Промышленный робот

Работающие промышленные роботы FANUC модели R2000iB

Промышленный робот — автономное устройство, состоящее из механического манипулятора и системы управления (позволяющей перепрограммировать в широких пределах движения исполнительных органов манипулятора, их количество и траекторию; а также задать другие количественные и качественные параметры конфигурации робота и оснастки), которое применяется для перемещения объектов в пространстве и для выполнения различных производственных процессов.

Промышленные роботы могут выполнять основные технологические операции (сварка, окраска, сборка и др.) и вспомогательные технологические операции (загрузка-выгрузка технологического оборудования, транспортные и др.). При использовании сменной технологической оснастки выполняемые операции могут совмещаться одним роботом.

Промышленные роботы являются одним из компонентов автоматизированных производственных систем (РТК, РТЛ, РТС, РТЯ, ГАП и т.п.), которые пр неизменном уровне качества позволяют увеличить производительность труда в целом.

Экономически выгодно использование промышленных роботов совместно с другими средствами автоматизации производства (автоматические линии, участки и комплексы).

История

Появление механических манипуляторов, а затем систем программирования в т.ч. числового программного управления (ЧПУ) привело к созданию промышленных роботов т.е. программируемых манипуляторов для разнообразных операций.

Первые промышленные роботы начали создавать в середине 50-х годов 20 века в США. В 1954 году американский инженер Дж. Девол запатентовал способ управления погрузочно-разгрузочным манипулятором с помощью сменных перфокарт, т.е. получил патент на робот промышленного назначения. Вместе с Д. Энгельбергом в 1956 г. он организовал первую в мире компанию по выпуску промышленных роботов. Ее название «Unimation» (Юнимейшн) является сокращением термина «Universal Automation» (универсальная автоматика).

В 1959 году фирма "Консолидейтед Корпорейшн" (США) опубликовала описание манипулятора с числовым программным управлением (ЧПУ), а в 1960-1961 гг. в американской печати появились первые сообщения о манипуляторах "Transferrobot" и "Eleximan" с ПУ для автоматизации сборочных и других работ. В 1962 году в США были созданы первые в мире промышленные роботы «Юнимейт» ф."Юнимейшн Инкорпорейд" и «Версатран» ф. "АМФ Версатран". Их сходство с человеком ограничивалось наличием манипулятора, отдаленно напоминающего человеческую руку. Некоторые из них работают до сих пор, превысив 100 тысяч часов рабочего ресурса.

Промышленный робот «Юнимейт» имел 5 степеней подвижности с гидроприводом и двухпальцевое захватное устройство с пневмоприводом. Перемещение объектов массой до 12 кг осуществлялось с точностью 1,25 мм. В качестве системы управления использовался программоноситель в виде кулачкового барабана (нем.)русск. с шаговым двигателем, рассчитанный на 200 команд управления, и кодовые датчики положения. В режиме обучения оператор задавал последовательность точек, через которые должны пройти звенья манипулятора в течение рабочего цикла. Робот запоминал координаты точек и мог автоматически перемещаться от одной точки к другой в заданной последовательности, многократно повторяя рабочий цикл. На операции разгрузки машины для литья под давлением «Юнимейт» работал с производительностью 135 деталей в час при браке 2 %, тогда как производительность ручной разгрузки составляла 108 деталей в час при браке до 20 %.

Промышленный робот «Версатран», имевший три степени подвижности и управление от магнитной ленты, мог у обжиговой печи загружать и разгружать до 1200 раскаленных кирпичей в час. В то время соотношение затрат на электронику и механику в стоимости робота составляло 75 % и 25 %, поэтому многие задачи управления решались за счет механики. Сейчас это соотношение изменилось на противоположное, причем стоимость электроники продолжает снижаться. Предлагаются необычные кинематические схемы манипуляторов. Быстро развиваются технологические роботы, выполняющие такие операции как высокоскоростные резание, окраска, сварка. Появление в 70-х гг. микропроцессорных систем управления и замена специализированных устройств управления на программируемые контроллеры позволили снизить стоимость роботов в три раза, сделав рентабельным их массовое внедрение в промышленности. Этому способствовали объективные предпосылки развития промышленного производства.

Функциональная схема промышленного робота

В составе робота есть механическая часть и система управления этой механической частью, которая в свою очередь получает сигналы от сенсорной части. Механическая часть робота делится на манипуляционную систему с захватным устройством или технологическим инструментом и систему перемещения.

Манипуляторы

Манипулятор — это механизм для управления пространственным положением орудий и объектов труда.

Манипуляторы включают в себя подвижные звенья двух типов:

• звенья, обеспечивающие поступательные движения;
• звенья, обеспечивающие вращательные перемещения.

Сочетание и взаимное расположение звеньев определяет степень подвижности, а также область действия манипуляционной системы робота.

Для обеспечения движения в звеньях могут использоваться электрические, гидравлический или пневматический привод.

Частью манипуляторов (хотя и необязательной) являются захватные устройства. Наиболее универсальные захватные устройства аналогичны руке человека — захват осуществляется с помощью механических «пальцев». Для захвата плоских предметов используются захватные устройства с пневматической присоской. Для захвата же множества однотипных деталей (что обычно и происходит при применении роботов в промышленности) применяют специализированные конструкции.

Вместо захватных устройств манипулятор может быть оснащен рабочим инструментом. Это может быть пульверизатор, сварочные клещи, отвёртка и т. д.

Система передвижения

Внутри помещений, на промышленных объектах используются передвижения вдоль монорельсов, по напольной колее и т. д.

Для перемещения по наклонным, вертикальным плоскостям используются системы аналогичные «шагающим» конструкциям, но с пневматическими присосками.

