Промышленные роботы: Полное экспертное руководство

Что такое промышленный робот?

Промышленный робот — это программируемое механическое устройство с роботизированной рукой, способное заменять человека при выполнении задач, которые считаются слишком опасными или слишком повторяющимися, но с гораздо более высокой точностью. Это сложно спроектированные машины с движущимися частями, каждая из которых выполняет уникальную функцию.

Хотя стоимость производства промышленного робота высока, выгоды от их использования по сравнению с людьми значительно больше: они устраняют необходимость в выплате заробатной платы персонала. Кроме того, роботы не устают, что означает возможность их непрерывной работы в течение дней между плановыми техническими обслуживаниями.

Типы промышленных роботов

Промышленные роботы проектируются для конкретных задач. Робот, запрограммированный для сварки, не сможет выполнять покраску или упаковку. Эти функциональные различия делят промышленных роботов на несколько основных типов.

Артикулированные роботы

Артикулированные роботы — самый распространенный тип промышленных роботов. Они имеют манипулятор, спроектированный в виде человеческой руки, соединенный скручивающимся суставом. Звенья руки соединены вращательными суставами, количество которых обычно варьируется от двух до десяти.

Суставы обеспечивают свободу движения, позволяя роботам поворачиваться в любом направлении без риска повреждения. Именно поэтому артикулированные манипуляторы с шестью осями являются самыми гибкими и широко используемыми.

Преимущества

• Высокая скорость, идеально подходящая для промышленных задач, требующих скорости при сохранении высокой точности.
• Занимают ограниченное пространство на полу.
• Выравнивание множественных плоскостей проще по сравнению с другими типами.
• Высокая гибкость благодаря множеству осей, обеспечивающих свободу движения в любом направлении.
• Могут выполнять множество задач за пределами основных функций, что делает их идеальными для оптимизации производственных процессов.

Недостатки

• Сложны в управлении: требуют выделенного контроллера робота.
• Программирование очень сложно и часто требует опытного оператора.
• Задействована сложная кинематика.
• Высокая стоимость, особенно производства.

Промышленное применение

• Упаковка пищевых продуктов
• Роботизированная сварка
• Манипулирование материалами
• Обслуживание станков
• Резка стали
• Ковка и литейные производства
• Автомобильная сборка
• Производство стальных мостов

Картезианские роботы

Картезианские роботы, также называемые прямоугольными/гантри-роботами, имеют прямоугольную конфигурацию. Они оснащены тремя призматическими суставами, обеспечивающими линейное движение по трем перпендикулярным осям. Иногда они оборудованы запястьем для вращательного движения. Их простота и гибкость делают их идеальными для уникальных задач.

Преимущества

• Высокая позиционная точность.
• Простота управления: любой человек с базовыми знаниями может настроить их.
• Легко программируются.
• Высокая настраиваемость, идеальны для переключения между задачами.
• Способны поднимать тяжелые грузы.
• Дешевле в производстве.

Недостатки

• Требуют большой площади для установки и работы из-за размеров и диапазона движений.
• Сборка сложна, несмотря на простоту эксплуатации.
• Могут двигаться только в одном направлении за раз.

Промышленное применение

• Погрузка и разгрузка тяжелых грузов
• Операции пик-энд-плейс
• Сборка и подсборка
• Манипулирование материалами
• Нанесение клеев
• Работа с ядерными материалами

SCARA-роботы

SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) — это промышленный робот с рабочей зоной в форме пончика. У него два параллельных сустава, обеспечивающие подвижность в одной плоскости. Вращательные оси расположены вертикально, а рабочий орган движется горизонтально. SCARA-роботы специализируются на боковых перемещениях и часто используются как сборочные роботы. Они быстрее и легче интегрируются, чем цилиндрические и картезианские роботы.

Преимущества

• Идеальны для быстрых и повторяющихся точечных перемещений, идеальны для роботизированных конвейеров автосборки.
• Большое рабочее пространство.
• Высокая точность.

