Βιομηχανικά ρομπότ

Ένα βιομηχανικό ρομπότ καθορίζεται από το πρότυπο ISO ως ένας αυτόματα ελεγχόμενος, επαναπρογραμματιζόμενος, πολλαπλός βραχίονας κατασκευασμένος με τρεις ή περισσότερους άξονες. Το πεδίο της ρομποτικής μπορεί να χαρακτηριστεί πιο ουσιαστικά ως η μελέτη, ο σχεδιασμός και η χρήση robot για την δημιουργία κατασκευών (ένας top-level ορισμός στηρίζεται στον εκ των προτέρων καθορισμό των ρομπότ).
Τυπικές εφαρμογές της ρομποτικής είναι η συγκόλληση, οι βαφές, η συναρμολόγηση, η τοποθέτηση (όπως συσκευασίες, παλετοποιήσεις και SMT), ο έλεγχος προϊόντων, και οι δοκιμές. Και όλα αυτά με υψηλή αντοχή, ταχύτητα και ακρίβεια.

Ιστορία της ρομποτικής βιομηχανίας

Ο George Devol αιτήθηκε τα πρώτα διπλώματα ευρεσιτεχνίας για ρομπότ το 1954 (του χορηγήθηκε το 1961).  Η πρώτη εταιρεία που παρήγαγε ρομπότ ήταν η Unimation, που ιδρύθηκε από τον Devol και τον Joseph F. Engelberger το 1956 και αρχικά βασίστηκε στο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του Devol. Τα ρομπότ της Unimation που ονομαζόταν επίσης και μηχανές προγραμματισμένων μεταφορών, λόγω της κύριας λειτουργίας τους που ήταν η μεταφορά αντικειμένων από ένα σημείο σε κάποιο άλλο, για αποστάσεις 4 μέτρων το πολύ. Χρησιμοποιούσαν υδραυλικούς ενεργοποιητές και είχαν προγραμματιστεί σε κοινές συντεταγμένες, δηλαδή οι γωνίες των διαφόρων αρθρώσεων  αποθηκεύονταν κατά τη διάρκεια μιας φάσης διδασκαλίας και να αναπαράγονταν κατά τη λειτουργία. Ήταν ακριβή κατά 1/10,000 της ίντσας. (σημ: αν και η ακρίβεια δεν είναι το κατάλληλο μέτρο για τα ρομπότ, που συνήθως αξιολογούνται από τον ορισμό της επαναληψιμότητας). Η Unimation αργότερα αδειοδότησε την Kawasaki Heavy Industries και την Guest-Nettlefolds κατασκευάζοντας τα Unimates στην Ιαπωνία και την Αγγλία αντίστοιχα. Για αρκετό καιρό ο μοναδικός ανταγωνιστής της Unimation ήταν η Cincinnati Milacron Inc. του Οχάιο. Αυτό άλλαξε ριζικά στα τέλη της δεκαετίας του 1970, όταν πολλοί μεγάλοι ιαπωνικοί όμιλοι άρχισαν να παράγουν παρόμοια βιομηχανικά ρομπότ.
Το 1969 ο Victor Scheinman στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ ανακάλυψε το "βραχίονα του Στάνφορντ", έναν πλήρως ηλεκτρικό, 6 - αρθρωτό ρομποτικό άξονα σχεδιασμένο για να καταστεί δυνατή η λύση του βραχίονα. Αυτό επέτρεψε να ακολουθεί με ακρίβεια αυθαίρετες διαδρομές στο χώρο και διεύρυνε τις δυνατότητες χρήσης του ρομπότ σε πιο εξελιγμένες εφαρμογές, όπως η συναρμολόγηση και συγκόλληση. Ο Scheinman  σχεδίασε κι ένα δεύτερο βραχίονα για το εργαστήριο Τεχνητής Νοημοσύνης του ΜΙΤ. Αφού έλαβε μια υποτροφία από την Unimation για να εξελίξει τα σχέδια του, στη συνέχεια τα πούλησε στην ίδια εταιρία, όπου συνέχυσε να τα εξελίσσει με την υποστήριξη της General Motors και έπειτα το έβγαλε στην αγορά ως την καθολικά προγραμματιζόμενη μηχανή για συναρμολόγηση (PUMA).
Η ρομποτική  βιομηχανία  απογειώθηκε πολύ γρήγορα στην Ευρώπη, τόσο από την ABB Robotics όσο και από την KUKA Robotics όπου έφεραν ρομπότ στην αγορά το 1973. Η ABB robotics (πρώην ASEA) Εισήγαγε την IRB 6, μεταξύ των πρώτων στον κόσμο που διατίθεντο στο εμπόριο, εξολοκλήρου ηλεκτρικά ρομπότ που ελέγχονταν από μικροεπεξεργαστή. Τα δύο πρώτα ρομπότ IRB 6 πωλήθηκαν στην Magnusson στη Σουηδία για λείανση και στίλβωση των γωνιών σε  σωλήνες και εγκαταστάθηκαν στην παραγωγή τον Ιανουάριο του 1974.  Επίσης, το 1973 η KUKA robotics δημιούργησε  το πρώτο ρομπότ, γνωστό ως FAMULUS, επίσης, ένα από τα πρώτα αρθρωτά ρομπότ που δούλευαν με έξι ηλεκτρομηχανικούς άξονες.
Το ενδιαφέρον στη ρομποτική αυξήθηκε στα τέλη του 1970 και πολλές εταιρείες των ΗΠΑ εισήλθαν στον τομέα,  συμπεριλαμβανομένων των μεγάλων εταιρειών όπως η General Electric, και η General Motors (η οποία σχημάτισε με κοινοπραξία την FANUC robotics με την FANUC LTD της Ιαπωνίας). Στις πρωτοπόρες εταιρίες περιλαμβάνονται η Automatrix  και η Adept Technology Inc. Στην κορύφωση της έκρηξης της ρομποτικής το 1984 η Unimation εξαγοράστηκε από την Westinghouse Electric Corporation έναντι 107 εκατομμυρίων δολαρίων. Η Westinghouse πούλησε την Unimation στην Γαλλική Stäubli Faverges SCA το 1988, η οποία ακόμα παράγει αρθρωτά ρομπότ για γενικές βιομηχανικές εφαρμογές, η οποία αγόρασε ακόμη και το ρομποτικό τμήμα της Bosch στα τέλη του 2004.
Μόνο λίγες μη Ιαπωνικές εταιρίες κατάφεραν να επιβιώσουν σε αυτή την αγορά, οι κυριότερες είναι η Adept Technology, η Stäubli-Unimation, η Swedish-Swiss η ABB Asea Brown Boveri και η Γερμανική KUKA Robotics.