Управление

Управление бывает нескольких типов:

1. Программное управление — самый простой тип системы управления, используется для управления манипуляторами на промышленных объектах. В таких роботах отсутствует сенсорная часть, все действия жёстко фиксированы и регулярно повторяются. Для программирования таких роботов могут применяться среды программирования типа VxWorks/Eclipse или языки программирования например Forth, Оберон, Компонентный Паскаль, Си. В качестве аппаратного обеспечения обычно используются промышленные компьютеры в мобильном исполнении PC/104 реже MicroPC. Может происходить с помощью ПК или программируемого логического контроллера.
2. Адаптивное управление — роботы с адаптивной системой управления оснащены сенсорной частью. Сигналы, передаваемые датчиками, анализируются и в зависимости от результатов принимается решение о дальнейших действиях, переходе к следующей стадии действий и т. д.
3. Основанное на методах искусственного интеллекта.
4. Управление человеком (например, дистанционное управление).

Принципы управления

Современные роботы функционируют на основе принципов обратной связи, подчинённого управления и иерархичности системы управления роботом.

Иерархия системы управления роботом подразумевает деление системы управления на горизонтальные слои, управляющие общим поведением робота, расчётом необходимой траектории движения манипулятора, поведением отдельных его приводов, и слои, непосредственно осуществляющие управление двигателями приводов.

Подчинённое управление

Подчинённое управление cлужит для построения системы управления приводом. Если необходимо построить систему управления приводом по положению (например, по углу поворота звена манипулятора), то cистема управления замыкается обратной связью по положению, а внутри системы управления по положению функционирует система управления по скорости со своей обратной связью по скорости, внутри которой существует контур управления по току со своей обратной связью.

Современный робот оснащён не только обратными связями по положению, скорости и ускорениям звеньев. При захвате деталей робот должен знать, удачно ли он захватил деталь. Если деталь хрупкая или её поверхность имеет высокую степень чистоты, строятся сложные системы с обратной связью по усилию, позволяющие роботу схватывать деталь, не повреждая её поверхность и не разрушая её.

Управление роботом осуществляться системой управления промышленным предприятием (ERP-системой), согласующими действия робота с готовностью заготовок и станков с числовым программным управлением к выполнению технологических операций.

• 

  Рядом стоящие шкафы современных систем управления двух промышленных роботов FANUC R-2000iB

• 

  Внутри стойки управления: общий вид

• 

  Внутри стойки управления: ЧПУ (в корзине из пластика жёлтого цвета)

Применение промышленного робота

Различные аспекты применения промышленных роботов рассматриваются, как правило, в рамках типовых проектов промышленного производства — исходя из требований выбирается оптимальный вариант, использующий необходимый для данной задачи тип роботов, их количество, а также решающий вопросы инфраструктуры питания (силовые подводки, подача охлаждающей жидкости в случае использования жидкостного охлаждение элементов оснастки) и интеграции в производственный процесс (обеспечение заготовками/полуфабрикатами и возврат готового продукта в автоматическую линию для передачи следующей технологической операции).

Промышленные роботы в производственном процессе способны выполнять основные и вспомогательные технологические операции.

К основным технологическим операциям относятся операции непосредственного выполнения формообразования, изменения линейных размеров заготовки и др.

К вспомогательным технологическим операциям относятся транспортные операции в т.ч. операции по загрузке и выгрузке технологического оборудования.

Среди самых распространённых действий, совершаемых промышленными роботами можно назвать следующие:

• загрузка / разгрузка технологических машин, станков;
• манипулирование деталями (например: укладка, сортировка, транспортировка и ориентация);
• перемещение деталей и заготовок от станка к станку или от станка к системам сменных палет;
• сварка швов и точечная сварка;
• сборка механических и электрических деталей;
• сборка электронных деталей;
• покраска;
• укладка кабеля;
• выполнение операций резания с движением инструмента по сложной траектории и др.

• 

  Перемещение и сборка

• 

  Перемещение и сварка

• 

  Дуговая сварки

• 

  Нанесение защитного слоя

• 

  Чертёжный робот

• 

  Обработка древесины

• 

  Вырезание из металла

• 

  Катает детей

Достоинства использования

• исключение влияния человеческого фактора на конвейерных производствах, а также при проведении монотонных работ, требующих высокой точности;
• повышение точности выполнения технологических операций и, как следствие, улучшение качества;
• возможность использования технологического оборудования в три-четыре смены, 365 дней в году;
• рациональность использования производственных помещений;
• исключение воздействия вредных факторов на персонал на производствах с повышенной опасностью.

Литература

Белянин П.Н. Промышленные роботы. М. "Машиностроение", 1975, 398 с.

Белянин П.Н. Промышленные роботы западноевропейских стран (Обзор зарубежного опыта). НИАТ, 1976, 171 с.

Белянин П.Н. Промышленные роботы Японии (Обзор зарубежного опыта). НИАТ, 1977, 456 с.

Белянин П.Н. Промышленные роботы США (Опыт зарубежного опыта). НИАТ, 1978, 302 с.

См. также

• Промышленная автоматика
• Манипулятор (механизм)
• NX CAM
• Robcad
• Персональный робот
• Автоматизация производства
• Гибкое автоматизированное производство

Производители промышленных роботов:

• Kawasaki Robotics
• Reis Robotics
• Motoman Robots
• KUKA Robotics GmbH
• Fanuc Robots
• ABB Robots
• Universal Robots
• НПО "Красный пролетарий"

Ссылки

Роботы высокого полета. Перевод статьи “High Flying Robots”, Austin Weber, размещена в журнале Assembly http://www.nlrob.ru/hfrob.htm

Промышленные роботы в современном производстве http://www.mirprom.ru/public/promyshlennye-roboty-v-sovremennom-proizvodstve.html

• Робототехника в каталоге ссылок Open Directory Project (dmoz).