Манипуляторы, автооператоры, промышленные роботы (ПР)

IFR - международная федерация робототехники - в своём докладе за 2005 год даёт понятие Измерения плотности роботов, исходя из общего числа лиц, занятых в промышленности. В 2001-2005 годы, при прежнем уровне занятости населения, величина плотности роботов продолжала расти, за исключением Японии.

В Японии и Республике Корея приведены данные по всем видам промышленных роботов и, следовательно, несопоставимые с другими странами, имеют довольно высокую плотность установки роботов. В 2005 году использовалось 352 робота в Японии и 173 робота в Корее на 10000 человек, занятых в обрабатывающей промышленности.

Лидер в Европе - 171 робот на 10000 занятых в обрабатывающей промышленности – Германия, страна с высокой плотностью роботов, следом за которой идут Италия с 130 и Швеция со 117. В Финляндии плотность составила 99, за ней следуют Соединённые Штаты, 90, Испания 89, Франция 84 роботов на 10000 занятых в обрабатывающей промышленности. Плотность колеблется между 67 и 44 - в Австрии, Бенилюксе, Дании, Швейцарии и Великобритании. В Норвегии плотность составила 29, в Португалии - 17. В странах центральной и восточной Европы плотность значительно ниже.

Несмотря на цифры и реальную величину высокой плотности роботов в упомянутых европейских странах, интересно отметить, что плотности роботов в Германии приблизительно на 90% выше, чем в Соединенных Штатах.

Плотность роботов в автомобильной отрасли:- 1 робот на 10 работников в автомобильной отрасли.

В России применение роботов пока ограниченно. Так, в докризисный 2007 год было внедрено до 200 роботизированных систем с общей численностью около 8000 промышленных роботов по стране. Для примера, за тот же год в США было внедрено около 34 тыс., Европе – 43 тыс., Японии – 59 тыс. роботизированных систем.

В 2016 года Национальная ассоциация участников рынка робототехники (НАУРР) подсчитала, что плотность роботизации в России в 70 раз ниже, чем в среднем по миру. Если в мире на 10 000 работников в 2015 г. приходилось в среднем 69 промышленных роботов (запрограммированных манипуляторов), то в России всего один (см. график).

Среднегодовые продажи ПР в России составляют 500–600 штук (в 2015 г. их было продано 550), это около 0,25% мирового рынка. К началу 2016 г. в России в общей сложности работало около 8000 ПР, в мире же их насчитывается около 1,6 млн. Мировым лидером по количеству купленных в 2015 г. ПР является Китай, предприятия которого закупили 69 000 устройств, предприятия Южной Кореи приобрели 38 300, Японии – 35 000. За ними следуют США и Германия, закупившие в прошлом году соответственно 27 000 и 20 105 роботов.

Низкий спрос в России объясняется слабой информированностью технического менеджмента предприятий о возможностях роботов и инерцией их мышления. Ведь покупка робота всегда оборачивается заменой рабочих и обновлением технологического процесса. А то, что большая часть крупных промышленных предприятий, которые обычно являются основными потребителями роботов, находится в государственных руках, лишь усиливает инерцию.

В России немного технологически развитых промышленных предприятий. При этом роботы появляются на предприятии практически в последнюю очередь, когда оно уже решило все проблемы с энергосберегающим производством, организовало труд. Кроме того, в России робот намного дороже рабочих рук.

По данным НАУРР, в мире роботы по большей части заняты в автомобилестроении (38%), производстве электрики и электроники (25%) и машиностроении (12%). В России также 40% роботов используется при создании автомобилей.

«Камаз» с начала 2015 г. купил 26 роботов и довел их общее число на предприятии до сотни. А до 2019 г. «Камаз» купит еще 578 штук для выпуска нового модельного ряда.

На Горьковском автозаводе группы ГАЗ сейчас работает более 600 роботов, занятых штамповкой, сваркой, окраской и литьем. 100 из них были закуплены за последние 2 года. При этом экономическая целесообразность использования роботов не единственный критерий: иногда только робот может действовать с нужной точностью и качеством.

Собственного производства промышленных роботов в России нет, но есть четыре российские компании, занятые разработками такого производства. В 2017 г. такая разработка должна появиться в «Сколково».

Для подачи заготовок на станки или деталей на сборку могут использоваться манипуляторы, автооператоры и промышленные роботы (Слайды 3-6). Эти устройства различаются между собой степенью универсальности и гибкости. Наиболее гибким является ПР, который может, например, поочерёдно брать заготовки в заданном программой порядке из ячеек кассеты и устанавливать их в патрон станка для обработки, а после обработки ставить их обратно в кассету на свободное место, и так до тех пор, пока все детали не будут обработаны.

