Оптимизация сборки: сравнительное исследование четырех техник пик-энд-плейс промышленных роботов

Сравнение четырех техник пик-энд-плейс промышленных роботов для сборки

В современном промышленном ландшафте автоматизация играет ключевую роль в снижении потребности в рабочей силе и затрат на неё, повышении производительности и эффективности производства практически во всех рыночных секторах и приложениях. Среди многочисленных методов автоматизации в арсенале инженера операции пик-энд-плейс промышленных роботов выделяются как критически важные технологии в производственных и логистических процессах, поддающихся автоматизации. Эти операции предполагают перемещение объектов или деталей из одного места в другое, часто с требованиями высокой точности и скорости. В данном сравнении мы рассматриваем четыре основные техники: гибкие подачи (flexible feeders), 4D бин-пикинг (4D bin picking), вибрационные тазовые подачи (vibratory feeder bowls) и отслеживание конвейерной линии (conveyor line tracking).

1. Гибкие подачи (Flexible Feeders)

Гибкие подачи используют различные механизмы — пневматические, вибрационные или роботизированные — для подачи деталей в систему машинного зрения с последующим роботизированным захватом и размещением. Эти подачи адаптируются к различным формам и размерам компонентов, что делает их универсальными для производственных сред с разнообразными линейками продуктов. Ключевое преимущество — способность обрабатывать детали неправильной формы и сложной геометрии. Однако размер детали не может превышать 1/3 ширины питательной пластины, чтобы обеспечить место для сингуляции и локализации машинным зрением. Обычно детали должны иметь наибольший размер от 1 до 100 мм и вес менее 1 кг (2,2 фунта).

Помимо ограничений по размеру, гибкие подачи имеют и другие потенциальные ограничения. Они могут работать медленнее по сравнению с другими техниками подбора, особенно при работе со сложными деталями, требующими точной ориентации. Кроме того, первоначальная настройка и калибровка могут быть трудоемкими и требовать квалифицированного персонала с экспертизой в робототехнике и visión. Детали должны быть жесткими; мягкие или резиноподобные материалы не подходят, так как не реагируют на вибрации или колебания, необходимые для сингуляции.

Ключ к успешному применению — правильный выбор, калибровка и интеграция системы машинного зрения, которая идентифицирует, квалифицирует и локализует деталь для захвата, передавая координаты и угол поворота в контроллер робота. Не менее важны правильный выбор освещения (верхнее или заднее), дизайн питательной пластины и увеличение времени беспилотной работы за счет опций дозированной подачи. После этого робот программируется на перемещение к детали и захват соответствующим гриппером. Захваченная деталь помещается в кастомную приспособленность или гнездо для дальнейшей обработки или сборки. Вся операция позволяет подбирать, ориентировать и размещать 10–30 деталей в минуту.

2. 4D бин-пикинг (4D Bin Picking)

4D бин-пикинг использует передовые системы зрения, включая искусственный интеллект (ИИ) и интегрированную робототехнику, для идентификации и захвата объектов из контейнера во всех трех измерениях: ширина (X), длина (Y), высота (Z) плюс интенсивность освещения. Эта техника высокоэффективна для работы с насыпными материалами и случайными, перекрывающимися ориентациями деталей даже в глубоких контейнерах. С помощью визуальных сенсоров и сложных алгоритмов системы 4D бин-пикинга точно локализуют и захватывают объекты даже в переполненных средах с высокой вариабельностью освещения.

Основная сложность — вычислительная сложность обработки больших объемов визуальных данных в реальном времени. Здесь на помощь приходит ИИ (массовое обучение ориентации деталей и вариантов освещения) вместе с продвинутыми математическими процессорами в сервере приложений. Для надежного распознавания объектов в различных условиях освещения и генерации алгоритмов планирования захвата в реальном времени требуются значительные вычислительные ресурсы и экспертиза. В системах 4D бин-пикинга затраты сосредоточены в высокопроизводительных GPU-вычислениях, а не в камерах.

4D бин-пикинг отлично подходит для умеренных скоростей подачи. Этот подход часто решает задачи с неправильными или крупными деталями, где гибкая подача менее эффективна или невозможна. Длинные детали могут перекрываться в стиле «микрофоны», но зрение способно определить лучший кандидат для захвата и направить робота в правильной позе для пика и плейса со скоростью 10–30 деталей в минуту.

