Un robot industrial este un robot de manipulare conceput pentru a îndeplini funcții de motor și control în procesul de producție , adică un dispozitiv automat format dintr-un manipulator și un dispozitiv de control reprogramabil care generează acțiuni de control care stabilesc mișcările necesare ale organelor executive ale manipulatorului. . Este folosit pentru deplasarea articolelor de producție și efectuarea diferitelor operațiuni tehnologice [1] [2] .
În literatura rusă, următoarea definiție a unui robot industrial, preluată din [3] , a devenit larg răspândită : este „o mașină automată, staționară sau mobilă, constând dintr-un actuator sub forma unui manipulator cu mai multe grade de mobilitate. , și un dispozitiv de control al programului reprogramabil pentru execuția într-o producție a procesului de motor și a funcțiilor de control. În industrie, însă, alături de cei mai folosiți roboți de manipulare, se folosesc și roboți industriali mobili (de locomoție), de informare, de informare și control, complexi și de alte tipuri [4] .
Roboții industriali sunt de obicei una dintre componentele sistemelor de producție automatizate utilizate în producția automatizată flexibilă ( RTK , RTYa , RTU , RTL , RTS , GPL , etc.), care, cu un nivel constant de calitate, poate crește productivitatea muncii în general.
Este avantajos din punct de vedere economic utilizarea roboților industriali împreună cu alte mijloace de automatizare a producției (linii automate, secțiuni și complexe).
Impulsul pentru apariția manipulatorilor de uz industrial a fost începutul erei nucleare . În 1947, în Statele Unite, un grup de angajați ai Laboratorului Național Argonne condus de R. Görtz a dezvoltat primul manipulator electromecanic automat cu control de copiere, repetând mișcările unui operator uman și conceput pentru a muta materiale radioactive . Efectuarea de operațiuni precum rotirea unei chei sau poziționarea obiectelor pe o suprafață cu acest manipulator a fost dificilă, deoarece nu a furnizat niciun feedback de forță; cu toate acestea, deja în 1948, compania General Electric a dezvoltat manipulatorul de copiere Handy Man , în care un astfel de feedback era disponibil, iar operatorul putea percepe forțele care acționează asupra mânerului manipulatorului [5] [6] .
Primii roboți industriali în sensul propriu al acestor cuvinte au început să fie creați la mijlocul anilor 1950 în Statele Unite. În 1954, inginerul american George Devol a dezvoltat o modalitate de a controla un manipulator de încărcare și descărcare folosind carduri perforate înlocuibile și a depus o cerere de brevet pentru un „dispozitiv programabil pentru transportul obiectelor” pe care îl proiectase, adică pentru un robot industrial (brevetul lui Devol). a fost emis în 1961 [7] ). Împreună cu J. Engelberg în 1956, a organizat prima companie din lume pentru producția de roboți industriali. Numele său „Unimation” ( în engleză Unimation ) este o abreviere a termenului „Universal Automation” „universal automation” [8] [9] [10] .
În 1959, Consolidated Corporation (SUA) a publicat o descriere a unui manipulator cu comandă numerică (CNC), iar în 1960-1961, au apărut primele rapoarte în presa americană despre manipulatorii „Transferrobot” și „Eleximan” cu control program pentru automatizarea asamblarii si a altor lucrari.
La începutul anilor 1960, primii roboți industriali din lume Unimate (Unimation, 1961) și Versatran ( American Machine and Foundry , 1962) au fost creați în Statele Unite. Asemănarea lor cu oamenii era limitată la prezența unui manipulator care seamănă vag cu o mână umană. Unii dintre ei încă lucrează, depășind 100 de mii de ore de resurse de lucru [11] [12] .