Большинство современных роботов может брать деталь или заготовку только в предварительно ориентированном виде и в заданном месте пространства, что требует применения кассет, магазинов или бункеров с ориентирующими устройствами.

Однако имеются роботы, оснащённые техническим зрением, которые могут различать детали и брать их в различном положении, как и человек.

Манипулятор – управляемое устройство для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям руки человека при перемещении объектов в пространстве, оснащённое рабочим органом.

Манипулятор является многозвенным механизмом с числом степеней подвижности (степеней свободы движений звеньев кинематической цепи относительно звена, принятого за неподвижное) от трёх до девяти. Каждая степень подвижности оснащается электрическим, пневматическим или гидравлическим приводом. Пневмопривод обычно обеспечивает наиболее высокое быстродействие. Управление манипулятором может производиться как вручную, так и автоматически. Автоматический манипулятор называют также автооператором.

Автооператор – автоматический манипулятор, выполняющий цикл действий по жёстко заданной, неизменяемой программе. Они находят применение в промышленном производстве для автоматизации процессов литья, штамповки, механической обработки и др.

Автоматические манипуляторы имеют постоянную программу работы, которая не может так быстро меняться, как у роботов. Поэтому манипулятор может брать заготовку только в одном определённом месте, на которое он настроен. Манипулятор не может без посторонней помощи последовательно брать заготовки из ячеек, как робот. Чтобы манипулятор мог брать детали из ячеек кассеты, необходимо дополнительное устройство – тактовый стол, который должен перемещать кассету с деталями так, чтобы они по очереди оказывались в зоне захвата манипулятором. Можно также использовать вибробункеры с ориентирующими устройствами, магазины с отсекателями.

В массовом и крупносерийном производстве манипуляторы при простых программах перемещений более предпочтительны, чем роботы, поскольку значительно дешевле, а для изменения их программы не требуется много времени.

(Слайд 5) Поворот автооператора на угол до 180° производится реечным механизмом. Автооператор имеет две «руки». Ось движения руки 1 расположена относительно вертикали под углом 7°, а ось движения руки 11 наклонена к оси руки 1 на угол 30°. Рука 11 служит для захвата и переноса заготовки из магазина-транспортера в зону обработки, т. е. на линию центров станка, рука 1 — для удаления готовой детали из зоны обработки и перемещения ее к магазину-транспортеру. Управление движениями рук и поворотом автооператора осуществляется с помощью гидравлики двухпозиционными золотниками с электромагнитами.

При подаче масла под давлением в полость А рука опускается вниз. Для подъема руки масло под давлением подается в полость В.

Зажим детали захватами б осуществляется под действием пружины 4, при этом полость В соединена со сливом 2. Для разжима детали масло под давлением подается в полость В, шток 3 опускается, сжимает пружину 4, поворачивает захват 5 на осях 1 и деталь освобождается.

ПР - 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.

То есть робот принципиально отличается от манипулятора возможностью гибкого изменения программы движений.

К настоящему моменту сменилось три поколения роботов.

Роботы первого поколения известны под названием «механическая рука». Они являлись, по существу, переходной ступенью между манипуляторами и собственно роботами. Первые ПР имели программное управление, в основном заимствованное у станков с ЧПУ. Они работали по «жёстко» заданной программе, т.е. требовали задания координат и положения объектов обслуживания.

Роботы второго поколения получили название «глаз-рука» и функцию технического зрения на основе фотоэлементов или телевизионных камер. Эти роботы не требуют точного позиционирования объектов (заготовок, деталей). От роботов первого поколения они отличаются существенно большим ассортиментом датчиков внешней информации и более сложной самонастраивающейся системой управления. Они способны анализировать сенсорную информацию и приспосабливаться к изменяющимся условиям эксплуатации. Эти роботы могут выполнять сложные сборочные операции, реагировать на препятствия в рабочей зоне.

Роботы третьего поколения характеризуются как «глаз-мозг-рука», где роль технического мозга выполняет микропроцессор или компьютер. Они самостоятельно принимают решения в зависимости от условий внешней среды для достижению конечной цели. Интеллектуальный робот — это робот конкретного назначения, в функциональных системах которого используются методы искусственного интеллекта, что позволяет расширить сферу применения робототехники практически на все области человеческой деятельности. Примеры подобных роботов: японский ASIMO, российский Promobot (справа).

ПР второго и третьего поколений обладают способностью к обучению. В процессе обучения в памяти процессора сохраняются операции, выполняемые при ручном управлении роботом, которые затем могут воспроизводиться в автоматическом режиме.

Основные технические характеристики ПР:

- номинальная грузоподъемность – наибольшее значение массы груза, при которой гарантируются их захватывание, удержание и обеспечение установленных значений эксплуатационных характеристик. Для многоруких роботов номинальную грузоподъёмность определяют как сумму грузоподъёмностей всех его рук. Для некоторых роботов важным показателем является усилие или вращающий момент, развиваемый устройством.

