัญนั้น ให้มอง 2 กรณี ก..กรณีที่ผู้ผลิตกำหนด ข.Simulation Case ซึ่งทั้ง 2 กรณีต้องสัมพันธ์กัน โดยให้คำนึงถึง Simulation Case เป็นสำคัญ (อันนี้ต้องใช้ประสบการณ์ของวิศวกรออกแบบ ไม่มั่นใจให้ว่าตามผู้ผลิต)
b.Torque Limits คำนวนเพื่อหาความแข็งแรงของ flexspline เช่น allowable occurances,buckling torque และ ratcheting torque เป็นต้น
c.คำนวนค่า torque ต่างๆ และความเร็ว เพื่อหาค่า torque/ความเร็ว ที่ Harmonic Drive รองรับได้ เช่น Rated torque,Allowable peak torque และ Allowable maximum input speed เป็นต้น
d.Efficiency compensation coefficient
Efficiency จะแปรผันตาม Torque ratio (Load torque/Rate torque) บางแบรนด์ดูจากกราฟ บางแบรนด์ ต้องคำนวณ
e.อื่นๆ
อันนี้แล้วแต่วิศวกรแล้ว ว่าต้องการนำไปใช้ทำอะไร เช่น ถ้าต้องการใช้ในงานที่ความแม่นยำสูงๆ หรือ ต้องการหาเวลาที่เปลี่ยนสารหล่อลื่น หรือ ต้องการใช้งานแบบใช้มือบังคับชุดขับได้ (ต้องการ back drivability) เป็นต้น ถ้าต้องการแบบนี้ ต้องคำนวนหา Grease change,Stiffness(torsion angle),Hysteresis loss และ Backdriving Torque เป็นต้น
ขั้นตอนที่4.Installation
การติดตั้ง แบ่งเป็น 2 ด้าน คือด้านที่ติดตั้งกับ servo motor กับด้านที่ติดตั้งกับ load (ส่วนประกอบ) ด้านแรกไม่ค่อยมีปัญหา เน้นความแม่นยำเป็นสำคัญ ส่วนด้านที่ติดตั้งกับ load นั้นวิศวกรต้องติดตั้งให้เป็นไปตาม อายุของ bearling ที่คุณคำนวนได้ (ในกรณีต่อตรงกับ load) ไม่งั้นพังแน่นอน(แค่ช้าหรือเร็ว) ซึ่งส่วนนี้มีเทคนิคพอสมควร ที่ช่วยยืดอายุใช้งาน ของ bearling ของ Harmonic Drive แต่ขอไม่กล่าวถึง
**ติดตั้งไม่ถูกต้อง หรือติดตั้งไม่เป็นไปตามที่คำนวณอายุของ bearling ก็จะทำให้ Harmonic Drive เสียหาย หรือมีอายุสั้น และมีโอกาสที่จะสร้างความเสียหายกับ servo motor ด้วยเช่นกัน
รูป ชุดขับมือหุ่นยนต์ ที่ใช้ Harmonic Drive ขับ pulley
สรุป..
จาก “ผิดตรงไหน?” ตอบตามตรง …”ตอบไม่ได้” รู้แต่ว่า ผิดในขั้นตอน1 ใน 4 ขั้นตอนแน่ๆ แต่ถ้าให้เดาใจวิศวกรที่ออกแบบคิดว่าน่าจะผิดที่ ”ขั้นตอนที่2” เหตผลเพราะขั้นตอนนี้เป็นขั้นตอนคำนวณเริ่มต้น แต่ก็ไม่ง่าย ต้องใช้ทั้งทฤษฎี และประสบการณ์พอสมควร ซึ่งถ้าพลาดขั้นตอนต่อไปก็ผิดหมด …..แต่เอาเป็นว่า ถ้าวิศวกรออกแบบ/คำนวณ ทำตามขั้นตอนต่างๆ ถูกต้องยังไง Harmonic Drive ที่เลือกใช้ก็ทนทาน ตามอายุใช้งานแน่นอน ไม่ว่าจะเป็น แบรนด์ ไหน ...ก็ตาม..
**เคยเจอบางคนเลือกใช้ Harmonic Drive โดยใช้การคำนวณแบบคร่าวๆ ซึ่งคำว่า “คำนวณคร่าวๆ” กับ “กะเอา” นี่เหมือนกันไหม??? …..
ส่วนการออกแบบ/คำนวณเพื่อเลือกอุปกรณ์ทางกล อื่นๆ เช่น servo motor ,Planetary Gearbox,Cycloidal drive,ball spline และ bearing เป็นต้น ก็จะใช้ขั้นตอนการคำนวณแบบนี้ด้วยเช่นกัน…...
**non-backlash ถึงแม้ Harmonic Drive บางแบรนด์ จะบอกว่าของตัวเอง เป็น non-backlash แต่ในความเป็นจริง ไม่ได้หมายความว่า backlash= 0 แค่ backlash มีค่าน้อยระดับ หลักสิบ(หน่วยเป็น arc-sec) เท่านั้น ซึ่งถ้าคุณต้องไปใช้ในงานที่ซีเรียสเรื่องความแม่นยำมากๆ และเป็นงานที่ต้องรับ load แบบ dynamic ที่สูงๆ แนะนำว่าคุณต้องคำนวณ Stiffness ให้แม่น ไม่งั้นนอกจากได้ระบบที่ไม่แม่นยำเชิงตำแหน่งแล้ว ยังจะมีโอกาสพังง่ายๆ ได้เลย…
**ในขั้นตอนที่ 2 "ข้อมูลสำหรับคำนวณ" นั้นจะมาจากการคำนวณชิ้นส่วนตาม Simulation Case ต่างๆ นี่เป็นส่วนหนึ่ง อีกส่วนหนึ่งมาจากการคำนวณเพื่อเลือก servo motor (หาค่า Torque / speed ต่างๆ) ซึ่งถ้าใครไม่ได้คำนวณเพื่อเลือก servo motor แบบละเอียด และถูกต้อง!!! ...ไปต่อลำบาก…
ไม่เข้าใจอ่าน...
การคำนวณเพื่อเลือก servo motor อ่าน
/หลายเรื่องต้องคิดกับจะการเลือก Servo motor สำหรับระบบอัตโนมัต/หุ่นยนต์ ตอนที่ 1/
"ทำเครื่องจักร/หุ่นยนต์ทุกชนิด...แล้วไม่สำเร็จ ประสิทธิภาพไม่ ok ขาดความเสถียร ไม่ทนทาน เสียง่าย งานไม่จบ"