Промышленный робот

Промы́шленный ро́бот(автоматический манипулятор) — предназначенный для выполнения двигательных и управляющих функций в производственном процессеманипуляционныйробот, то есть автоматическое устройство, состоящее изманипулятораиперепрограммируемогоустройства управления, которое формирует управляющие воздействия, задающие требуемые движения исполнительных органов манипулятора. Применяется для перемещения предметов производства и выполнения различных технологических операций.
В литературе на русском языке получило распространение следующее определение промышленного робота, взятое из: это — «автоматическая машина, стационарная или передвижная, состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, и перепрограммируемого устройства программного управления для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций». В промышленности, впрочем, наряду с манипуляционными роботами, получившими наибольшее распространение, используют также мобильные (локомоционные), информационные, информационно-управляющие, комплексные и другие виды промышленных роботов.
Промышленные роботы обычно являются одним из компонентов автоматизированных производственных систем, применяемых вгибком автоматизированном производстве(РТК,РТЯ,РТУ,РТЛ,РТС,ГПЛи т. п.), которые при неизменном уровне качества позволяют увеличитьпроизводительность трудав целом.
Экономически выгодно использование промышленных роботов совместно с другими средствами автоматизации производства (автоматические линии, участки и комплексы).
Толчком к появлению манипуляторов промышленного применения стало началоядерной эпохи.
В1947 годув США группой сотрудниковАргоннской национальной лабораторииво главе сР. Гёрцембыл разработан первый автоматический электромеханическийманипуляторс копирующим управлением, повторяющий движения человека-оператораи предназначенный для перемещениярадиоактивныхматериалов. Выполнять при помощи данного манипулятора такие операции, как вращение гаечного ключа или позиционирование предметов на поверхности, было сложно, поскольку никакойобратной связипо силе он не обеспечивал.
Но, уже в1948 годукомпания «General Electric» разработала копирующий манипулятор «Хэнди Мэн» (англ.Handy Man), в котором обратная связь имелась, и оператор мог воспринимать силы, воздействующие на хват манипулятора.
Первые промышленные роботы начали создавать в середине 1950-х годов в США.
В1954 годуамериканский инженерДжордж Деволразработал способ управления погрузочно-разгрузочным манипулятором с помощью сменныхперфокарти подалпатентнуюзаявку на сконструированное им «программируемое устройство для переноски предметов», то есть на робот промышленного назначения (патент Деволу был выдан в 1961 году). Вместе сДж. Энгельбергомв1956 годуон организовал первую в мире компанию по выпуску промышленных роботов. Её название«Юнимейшн»(англ.Unimation) 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 годов в американской печати появились первые сообщения о манипуляторах «Transferrobot» и «Eleximan» с программным управлением для автоматизации сборочных и других работ.
В начале 1960-х годов в США были созданы первые в мире промышленные роботы«Юнимейт»(фирма «Юнимейшн», 1961 г.) и «Версатран» (фирма«Америкэн Мэшин энд Фаундри», 1962 г.). Их сходство с человеком ограничивалось наличием манипулятора, отдалённо напоминающего человеческую руку. Некоторые из них работают до сих пор, превысив 100 тысяч часов рабочего ресурса.
Экспериментальный прототип робота «Юнимейт» был создан уже в 1959 году, а весной 1961 года этот промышленный робот (ныне выставленный вСмитсоновском институте) был введён в эксплуатацию на литейном участке одного из заводов автомобильной корпорации «General Motors», находившегося в городкеЮинг— пригородеТрентона. Робот захватывал раскалённые отливки дверных ручек и других деталей автомобиля, опускал их в бассейн с охлаждающей жидкостью и устанавливал на конвейер, после чего они поступали к рабочим для обрезки и полировки. Работая 24 часа в сутки, робот заменил три смены рабочих на тяжёлой, грязной и опасной работе. Данный робот имел 5 степеней подвижности с гидроприводом и двухпальцевое захватное устройство с пневмоприводом. Перемещение объектов массой до 12кгосуществлялось с точностью 1,25мм. В качестве системы управления использовался программоноситель в видекулачкового барабанасшаговым 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 длялитья 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 раскалённых 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 счёт механики; сейчас же это соотношение изменилось на противоположное, причёмстоимость электроники продолжает снижаться.
В 1967 году началось использование промышленных роботов на предприятиях Европы: первый промышленный робот (тот же «Юнимейт») был установлен на металлургическом заводе в городеУппландс-Весбю,Швеция. В том же году в эру роботизации вступила иЯпония, которая приобрела робот «Версатран». Вскоре в Японии и Швеции, а также вВеликобритании,ФРГ,ИталиииНорвегииначался выпуск промышленных роботов собственного производства (в Японии первой к выпуску роботов приступила компания «Кавасаки Хэви Индастриз», которая в 1968 году приобрела у фирмы «Юнимейшн» лицензию на выпуск промышленных роботов). Уже к концу 1970-х годов Япония вышла на первое место в мире как по годовому выпуску роботов, так и по числу промышленных роботов, установленных на предприятиях страны.