Недостатки

• Требуют выделенного промышленного контроллера робота.
• Ограничены плоскими поверхностями из-за конструкции.
• Сложны для офлайн-программирования.

Промышленное применение

• Сборочные применения
• Обработка полупроводниковых пластин
• Биомедицинские применения
• Упаковка и маркировка
• Паллетизация
• Загрузка станков

Дельта-роботы

Дельта-роботы состоят из параллельных звеньев, соединенных общей базой. Также называемые параллельными роботами, они легче управлять, так как каждый сустав позиционирован относительно рабочего органа. Это обеспечивает высокую скорость, делая их идеальными для массового производства. Куполообразная рабочая зона и легкие рычаги — ключ к их скорости. В основном используются для автоматизации пик-энд-плейс и требуют идеальной синхронизации с другими машинами (например, конвейерами).

Преимущества

• Высокоскоростные: типичный дельта-робот на 30% быстрее SCARA благодаря конструкции.
• Высокая операционная точность при высоких скоростях.
• Высокая производительность: до 3 деталей в секунду.
• Безопаснее для повторяющихся высокоскоростных работ, опасных для людей.

Недостатки

• Много движущихся частей, чрезвычайно сложная конструкция.
• Требуют выделенного контроллера робота.

Промышленное применение

• Пищевая промышленность
• Фармацевтическая промышленность
• Электронная промышленность
• Автомобильная промышленность
• Выравнивание оптоволокна

Полярные роботы

Полярные роботы имеют скручивающийся сустав, соединяющий руку с базой, два вращательных и один линейный сустав. Благодаря сферической рабочей зоне их также называют сферическими роботами. Уникальная особенность — центральный поворотный вал и выдвижная вращающаяся манипулятор. Конфигурация в виде башни позволяет охватывать большой объем пространства.

Преимущества

• Большая зона досягаемости, способность поворачиваться на 360 градусов.
• Могут достигать объектов прямо над и под собой.
• Способны обрабатывать большой объем работы.
• Требуют очень мало места на полу.

Недостатки

• Вертикальная досягаемость ограничена, не могут делать это самостоятельно без контроллера.
• Очень низкая точность, плохо справляются с повторяющимися задачами.
• Требуют очень сложной системы управления.
• Постепенно вытесняются с рынка.

Промышленное применение

• Обработка стекла
• Литье под давлением
• Стекование и расстекование
• Ковка
• Сварка
• Манипулирование материалами
• Литье в формы

Цилиндрические роботы

Цилиндрические роботы обладают одним вращательным суставом у основания и призматическим суставом, соединяющим звенья. Имеют цилиндрическое рабочее пространство с поворотным валом и выдвижной манипулятором, движущимся вертикально. Это обеспечивает как вертикальные, так и горизонтальные движения. Идеальны для задач подбора материалов с пола благодаря продвинутым манипуляторам пик-энд-плейс.

Преимущества

• Просты в эксплуатации и установке.
• Требуют минимальной сборки для запуска.
• Могут достигать любой точки вокруг без проблем.
• Требуют очень мало места на полу.
• Способны поднимать большие грузы.

Недостатки

• Низкий уровень точности.
• Быстро устарели.

Промышленное применение

• Транспортировка ЖК-панелей
• Роботизированные системы сборки
• Покрытие поверхностей
• Литье под давлением
• Литейные и ковальные применения
• Загрузка и разгрузка станков

Коботы (коллаборативные роботы)

Более новый тип промышленных роботов, способных работать рядом с людьми без строгих защитных барьеров. Имеют округлую конструкцию и оснащены специальными датчиками, позволяющими всегда знать, где находятся люди, чтобы дать им пространство для помощи.

Преимущества

• Работают рядом с людьми, повышая их эффективность.
• Легко переустанавливаются на другие задачи.
• Стоят значительно дешевле других типов роботов.

Недостатки

• Очень медленные, так как скорость жертвована ради безопасности людей.
• Низкая грузоподъемность, также из соображений безопасности.