3. Вибрационные тазовые подачи (Vibratory Feeder Bowls)

Вибрационные тазовые подачи используют вибрации в точно изготовленном тазе с траком для деталей, чтобы ориентировать и подавать их к роботу для операций пик-энд-плейс. Эти тазы особенно эффективны для мелких и средних компонентов, которые легко манипулируются вибрационными силами. Они известны высокой скоростью работы и надежностью в поддержании ориентации деталей в процессе подачи. Фотосенсоры и воздушные дутья используются для обнаружения неправильно движущихся деталей и их удаления с трака или через стратегические отверстия.

Несмотря на эффективность, вибрационные тазы имеют ограничения, особенно при работе с нежными или чувствительными деталями, которые могут быть повреждены чрезмерной вибрацией. Кроме того, проектирование и кастомизация тазовых подач для разных геометрий деталей может быть сложным и требовать специализированной инженерной и ремесленной экспертизы. Если частоты смены конечного продукта требуют разных деталей для сборки, то для каждой детали должна быть разработана уникальная тазовая подача, и все тазы должны быть заменены и перекалиброваны. Это дорого и затратно по времени, поэтому вибрационные тазы наиболее подходят для высоких производственных темпов при фиксированных конечных продуктах с объемами в сотни тысяч или миллионы деталей в год. Вибрационные тазы способны подавать детали для захвата со скоростью 60–200 деталей в минуту, при этом захват обычно выполняется специализированной «жесткой автоматизацией», так как эта скорость превышает возможности большинства манипуляторов.

4. Отслеживание конвейерной линии (Conveyor Line Tracking)

Отслеживание конвейерной линии предполагает синхронизацию движения робота с движущейся конвейерной лентой для захвата и размещения объектов по мере их перемещения по производственной линии. Эта техника широко используется в высокообъемных производственных средах, где необходимы непрерывная работа и высокая пропускная способность. Благодаря отслеживанию конвейера роботы, обычно дельта-роботы от компаний вроде Fanuc и ABB, могут точно позиционироваться для захвата деталей по мере их появления.

Ключевое преимущество — масштабируемость и эффективность в обработке больших объемов деталей с минимальным простоями. Популярна в упаковке пищевых продуктов: выпечка, снеки, упакованная одежда. Скорость до 120 деталей в минуту достижима с дельта-роботом. Однако эта техника может не подходить для приложений, требующих точной ориентации деталей или работы с неправильно оформленными объектами. Типичный 4-осевой дельта-робот работает только в одной плоскости, имеет ограниченное движение по оси Z (вертикали) и лучше всего подходит для захвата плоских объектов и переноса на упаковочную линию. Существуют гибриды с 3-осевым запястьем и гриппером, добавляемыми к 4-осевому дельта, например Fanuc M-1iA.

Резюме

Каждая техника пик-энд-плейс промышленных роботов предлагает отличные преимущества и ограничения в зависимости от конкретных требований приложения. Гибкие подачи выигрывают в универсальности, но могут уступать в скорости и точности для определенных задач. 4D бин-пикинг идеален для насыпных материалов, но требует значительных вычислительных ресурсов. Вибрационные тазовые подачи обеспечивают высокую скорость, но не подходят для нежных деталей. Отслеживание конвейерной линии гарантирует непрерывную работу, но может терять в точности для определенных приложений. В конечном счете, производители должны тщательно оценить свои потребности и выбрать технику, лучше всего соответствующую их производственным целям и ограничениям.

Futura Automation поставляет компоненты или комплексные решения во всех категориях пик-энд-плейс для приложений сборки. Futura Automation — представитель Flexfactory (гибкие подачи) в США, а также авторизованный дилер роботов Fanuc и Brooks Automation для комплексных систем. Для компонентов зрения доступны Cognex с проприетарным ПО Feedware CX для легкой интеграции, Fanuc IR Vision или Keyence vision systems, интегрируемые в существующие системы.

Для 4D бин-пикинга Futura сотрудничает с Apera.ai, обладающей высокоразвитой системой быстрой и безошибочной обработки зрения и траектории робота. Vibromatic — хороший источник вибрационных тазовых подач. Для приложений отслеживания линии Futura Automation работает с Apera.AI, Cognex или Keyence для решения задач зрения и Fanuc для дельта-роботов. Обращайтесь в Futura Automation с вашими самыми сложными задачами пик-энд-плейс — мы доставим отличное решение. tech@futura-automation.com