По величине номинальной грузоподъёмности роботы делятся на сверхлёгкие (до 1 кг), лёгкие (от 1 до 10 кг), средние (от 10 до 200 кг), тяжёлые (от 200 кг до 1 т), сверхтяжёлые (свыше 1 т). Около 65% ПР имеют грузоподъёмность от 5 до 80 кг.

- число степеней подвижности – это сумма возможных координатных движений рабочего органа относительно опорной системы (без учёта зажима детали захватным устройством).

Число степеней подвижности ПР определяет его универсальность. Современные ПР имеют обычно от 2 до 7 степеней подвижности. (Слайд 7)

Среди степеней подвижности манипулятора различают переносные и ориентирующие. Переносные степени подвижности используют для перемещения рабочего органа ПР, ориентирующие – для его ориентации в рабочей зоне. Для перемещения груза в заданное место рабочей зоны без его ориентации достаточно трёх переносных степеней подвижности, для полной ориентации – трёх ориентирующих. Для переноса и полной пространственной ориентации необходимо шесть степеней подвижности. Дальнейшее увеличение числа степеней подвижности повышает манёвренность манипуляционной системы робота, улучшает динамику, однако усложняет конструкцию и программирование, снижает точность позиционирования и увеличивает стоимость ПР. Поэтому предпочитают ограничиваться 4-5 степенями подвижности (около 60% мирового парка); 6 и более применяют лишь в наиболее сложных техпроцессах.

- величины и скорости перемещения по степеням подвижности, определяющие геометрию рабочего пространства. Величины перемещений по линейным координатам задаются в метрах, по угловым – в градусах или радианах, скорости – в м/с для линейных и в градусах (радианах) – для угловых координат.

По величине линейного перемещения различают ПР с малым (до 300 мм), средним (до 1 м) и большим (более 1 м) ходом.

Скорости перемещений звеньев манипулятора характеризуют важное качество ПР – быстродействие, от которого зависит время обслуживания оборудования. Обычно скорости линейных перемещений рабочих органов манипуляторов не превышают 1 м/с, хотя встречаются роботы со скоростями 2 м/с и более. Угловые скорости движения рабочих органов находятся преимущественно в диапазоне 15-360 градусов в секунду.

- погрешность позиционирования или отработки траектории. По этому показателю роботы разделяются на три группы: малой точности – при линейной погрешности 1 мм и выше; средней точности – при линейной погрешности от 0,1 до 1 мм, и высокой точности – при погрешности менее 0,1 мм.

- рабочая зона. У стационарного робота определяется числом степеней подвижности манипулятора, его кинематикой и размерами звеньев. Типы рабочих зон: рабочая зона на плоскости, на поверхности, цилиндрическая, в форме параллелепипеда, сферическая, комбинированная. Каждому типу рабочей зоны соответствует своя система координат, в которой планируется перемещение схвата робота: цилиндрическая, сферическая, полярная и пр. (слайды 8-11)

- конструктивное исполнение. Роботы могут быть встраиваемыми, т.е. установленными на каком-либо узле станка (на передней бабке, на станине с лицевой или тыльной стороны – наиболее распространено, в редких случаях на суппорте), напольными, когда робот конструктивно не связан со станком и смонтирован на фундаменте, и портальными (подвесными), которые применяются в многостаночных РТК для тяжёлых деталей. Напольные роботы составляют более 50 % парка, около 40% - встроенные, и менее 10% - портальные. (слайды 13-22)

- система управления роботом:

цикловая – перемещение каждого звена ограничивается двумя точками (в виде жёстких переналаживаемых упоров или концевых выключателей) без промежуточных остановок. Это относится как к линейным, так и к угловым перемещениям. Заготовка должна подаваться сориентированной. Это накладывает соответствующие требования к накопителю заготовок. Цикловый ПР может обслуживать не более двух станков.

позиционная – позволяет программировать по каждой степени подвижности от нескольких десятков до сотен точек. Такие роботы более универсальны и имеют большую память по сравнению с цикловыми. Позиционные системы обеспечивают высокую точность движений, не зависящую от точности установки жёстких упоров, как у цикловых роботов. Но между точками траектория не регулируется, и плавную кривую получить невозможно. Повороты напольного робота необходимо выполнять в безопасном верхнем положении руки; движение портального робота между позициями станков необходимо выполнять в безопасном верхнем положении руки схвата; можно применять в многостаночном обслуживании.

контурная – обеспечивает останов исполнительных органов в любой точке в пределах объёма рабочей зоны. Такие ПР имеют широкие возможности и применяются в многофункциональных РТК с высоким уровнем автоматизации вспомогательных операций или в качестве робота-обработчика, выполняющего роль технологического оборудования.