Διεπαφές και προγραμματισμός ρομπότ

Η εγκατάσταση ή ο προγραμματισμός των κινήσεων και των ακολουθιών για ένα βιομηχανικό ρομπότ συνήθως διδάσκονται με τη σύνδεση του ελεγκτή του ρομπότ σε ένα φορητό υπολογιστή, επιτραπέζιο υπολογιστή ή (εσωτερικού ή Διαδικτυακού) δικτυακό υπολογιστή.
Ένα ρομπότ και μια συλλογή μηχανών ή περιφερειακών αναφέρονται ως κελί εργασίας, ή κελί.  Ένα τυπικό κελί μπορεί να περιέχει έναν τροφοδότη των τμημάτων, μια μηχανή σχεδίασης και ένα ρομπότ. Οι  διάφορες μηχανές είναι ένα ολοκληρωμένο σύστημα και ελέγχονται από έναν υπολογιστή ή ένα PLC. Το πώς αλληλεπιδρά το ρομπότ με τις άλλες μηχανές στο κελί πρέπει να προγραμματιστεί, τόσο όσον αφορά τις θέσεις τους στο κελί όσο και τον συγχρονισμό τους.
Λογισμικό: Ο υπολογιστής εγκαθίσταται με αντίστοιχο λογισμικό διασύνδεσης. Η χρήση ενός υπολογιστή απλοποιεί σημαντικά τη διαδικασία προγραμματισμού. Εξειδικευμένο ρομποτικό  λογισμικό  λειτουργεί είτε στον ελεγκτή του ρομπότ ή στον υπολογιστή ή και τα δύο ανάλογα με το σχεδιασμό του συστήματος.
Υπάρχουν δύο βασικές ενότητες που πρέπει να διδαχθούν (ή να προγραμματιστούν): τα δεδομένα θέσης και διαδικασίας. Για παράδειγμα, σε μια εργασία μετακίνησης μιας βίδα από έναν τροφοδότη σε μια τρύπα οι θέσεις του τροφοδότη και της τρύπας πρέπει πρώτα να διδαχθούν ή να προγραμματιστούν. Δεύτερον, η διαδικασία  να πάρει τη βίδα από τον τροφοδότη στην τρύπα πρέπει να προγραμματιστεί, μαζί με κάθε είσοδο/έξοδο (I/O) που εμπλέκονται, για παράδειγμα, ένα σήμα για να δείξει πότε είναι η βίδα στον τροφοδότη έτοιμη ώστε να παραληφθεί. Ο σκοπός του ρομποτικού λογισμικού  είναι να διευκολύνει και τις δύο αυτές εργασίες προγραμματισμού.
Η διδασκαλία των θέσεων των ρομπότ μπορεί να επιτευχθεί με διάφορους τρόπους:
Εντολές θέσεων: Το ρομπότ μπορεί να κατευθυνθεί προς την επιθυμητή θέση χρησιμοποιώντας ένα γραφικό περιβάλλον βασισμένο σε κείμενο ή εντολές στις οποίες η απαιτούμενη θέση X-Y-Z μπορούν να προσδιορίζονται και να επεξεργάζονται.
Διδακτικό μέσο: Οι  θέσεις των ρομπότ μπορούν να διδαχθούν μέσω ενός εκπαιδευτικού μέσου. Αυτό είναι μια φορητή μονάδα ελέγχου και προγραμματισμού.  Τα κοινά χαρακτηριστικά των εν λόγω μονάδων είναι η δυνατότητα να στέλνουν τα ρομπότ σε μια επιθυμητή θέση, ή "ίντσας" ή "επαφής" για να ρυθμιστεί μια θέση. Έχουν επίσης έναν τρόπο για να αλλάζουν την ταχύτητα από μια χαμηλή ταχύτητα που συνήθως απαιτείται για την προσεκτική τοποθέτηση, ή κατά τη διάρκεια δοκιμών  μιας νέας ή τροποποιημένης ρουτίνας. Ένα μεγάλο κουμπί ακινητοποίησης έκτακτης ανάγκης  συνήθως περιλαμβάνεται. Συνήθως όταν το ρομπότ έχει προγραμματιστεί δεν υπάρχει πλέον λόγος για τη χρήση διδάσκοντος  μέσου.