Un prototip experimental al robotului Unimate a fost creat deja în 1959, iar în primăvara anului 1961 acest robot industrial (acum expus la Smithsonian Institution ) a fost pus în funcțiune la turnătoria uneia dintre fabricile corporației de automobile General Motors , situată în orașul Ewing este o suburbie a orașului Trenton . Robotul a capturat piese turnate la roșu ale mânerelor ușilor și ale altor părți ale mașinii, le-a coborât într-un bazin de lichid de răcire și le-a instalat pe un transportor, după care au mers la muncitori pentru tăiere și lustruire [13] [14] . Lucrând 24 de ore pe zi, robotul a înlocuit trei schimburi de muncitori în muncă grea, murdară și periculoasă [15] . Acest robot avea 5 grade de libertate cu o acționare hidraulică și o prindere cu două degete cu o acționare pneumatică. Mișcarea obiectelor cu o greutate de până la 12 kg a fost efectuată cu o precizie de 1,25 mm . Ca sistem de control, a fost folosit un suport de program sub forma unui tambur cu came cu un motor pas cu pas , proiectat pentru 200 de comenzi de control și senzori de poziție a codificatorului. În modul de antrenament, operatorul stabilește o secvență de puncte prin care legăturile manipulatorului trebuie să treacă în timpul ciclului de lucru. Robotul a memorat coordonatele punctelor și se putea muta automat de la un punct la altul într-o anumită secvență, repetând în mod repetat ciclul de lucru. În operațiunea de descărcare a mașinii de turnat prin injecție Unimate , aceasta a funcționat cu o rată de 135 părți pe oră cu 2% resturi, în timp ce descărcarea manuală a fost de 108 părți pe oră cu până la 20% resturi.
Robotul industrial „Versatran”, care avea trei grade de mobilitate și control de la o bandă magnetică, putea încărca și descărca până la 1200 de cărămizi încinse pe oră la cuptor. La acea vreme, raportul dintre costul electronicii și mecanicii și costul robotului era de 75% și 25%, așa că multe sarcini de control au fost rezolvate în detrimentul mecanicii; acum acest raport s-a inversat, iar costul electronicelor continuă să scadă .
În 1967, a început utilizarea roboților industriali în întreprinderile europene: primul robot industrial (același Unimate) a fost instalat la o fabrică metalurgică din orașul Upplands-Väsby , Suedia [12] . În același an, Japonia a intrat și ea în era roboticii , care a achiziționat robotul Versatran. Curând, în Japonia și Suedia, precum și în Marea Britanie , Germania , Italia și Norvegia , a început producția de roboți industriali de producție proprie (în Japonia, compania Kawasaki Heavy Industries a fost prima care a produs roboți, care în 1968 a achiziționat un licență de la Uniune pentru a produce roboți industriali [16] ). Până la sfârșitul anilor 1970, Japonia a ieșit pe primul loc în lume atât în ceea ce privește producția anuală de roboți, cât și în ceea ce privește numărul de roboți industriali instalați în întreprinderile țării [17] .
În URSS, primii roboți industriali au apărut în 1971; au fost create sub îndrumarea profesorului P. N. Belyanin (robot UM-1) și a laureatului Premiului de Stat al URSS B. N. Surnin (robot „Universal-50”). În 1972-1975, a fost creată o întreagă gamă de roboți industriali sovietici (prin eforturile diferitelor organizații de cercetare și producție) (inclusiv roboți din seria Universal, PR-5, Brig-10, IES-690, MP-9S, TUR -10 și altele) [18] [19] .
Din 1960, roboții au fost dezvoltați în Statele Unite cu sisteme de control bazate pe principiul feedback -ului . Inițial, dispozitivele de antrenare din aceste sisteme au fost formate pe placa comutatorului; În 1974, compania Cincinnati Milacron a fost prima care a folosit un computer într-un sistem de control al robotului , creând un robot industrial T 3 ( ing. The Tomorrow Tool „instrumentul viitorului”) [9] [20] .