Промышленное применение

• Обслуживание станков
• Сборка подвижных частей
• Упаковка
• Системы машинного зрения

Как работают роботизированные руки?

Роботизированные руки спроектированы по образцу человеческой руки и работают почти так же. Их принцип работы зависит от задачи, но общий механизм одинаков: все зависят от суставов для движений и оснащены датчиками и другими элементами.

Основные компоненты роботизированной руки

Контроллеры

Контроллеры — это «мозг» робота. Это процессоры, содержащие исполняемую программу, определяющую движения манипулятора. Могут быть автоматически запрограммированы или позволять ручное управление квалифицированным техником. Форм-фактор варьируется от крупных компьютерных систем до простых джойстиков.

Руки (манипуляторы)

Это часть, выполняющая фактическую работу. Состоит из трех основных частей: плеча, локтя и запястья, как у человека. Все три части соединены осями и суставами, управляемыми центральным процессором — контроллером. Каждая часть должна двигаться в отношении других для достижения эффективности.

Исполнительный механизм (End Effector)

Это часть, выполняющая функции руки. Чаще всего состоит из двух клещей, автоматически сжимающихся и разжимающихся для захвата объектов. Некоторые могут вращаться и выполнять маневренные движения при удержании или перемещении объектов.

Приводы

Это моторы между суставами, управляющие маневрами и движениями роботизированных рук. Обычно используют ремни, аналогичные тем, что применяются в автомобильных двигателях.

Зачем нужны роботизированные руки?

Промышленные робототехнические компании активно развиваются последние два десятилетия, и технологические достижения в робототехнике прогрессируют. Роботы делают жизнь проще, несмотря на нарушение привычного рынка труда.

Повышение безопасности рабочих

Строительные и производственные работы трудоемки и связаны с тяжелыми машинами, опасными для людей. Воздействие вредных химикатов также наносит ущерб здоровью. Роботизированные руки устраняют эти риски, так как работают в любых условиях и не теряют концентрацию при повторяющихся задачах.

Снижение затрат

Хотя начальная стоимость робота высока, долгосрочные выгоды огромны. Исключаются зарплаты, отпуска, социальные пакеты. Роботы не склонны к ошибкам, что устраняет потери от порчи оборудования и продукции по вине персонала.

Повышение производительности

Задачи, требовавшие дни, выполняются за часы. Людской труд подвержен выгоранию и требует отдыха. Роботы могут работать дни без перерывов. Интеллектуальная сборочная ячейка может заменить работу 4 человек одновременно.

Лучшее качество продукции

Люди не могут воспроизвести точность и прецизию роботов. Роботы, используемые в производстве, направляются лазерными системами наведения: каждый разрез и измерение идеальны. Артикулированные роботы воплощают точность в мире робототехники. Высокая точность = продукция высшего качества.

Надежность

Предприятия, использующие роботов, наблюдают экспоненциальный рост производства. При регулярном обслуживании они обеспечивают стабильную работу в любых условиях. Нельзя сказать то же о людях, подверженных болезням и усталости, влияющим на производительность.

Какие отрасли используют промышленных роботов?

Многие производители переключились или в процессе полной автоматизации. Основные причины: надежность, снижение затрат на зарплаты, перераспределение ресурсов. Основные отрасли:

Автомобильная промышленность

Робототехника в автопроизводстве была среди первых внедренных. Сейчас не найдешь автозавода, не использующего роботов для более 75% производства. Отрасль составляет около 30% всех установок промышленных манипуляторов. Наиболее распространенный робот — ABB IRB 6640 для сварки кузовов.

Авиакосмическая промышленность

Производство самолетов требует огромной роботизированной мощи. Растущий спрос на авиаперевозки требует ускорения производства. Промышленные роботы быстрее и программируемы для любых задач: покраска деталей двигателей, герметизация, сверление, сварка.

Электронная промышленность

Электроника неотъемлема из нашей жизни. Их сборка включает множество компонентов, легко теряемых человеком. Промышленные роботы теперь активно используются в производстве электроники, так как лучше справляются с крошечными и чувствительными деталями. Применение чистых роботов (cleanroom) значительно улучшило качество, предотвращая попадание пыли внутрь приборов при сборке.