Οδηγούμενο-από-τη-μύτη: είναι μια τεχνική που προσφέρονται από πολλούς κατασκευαστές ρομπότ. Σε αυτή τη μέθοδο, ένας άνθρωπος κρατάει το μηχανισμό χειρισμού του ρομπότ, ενώ κάποιος άλλος εισάγει μια εντολή που απενεργοποιεί το ρομπότ προκαλώντας το να χαλαρώσει. Ο χρήστης μετακινεί το ρομπότ στη συνέχεια με το χέρι στην απαιτούμενη θέση και/ή κατά μήκος μιας απαιτούμενης πορείας, ενώ το λογισμικό καταγράφει αυτή τη θέση στη μνήμη. Το πρόγραμμα μπορεί να τρέξει στη συνέχεια το ρομπότ σε αυτές τις θέσεις ή κατά μήκος της διαδρομής που έχει διδαχθεί. Αυτή η τεχνική είναι δημοφιλής για  καθήκοντα όπως η βαφή.
Προγραμματισμός εκτός σύνδεσης: είναι όπου όλο το κελί, το ρομπότ και όλα τα μηχανήματα ή τα εργαλεία στον χώρο εργασίας αντιστοιχίζονται γραφικά.  Το ρομπότ μπορεί στη συνέχεια να μεταφερθεί στην οθόνη και η διαδικασία να προσομοιωθεί. Η τεχνική αυτή είναι περιορισμένη διότι βασίζεται σε ακριβή μέτρηση των θέσεων του σχετιζόμενου εξοπλισμού και επίσης στηρίζεται στην ακρίβεια θέσης του ρομπότ που μπορεί ή δεν μπορεί να είναι σύμφωνη με ό, τι έχει προγραμματιστεί (βλ. την ακρίβεια και την επαναληψιμότητα, παραπάνω).
Άλλου είδους: χειριστές μηχανών χρησιμοποιούν συχνά συσκευές διεπαφής χρήστη, συνήθως οθόνες αφής, οι οποίες χρησιμεύουν ως ο πίνακας ελέγχου του χειριστή. Ο χειριστής μπορεί να εναλλάσσετε  από πρόγραμμα σε πρόγραμμα, να κάνει προσαρμογές στο πλαίσιο ενός προγράμματος, αλλά και να λειτουργεί μια σειρά από περιφερειακές συσκευές που μπορούν να ενταχθούν στο ίδιο ρομποτικό σύστημα. Τέτοιες μπορεί να είναι μηχανισμοί τερματισμού, τροφοδότες που προμηθεύουν εξαρτήματα το ρομπότ, ιμάντες, όργανα διακοπής λειτουργίας εκτάκτου ανάγκης, συστήματα μηχανικής όρασης υπολογιστή, ασφάλεια κλειδώματος συστήματος, εκτυπωτές bar code και μια σχεδόν άπειρη σειρά από άλλες βιομηχανικές συσκευές, οι οποίες ελέγχονται μέσω του πίνακα ελέγχου χειρισμού.
Το εκπαιδευτικό μέσο ή το PC συνήθως αποσυνδέεται μετά τον προγραμματισμό και το ρομπότ τρέχει στη συνέχεια το πρόγραμμα που έχει εγκατασταθεί στον ελεγκτή του. Ωστόσο,  υπολογιστές χρησιμοποιούνται συχνά για να «εποπτεύουν» το ρομπότ και τα τυχόν περιφερειακά, ή να παρέχουν πρόσθετο αποθηκευτικό χώρο για πρόσβαση σε πολλές πολύπλοκες διαδρομές και ρουτίνες.