Sunt oferite scheme cinematice neobișnuite ale manipulatoarelor. Roboții tehnologici se dezvoltă rapid, efectuând operațiuni precum tăierea de mare viteză , vopsirea , sudarea . Apariția sistemelor de control cu microprocesor în anii 1970 și înlocuirea dispozitivelor de control specializate cu controlere programabile au făcut posibilă reducerea costului roboților cu un factor de trei, făcând profitabilă introducerea lor în masă în industrie. Acest lucru a fost facilitat de premisele obiective pentru dezvoltarea producției industriale.
Un robot industrial include o parte mecanică (inclusiv unul sau mai multe manipulatoare) și un sistem de control pentru această parte mecanică. În plus, robotul poate avea mijloace de detectare (care formează împreună un sistem de informare-senzori ), ale căror semnale sunt trimise către sistemul de control [21] .
Un manipulator este un mecanism controlat (sau mașină ), care este proiectat pentru a îndeplini funcții motorii similare cu funcțiile unei mâini umane atunci când mișcă obiecte în spațiu și este echipat cu un corp de lucru [22] . În unele cazuri, un robot industrial poate include două (sau mai multe) manipulatoare [23] .
ActuatorMecanismul de acționare al manipulatorului, de regulă, este un lanț cinematic deschis , ale cărui verigi sunt conectate în serie între ele prin îmbinări de diferite tipuri; în majoritatea covârșitoare a cazurilor există însă perechi cinematice de clasa a V-a (cu un grad de mobilitate), iar printre acestea din urmă se numără articulațiile de translație și rotație [24] [25] .
Combinația și aranjarea reciprocă a legăturilor și articulațiilor determină numărul de grade de mobilitate, precum și domeniul de aplicare al sistemului de manipulare al robotului. De obicei, se presupune că primele trei articulații din mecanismul de acționare ale instrumentului manipulator transportă (sau portabile ) grade de mobilitate (asigurând ieșirea corpului de lucru într-un loc dat), iar restul implementează grade de orientare de mobilitate (responsabilă pentru orientarea dorită a corpului de lucru) [26] . În funcție de tipul primelor trei articulații, majoritatea roboților se încadrează în una dintre cele patru categorii [27] [28] :
Pentru unii manipulatori, împărțirea gradelor de libertate în portabile și orientare nu este acceptată. Un exemplu sunt manipulatoarele cu redundanță cinematică (adică cu numărul de grade de libertate mai mare de șase); aici, controlul mișcării corpului de lucru și controlul orientării acestuia nu sunt „dezlegate” pentru grupuri separate de articulații [26] .
În unele cazuri, un braț de robot industrial este montat pe o bază mobilă, ceea ce înseamnă că este dotat cu grade suplimentare de mobilitate. Deci, manipulatorul este instalat pe șine sau pe un cărucior mobil care se deplasează de-a lungul șinei de podea sau de-a lungul șinelor suspendate [29] .
Există roboți industriali cu lanțuri cinematice închise. Roboții paraleli pot servi drept exemplu - roboți de manipulare în care corpul de lucru este conectat la bază prin cel puțin două lanțuri cinematice independente. Această clasă de roboți manipulativi include, în special, platforma Hugh-Stewart și roboții delta [30] [31] .
Corp de lucruLa capătul manipulatorului (pe „încheietura mâinii”) se află corpul de lucru - un dispozitiv conceput pentru a îndeplini o sarcină specială. Un dispozitiv de prindere sau un instrument tehnologic poate acționa ca un corp de lucru [32] .
Cel mai versatil tip de dispozitiv de prindere este un dispozitiv de prindere - un dispozitiv în care capturarea și reținerea unui obiect se realizează prin mișcarea relativă a părților acestui dispozitiv [33] . De regulă, prinderea este similară ca design cu o mână umană : prinderea unui obiect se realizează cu ajutorul " degetelor " mecanice . Ventuzele pneumatice sunt folosite pentru a prinde obiecte plate. Se mai folosesc cârlige (pentru ridicarea pieselor de pe benzi transportoare), linguri sau linguri (pentru substanțe lichide, în vrac sau granulare). Pentru a captura același set de piese de același tip, se folosesc modele specializate (de exemplu, prinderi magnetice) [32] .