Пищевая промышленность

Упаковка продуктов теперь полностью в руках роботов. В некоторых местах это даже обязательное требование. Преимущества: меньше риск загрязнения (роботы точны и быстры), идеальная дозировка порций и размеров.

Медицинская и фармацевтическая промышленность

Сортировка, розлив, дозирование и контроль лекарств — прерогатива промышленных роботов. Роботы запрограммированы измерять точное количество вещества до последнего миллиграмма. Это упрощает обращение с лекарствами, избегая потерь и загрязнений. Тонкие хирургические инструменты производятся с идеальной точностью медицинскими роботами. Скомпрометированные инструменты затрудняют работу врачей.

Сколько стоит роботизированная рука?

Роботы раньше стоили значительно дороже. Массовое производство снизило цены, но они остаются высокими. Средняя цена промышленного робота на рынке — около $25 000, но может превышать $400 000 в зависимости от модели и размера.

Цена роботизированной руки растет при добавлении периферии и дополнительных функций. Специализированные дополнения, такие как датчики столкновений и защитные клетки (необходимые для безопасности), могут удвоить начальную стоимость.

Покупатель может выбрать новый робот или б/у промышленную руку. Преимущество б/у — экономия, хотя возможны небольшие проблемы в эксплуатации.

Лучшие программируемые роботизированные руки 2020 года

С ростом использования роботизированных рук по всем отраслям создаются модели для специфических задач. Лучшие программируемые промышленные манипуляторы 2020 года:

DOBOT Magician — Образовательный программируемый робот

Роботизированная рука для многозадачности: 3D-печать, лазерная гравировка, пик-энд-плейс, рисование, письмо. Оснащена более чем 20 языками программирования, при этом достаточно проста для начинающих.

LewanSoul LeArm 6DOF Full Metal Robotic Arm

Рука с сервоприводом для гибкого движения. Металлический захват достаточно силен для тяжелых грузов в любом направлении. Управление беспроводное и через смартфон.

QJRB800-1 Robot Arm

Роботизированная рука от EVS с максимальной нагрузкой около 1700 фунтов (770 кг). Общий вес робота с комплектующими — около 5600 фунтов (2540 кг), обеспечивая очень стабильную базу для тяжелых подъемных задач.

Owi Robotic Arm Edge

Роботизированная рука с пятью суставами, управляемая проводным 5-позиционным контроллером дистанционно. Питание от батареек D или сети переменного тока. Базовое вращение 270°, увеличенный ресурс редуктора.

Как выбрать промышленную роботизированную руку

При выборе манипулятора необходимо учитывать ключевые факторы:

Применение (Application)

Не всякая роботизированная рука подойдет для открытия пива — каждая проектируется под конкретную задачу. Рука для покраски не подойдет для полировки, если только это не мультифункциональная модель.

Грузоподъемность (Payload)

Максимальный вес, который может поднять рука. Для тяжелых нагрузок (промышленная упаковка) нужна большая рука с высокой грузоподъемностью и простой автоматизацией пик-энд-плейс.

Степени свободы (Degree of Freedom)

Движения зависят от количества осей. Чем больше осей, тем гибче рука. Крупные манипуляторы требуют больше осей для поворота.

Скорость (Speed)

Для повторяющихся задач нужен высокоскоростной манипулятор. Артикулированный робот — пример быстрой машины для таких задач. Некоторые модели позволяют регулировать скорость контроллером.

Стоимость (Cost)

Можете позволить только то, что соответствует бюджету. Для высокого объема производства нужно несколько рук — это дорого. Для домашнего использования достаточно простой дешевой модели.

Заключение

Технологии промышленных роботов становятся незаменимыми. Производственная отрасль практически отказалась от ручного труда, оставив людям только обслуживание и управление роботами. В будущем роботы станут стандартом во всех отраслях мира.