ВСССРпервые промышленные роботы появились в 1971 году; они были созданы под руководством профессораП. Н. Белянина(робот УМ-1) и лауреатаГосударственной премии СССРБ. Н. Сурнина(робот «Универсал-50»). В 1972—1975 годах был создан (усилиями различных научно-производственных организаций) уже целый спектр советских промышленных роботов (в том числе роботы серии «Универсал», ПР-5, «Бриг-10», ИЭС-690, МП-9С, ТУР-10 и другие).
С 1960 года в США разрабатывались роботы с системами управления, основанные на принципеобратной связи. Первоначально задающие устройства в этих системах формировались на коммутаторной плате; в 1974 году фирма«Цинциннати Милакрон»впервые применила в системе управления роботомкомпьютер, создав промышленный робот T(англ.The Tomorrow Tool‘инструмент будущего’).
Предлагаются необычные кинематические схемы манипуляторов. Быстро развиваются технологические роботы, выполняющие такие операции, как высокоскоростныерезание,окраска,сварка.
Появление в 1970-х годахмикропроцессорных системуправления 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.
В составе промышленного робота естьмеханическая часть(включающая один или несколько манипуляторов) исистема управленияэтой механической частью. Кроме этого, робот может иметьсредства очувствления(образующие в совокупностиинформационно-сенсорную систему), сигналы от которых поступают к системе управления.
Манипулятор— это управляемыймеханизм(илимашина), который предназначен для выполнения двигательных функций, аналогичных функциямрукичеловека при перемещении объектов в пространстве, и оснащёнрабочим органом. В некоторых случаях в состав промышленного робота могут входить два (или большее число) манипуляторов.
Исполнительный механизмманипулятора, как правило, представляет собой открытуюкинематическую цепь, звенья которой последовательно соединены между собойсочленениямиразличного типа; в подавляющем большинстве случаев, однако, встречаютсякинематические парыV-го класса (обладающие одной степенью подвижности), а среди последних — поступательные и вращательные сочленения.
Сочетание и взаимное расположение звеньев и сочленений определяет число степеней подвижности, а также область действия манипуляционной системы робота. Обычно предполагают, что первые три сочленения в исполнительном механизме манипулятора реализуюттранспортные(илипереносные) степени подвижности (обеспечивая вывод рабочего органа в заданное место), а остальные реализуюториентирующиестепени подвижности (отвечая за нужную ориентацию рабочего органа). В зависимости от вида первых трёх сочленений большинство роботов относят к одной из четырёх категорий:
Для некоторых манипуляторов подразделение степеней подвижности на переносные и ориентирующие не принято. Примером могут служить манипуляторы с кинематической избыточностью (то есть с числом степеней подвижности, бо́льшим шести); здесь управление перемещением рабочего органа и управление его ориентацией не «развязаны» по отдельным группам сочленений.
В некоторых случаях манипулятор промышленного робота устанавливают на подвижное основание, что означает наделение его дополнительными степенями подвижности. Так, манипулятор устанавливают на рельсы или же на подвижную каретку, передвигающуюся по напольной колее или вдоль подвесных направляющих.
Существуют промышленные роботы и с замкнутыми кинематическими цепями. Примером могут служитьпараллельные роботы— манипуляционные роботы, в которых рабочий орган соединён с основанием по крайней мере двумя независимыми кинематическими цепями. К данному классу манипуляционных роботов относятся, в частности,платформа Гью — Стюартаидельта-роботы.
На конце манипулятора (на его «запястье») располагаетсярабочий орган— устройство, предназначенное для выполнения специального задания. В качестве рабочего органа может выступать захватное устройство или технологический инструмент.
Наиболее универсальной разновидностью захватного устройства являетсясхват— устройство, в котором захватывание и удержание объекта производятся посредством относительного перемещения частей данного устройства. Как правило, схват по своей конструкции напоминаеткистьчеловеческой руки: захват объекта осуществляется с помощью механических «пальцев». Для захвата плоских предметов используются захватные устройства с пневматической присоской. Применяют также крюки (для поднятия деталей с конвейеров), черпаки или совки (для жидких, сыпучих или гранулированных веществ). Для захвата же множества однотипных деталей применяют специализированные конструкции (например, магнитные захватные устройства).
По способу удержания объекта захватные устройства подразделяют на:
Число применений промышленных роботов, в которых схват используется для удержания рабочего инструмента, относительно невелико. В большинстве случаев инструмент, нужный для выполнения технологической операции, крепится непосредственно к запястью робота, становясь его рабочим органом. Это может бытьпульверизатордля окраски распылением, сварочныеклещидля точечной сварки, сварочная головка для дуговой сварки, дисковыйнож,дрель,фреза,электроотвёртка,гайковёрт,шуруповёрт,электропилаи т. д.
Для приведения звеньев манипулятора и устройства схвата в движение используют электрические, гидравлические или пневматические приводы.Гидравлические приводыпредпочтительны в случаях, когда надо обеспечить значительную величину развиваемых усилий или высокое быстродействие; обычно такими приводами снабжаются крупные роботы большой грузоподъёмности.Электрические приводыне обладают столь же большой силой или быстродействием, но позволяют добиться лучших точностных характеристик. Наконец,пневматические приводыобычно применяют для небольших по размерам роботов, выполняющих простые и быстрые циклические операции.