Conform metodei de ținere a obiectului, dispozitivele de prindere sunt împărțite în [34] :
Numărul de aplicații de roboți industriali în care gripperul este folosit pentru a ține o unealtă de lucru este relativ mic. În cele mai multe cazuri, unealta necesară pentru a efectua o operație tehnologică este atașată direct de încheietura mâinii robotului, devenind corpul său de lucru. Acesta poate fi un pistol de pulverizare, un pistol de sudură în puncte , un cap de sudare cu arc, un cuțit circular , un burghiu , o freză , o șurubelniță , o cheie etc. [32] [35]
UnitățiPentru punerea în mișcare a legăturilor manipulatorului și a dispozitivului de prindere se folosesc acționări electrice, hidraulice sau pneumatice [36] . Acționările hidraulice sunt preferate în cazurile în care este necesar să se asigure o cantitate semnificativă de efort dezvoltat sau viteză mare; de obicei, astfel de unități sunt furnizate cu roboți mari cu sarcină utilă mare. Actuatoarele electrice nu au la fel de multă putere sau viteză, dar pot obține caracteristici de precizie mai bune. În cele din urmă, actuatoarele pneumatice sunt utilizate de obicei pentru roboții mici care efectuează operații ciclice simple și rapide [37] .
Se estimează că aproximativ 50% dintre roboții industriali de astăzi folosesc o acționare electrică, 30% folosesc o acționare hidraulică și 20% folosesc o acționare pneumatică [38] .
În dezvoltarea sistemelor de control pentru roboții industriali, pot fi urmărite două direcții. Unul dintre ele provine din sistemele de control software pentru mașini-unelte și a rezultat în crearea unor manipulatoare industriale controlate automat. Al doilea a dus la apariția unor sisteme biotehnice și interactive semiautomate în care un operator uman participă la controlul acțiunilor unui robot industrial [39] .
Astfel, roboții industriali pot fi împărțiți în următoarele trei tipuri (fiecare, la rândul său, este împărțit în mai multe soiuri [40] [41]) :
Majoritatea roboților moderni funcționează pe baza principiilor feedback -ului , controlului subordonat și ierarhiei sistemului de control al robotului [42] [43] .
Construcția ierarhică a sistemului de control al robotului presupune împărțirea sistemului de control în straturi orizontale (nivele): la nivelul superior, comportamentul general al robotului este controlat; la nivelul planificării mișcării, traiectoria necesară a mișcării lucrului. caroseria este calculată; caroseria și, în final, la nivelul propulsiei, motorul este controlat direct, care este responsabil pentru un anumit grad de mobilitate a manipulatorului [42] [43] .
Primii roboți programați erau de obicei programați manual. Ulterior, au apărut limbaje speciale de programare pentru roboți (de exemplu, limbajul VAL pentru robotul Union PUMA sau limbajul MCL dezvoltat de McDonnell Douglas pe baza limbajului de programare APT ) [44] . În prezent, pentru programarea unor astfel de roboți pot fi folosite medii de programare precum VxWorks / Eclipse sau limbaje de programare precum Forth , Oberon , Component Pascal , C. Ca hardware, computerele industriale în versiunea mobilă PC / 104 sunt de obicei folosite , mai rar MicroPC . Controlul poate fi prin PC sau controler logic programabil .
Control subordonatControlul slave este utilizat pentru a construi un sistem de control al unității. Dacă este necesar să construiți un sistem de control al acționării după poziție (de exemplu, prin unghiul de rotație al legăturii manipulatorului), atunci sistemul de control este închis prin feedback de poziție, iar în interiorul sistemului de control al poziției există un sistem de control al vitezei cu propriul feedback de viteză, în interiorul căruia există un curent de buclă de control - tot cu feedback-ul său.