Εργαλεία στην άκρη του βραχίονα

Τα πιο σημαντικά περιφερειακά ρομπότ είναι αυτά που επιδρούν στο τέλος της διαδρομής. Κοινά παραδείγματα μηχανών στο τέλος της διαδρομής περιλαμβάνουν μηχανές συγκόλλησης (όπως η MIG - συγκόλλησης όπλων, συγκολλητές σημείου κλπ), πιστόλια ψεκασμού και λείανσης, αφαίρεσης γρεζιών (όπως δίσκοι, περιστρεφόμενοι μύλοι, αφαίρεσης σκόνης κλπ.) και αρπάγες (συσκευές που μπορεί να «πιάσουν» ένα αντικείμενο, συνήθως είναι ηλεκτρομηχανικά ή συμπιεσμένου αέρα). Άλλος ένας τρόπος «πιασίματος» πραγμάτων είναι με τον τρόπο της ηλεκτρικής σκούπας (κενό αέρος). Τα περιφερειακά στο τέλος της διαδρομής είναι συχνά περίπλοκα, κατασκευασμένα να  ταιριάζουν στο εκάστοτε αντικείμενο και συχνά ικανά να χειρίζονται μια σειρά αντικειμένων κάθε φορά. Μπορεί να χρησιμοποιούν διάφορους αισθητήρες για να βοηθήσουν τα συστήματα των ρομπότ για τον εντοπισμό, το χειρισμό, και την τοποθέτηση των προϊόντων.