По имеющимся оценкам, примерно в 50 % современных промышленных роботах используется электрический привод, в 30 % — гидравлический и в 20 % — пневматический.
В развитии систем управления промышленных роботов можно проследить два направления. Одно из них берёт своё начало от систем программного управления станками и вылилось в создание автоматически управляемых промышленных манипуляторов. Второе привело к появлению полуавтоматических биотехнических и интерактивных систем, в которых в управлении действиями промышленного робота участвует человек-оператор.
Таким образом, промышленные роботы можно подразделить на следующие три типа (каждый из которых, в свою очередь, подразделяют на несколько разновидностей:
Большинство современных роботов функционирует на основе принциповобратной связи, подчинённого управления и иерархичности системы управления роботом.
Иерархическое построение системы управления роботом предполагает деление системы управления на горизонтальные слои (уровни): на верхнем уровне осуществляется управление общим поведением робота, на уровне планирования движений производится расчёт необходимой траектории движения рабочего органа, на уровне координации приводов организуется согласованная работа приводов, обеспечивающая требуемое перемещение рабочего органа и, наконец, на уровне привода непосредственно осуществляется управление двигателем, отвечающим за конкретную степень подвижности манипулятора.
Первые роботы с программным управлением обычно программировали вручную. Позднее появились специальные языки программирования роботов (например, язык VAL для роботаPUMAфирмы «Юнимейшн» или язык MCL, разработанный фирмой «МакДоннелл Дуглас» на основе языка программированияAPT). В настоящее время для программирования таких роботов могут применяться среды программирования типаVxWorks/Eclipseили языки программирования напримерForth,Оберон,Компонентный Паскаль,Си. В качестве аппаратного обеспечения обычно используются промышленные компьютеры в мобильном исполненииPC/104, режеMicroPC. Управление может происходить с помощьюПКилипрограммируемого логического контроллера.
Подчинённое управление служит для построения системы управления приводом. Если необходимо построить систему управления приводом по положению (например, по углу поворота звена манипулятора), то система 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 — также 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 осуществляется, как правило, системой управления промышленным предприятием (ERP-системой), согласующей действия робота с готовностью заготовок и станков с числовым программным управлением к выполнению технологических операций.
К середине 1990-х годов относится появление на рынкеадаптивных промышленных роботов, оснащённыхсенсорными устройствами. Современные информационно-сенсорные системы, используемые в робототехнике, представляют собой совокупности функционально объединённых измерительных и вычислительных средств, задачей которых служит получение информации от различныхдатчикови её обработка для последующего использованиясистемой управления.
Датчики, используемые в современных робототехнических системах, разнообразны и могут быть подразделены на следующие основные группы:
Различные аспекты применения промышленных роботов рассматриваются, как правило, в рамках типовых проектов промышленного производства: исходя из имеющихся требований, выбирается оптимальный вариант, в котором конкретизированы необходимый для данной задачи тип роботов, их количество, а также решаются 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 вспомогательныетехнологические операции.
К основным технологическим операциям относятся операции непосредственного выполнения формообразования, изменения линейных размеров заготовки и др.
К вспомогательным технологическим операциям относятся транспортные операции, в том числе операции по загрузке и выгрузке технологического оборудования.
Среди самых распространённых действий, выполняемых промышленными роботами, можно назвать следующие:
В начале XXI века получили распространение промышленные роботы, перемещающиеся внутритрубопроводови предназначенные длядефектоскопиии очистки их внутренних поверхностей. Такие роботы относятся к классу мобильных роботов и по способу своего передвижения подразделяются на такие группы: ползающие роботы со змееподобным принципом перемещения; ползающие роботы с червеподобным принципом перемещения; роботы со скользящими упорами; колёсные роботы; гусеничные роботы; вибрационные роботы; роботы с гибкими и упругими звеньями; роботы с изменяемой формой корпуса; роботы, перемещаемые потоком жидкости или газа.
Применение роботов в промышленном производстве имеет ряд преимуществ, в частности:
В2004 годна долю Японии приходилось около 45 % функционирующих в мире промышленных роботов. В абсолютных цифрах: к концу 2004 в Японии было задействовано 356,5 тыс. промышленных роботов, на втором месте со значительным отрывом шли США (122 тыс. промышленных роботов).
По даннымМеждународной федерации робототехники, в2013 годумировой объём продаж промышленных роботов составил 178 132 единиц (рост на 12 % по сравнению с предыдущим годом). Крупнейшим рынком промышленных роботов сталаКитайская Народная Республика, предприятия которой закупили 25 111 промышленных роботов. За ней следуютЯпония(25 110 единиц),США(23 700 единиц),Республика Корея(21 307 единиц),Германия(18 297 единиц) и другие промышленно развитые страны.
Наибольшее число новых промышленных роботов установлено на предприятиях:
Япониязанимает первое место в мире (2004) поэкспортупромышленных роботов. Ежегодно эта страна производит более 60 тыс. роботов, почти половина из которых идет на экспорт. Это — крупный разрыв, по сравнению с другими странами.