Έλεγχος Κίνησης

Για ένα συγκεκριμένο ρομπότ οι μόνοι  παράμετροι που είναι απαραίτητοι για να εντοπιστεί πλήρως το τέλος της διαδρομής (αρπάγη, φλόγιστρο συγκόλλησης, κλπ.) του ρομπότ είναι οι γωνίες σε κάθε άρθρωση ή οι μετατοπίσεις των γραμμικών αξόνων (ή ο συνδυασμός δύο ρομπότ για τέτοιου είδους μορφές όπως τα SCARA). Ωστόσο, υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τρόποι για να καθοριστούν τα σημεία. Ο πιο κοινός και βολικός τρόπος για τον προσδιορισμό ενός σημείου είναι να καθοριστεί μια καρτεσιανή συντεταγμένη γι 'αυτό, δηλαδή η θέση του «τέλους της διαδρομής» σε mm στις Χ, Υ και Ζ κατευθύνσεις σε σχέση με την αρχική θέση του ρομπότ. Επιπλέον, ανάλογα με τους τύπους των αρθρώσεων που μπορεί να έχει ένα συγκεκριμένο ρομπότ , ο προσανατολισμός της επίδρασης στο τέλος της εκτροπής, λήψης και κύλισης και η θέση του εργαλείου που σχετίζεται με την πρόσοψη του ρομπότ, θα πρέπει να έχει καθοριστεί εξαρχής. Για συνενωμένους  βραχίονες αυτές οι συντεταγμένες θα πρέπει να μετατραπούν σε κοινές γωνίες από τον ελεγκτή του ρομπότ και τέτοιες μετατροπές είναι γνωστές σαν καρτεσιανές μεταμορφώσεις που μπορεί να χρειαστεί να εκτελεστούν επαναληπτικά ή αναδρομικά για ρομπότ πολλαπλών αξόνων. Οι μαθηματικές σχέσεις μεταξύ των κοινών γωνιών και των πραγματικών χωρικών συντεταγμένων καλείται κινηματική. Δείτε επίσης: robot control.
Τοποθέτηση υπό από καρτεσιανές συντεταγμένες μπορεί να γίνει εισάγοντας τις συντεταγμένες στο σύστημα ή χρησιμοποιώντας ένα εκπαιδευτικό μέσο το οποίο κινεί το ρομπότ σε κατευθύνσεις στους άξονες X-Y-Z. Είναι πολύ πιο εύκολο για τον χειριστή να απεικονίσει κινήσεις πάνω / κάτω, αριστερά / δεξιά, κ.λπ. από το να κινεί μία μόνο σύνδεση κάθε φορά. Όταν η επιθυμητή θέση έχει επιτευχθεί αυτό ορίζεται στη συνέχεια με κάποιο τρόπο στο λογισμικό που χρησιμοποιεί το ρομπότ. π.χ. P1 - P5 παρακάτω:

Ιδιομορφίες

Το Αμερικανικό εθνικό πρότυπο για τα βιομηχανικά ρομπότ και τα ρομποτικά συστήματα - Απαιτήσεις ασφαλείας (ANSI/RIA R15.06-1999) καθορίζει ως ιδιομορφία "μια κατάσταση που προκαλείται από την παράλληλη ευθυγράμμιση δύο ή περισσότερων αξόνων ρομπότ με αποτέλεσμα την απρόβλεπτη κίνηση και ταχύτητα του ρομπότ." Είναι πιο σύνηθες στα ρομπότ που χρησιμοποιούν "καρπούς τριπλής κύλισης". αυτοί είναι οι καρποί όπου ο χειρισμός εκτροπής, λαβής και κύλισης περνούν από ένα κοινό σημείο. Ένα παράδειγμα της ιδιομορφίας του καρπού είναι όταν η διαδρομή μέσω της οποίας το ρομπότ κινείται προκαλεί τον πρώτο και τον τρίτο άξονα του καρπού του ρομπότ να ευθυγραμμιστούν. Ο δεύτερος άξονας του καρπού, στη συνέχεια, προσπαθεί να περιστραφεί 360° σε μηδενικό χρόνο για να διατηρήσει τον προσανατολισμό του τέλους της διαδρομής. Άλλος ένας κοινός προσδιορισμός αυτής της ιδιομορφίας ονομάζεται περιστροφή του καρπού. Το αποτέλεσμα από μια τέτοια ανωμαλία μπορεί να είναι αρκετά δραματικό και μπορεί να έχει αρνητικές συνέπειες για τον βραχίονα του ρομπότ, το τέλος της διαδρομής, καθώς και στη διαδικασία. Μερικοί κατασκευαστές βιομηχανικών ρομπότ προσπάθησαν να παρακάμψουν την κατάσταση αυτή με την μεταβολή ελαφρώς της πορείας του ρομπότ. Μια άλλη μέθοδος είναι να επιβραδυνθεί η ταχύτητα ταξιδιού του ρομπότ, μειώνοντας έτσι την ταχύτητα που απαιτεί ο καρπός για να κάνει τη μετάβαση. Η ANSI/RIA απαιτεί ώστε οι χρήστες να ενημερώνονται από τους κατασκευαστές ρομπότ για τις ιδιομορφίες που μπορεί να συμβούν αν το σύστημα χρησιμοποιείται χειροκίνητα.

Σύγχρονες και μελλοντικές εξελίξεις

Από το 2005, οι επιχειρήσεις ρομποτικών βραχιόνων έχουν φτάσει σε μια ώριμη κατάσταση, όπου μπορούν να προσφέρουν αρκετή ταχύτητα, ακρίβεια και ευκολία χρήσης για τις περισσότερες εφαρμογές. Η καθοδηγούμενη όραση (γνωστή και ως μηχανική όραση) φέρνει μια μεγάλη ευελιξία στα ρομποτικά κελιά. Ωστόσο, το τέλος της διαδρομής που συνδέεται με ένα ρομπότ είναι συχνά ένα απλό 2- θέσεων τσοκ συμπιεσμένου αέρα. Αυτό δεν επιτρέπει στο ρομποτικό κελί να χειρίζεται εύκολα διάφορα μέρη, σε διαφορετικούς προσανατολισμούς.
Χέρι-χέρι με την αύξηση των εκτός σύνδεσης προγραμματισμένων εφαρμογών, η βαθμονόμηση των ρομπότ γίνεται όλο και πιο σημαντική, προκειμένου να εγγυάται καλή ακρίβεια εντοπισμού θέσης.
Άλλες εξελίξεις περιλαμβάνουν συρρίκνωση των βιομηχανικών βραχιόνων για ελαφριά βιομηχανική χρήση, όπως η παραγωγή μικρών προϊόντων, η σφράγιση και η διανομή, τον ποιοτικό έλεγχο, την επεξεργασία δειγμάτων στο εργαστήριο. Τα εν λόγω ρομπότ συνήθως κατατάσσονται ως ρομπότ "πάγκου". Τα ρομπότ χρησιμοποιούνται στη φαρμακευτική έρευνα ως μια τεχνική που ονομάζεται απόδοση υψηλού ελέγχου.Τα ρομπότ πάγκου επίσης χρησιμοποιούνται σε καταναλωτικές εφαρμογές (μικρο-ρομποτικοί βραχίονες). Βιομηχανικοί βραχίονες μπορούν να χρησιμοποιηθούν και να προσαρμοστούν ακόμα και σε αυτόματα οδηγούμενα οχήματα (AGVs) για να καταστήσουν την αλυσίδα αυτοματοποίησης πιο ευέλικτη μεταξύ λήψης και τοποθέτησης.

Διάρθρωση της αγοράς

Η έκθεση του 2010 από τη Διεθνή Ομοσπονδία Ρομποτικής δείχνει ότι οι ιαπωνικές εταιρείες προηγούνται παγκοσμίως σε αποθέματα και πωλήσεις των πολλαπλών χρήσεων βιομηχανικών ρομπότ. Περίπου 60 τοις εκατό των εγκαταστάσεων είναι αρθρωτά ρομπότ, το 22 τοις εκατό ρομποτικές γερανογέφυρες, 13 τοις εκατό ρομπότ SCARA και 4 τοις εκατό κυλινδρικά ρομπότ. Η πλειοψηφία των εγκαταστάσεων είναι στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας. Υπάρχει αύξηση των πωλήσεων εκτός αυτοκινητοβιομηχανιών, όπως τα μέταλλα και τα πλαστικά.
Το 2007 η παγκόσμια αγορά αυξήθηκε κατά 3%, με περίπου 114.000 εγκατεστημένα νέα βιομηχανικά ρομπότ. Στο τέλος του 2007 υπήρχαν περίπου ένα εκατομμύριο βιομηχανικά ρομπότ σε χρήση, σε σύγκριση με τις περίπου 50.000 ρομπότ υπηρεσιών για βιομηχανική χρήση.