Un robot modern este echipat nu numai cu feedback privind poziția, viteza și accelerația legăturilor. Când captează piese, robotul trebuie să știe dacă a capturat cu succes piesa. Dacă piesa este fragilă sau suprafața ei are un grad ridicat de curățenie, sunt construite sisteme complexe de feedback al forței pentru a permite robotului să apuce piesa fără să-i deterioreze suprafața sau să o distrugă.
Robotul este controlat, de regulă, de un sistem de management al întreprinderii industriale (sistem ERP), care coordonează acțiunile robotului cu pregătirea pieselor de prelucrat și a mașinilor-unelte cu control numeric pentru a efectua operațiuni tehnologice.
Pe la mijlocul anilor 1990, roboții industriali adaptivi echipați cu dispozitive tactile au apărut pe piață . Sistemele moderne de informație-senzori utilizate în robotică sunt seturi de instrumente de măsurare și de calcul integrate funcțional, a căror sarcină este de a obține informații de la diverși senzori și de a le procesa pentru utilizarea ulterioară de către sistemul de control [45] .
Senzorii utilizați în sistemele robotizate moderne sunt diverși și pot fi împărțiți în următoarele grupe principale [46] [47] [48] :
Diverse aspecte ale utilizării roboților industriali sunt luate în considerare, de regulă, în cadrul proiectelor standard de producție industrială: pe baza cerințelor existente, este selectată cea mai bună opțiune, care specifică tipul de roboți necesari pentru această sarcină, numărul acestora, și rezolvă, de asemenea, problemele de infrastructură electrică (conexiuni de alimentare, lichid de răcire de alimentare - în cazul utilizării răcirii lichide a elementelor de scule) și de integrare în procesul de producție (furnizarea semifabricatelor/produselor semifabricate și returnarea produsului finit la o linie automată pt. trecerea la următoarea operațiune tehnologică).
Roboții industriali din procesul de producție sunt capabili să efectueze operațiuni tehnologice de bază și auxiliare .
Principalele operații tehnologice includ operațiile de modelare directă, modificarea dimensiunilor liniare ale piesei de prelucrat etc.
Operațiunile tehnologice auxiliare includ operațiunile de transport, inclusiv operațiunile de încărcare și descărcare a echipamentelor tehnologice.
Printre cele mai frecvente acțiuni efectuate de roboții industriali se numără următoarele [49] [50] :
La începutul secolului al XXI-lea, roboții industriali s-au răspândit pe scară largă, deplasându-se în interiorul conductelor și proiectați pentru detectarea defectelor și curățarea suprafețelor lor interne [51] [52] . Asemenea roboți aparțin clasei roboților mobili și se împart în următoarele grupe în funcție de modul lor de mișcare [52] [53] : roboți târâtori cu un principiu de mișcare asemănător șarpelui [54] ; roboți târâtori cu un principiu de mișcare asemănător viermilor [55] ; roboți cu opritoare glisante [56] [57] ; roboți cu roți [58] ; roboți cu omidă [59] ; roboți cu vibrații [51] ; roboți cu legături flexibile și elastice [60] ; roboți cu formă variabilă a corpului [61] ; roboți mișcați de fluxul de lichid sau gaz [62] .
Utilizarea roboților în producția industrială are o serie de avantaje, în special [63] :
În 2004, Japonia reprezenta aproximativ 45% din roboții industriali din lume. În termeni absoluti: până la sfârșitul anului 2004, în Japonia erau utilizați 356.500 de roboți industriali, cu Statele Unite pe locul doi (122.000 de roboți industriali) cu o marjă largă.
Potrivit Federației Internaționale de Robotică , în 2013, vânzările globale de roboți industriali s-au ridicat la 178.132 de unități (o creștere de 12% față de anul precedent). Cea mai mare piață pentru roboți industriali a fost Republica Populară Chineză , cu 25.111 roboți industriali achiziționați de întreprinderi. Este urmată de Japonia (25.110 de unități), SUA (23.700 de unități), Republica Coreea (21.307 de unități), Germania (18.297 de unități) și alte țări industrializate.
Cel mai mare număr de roboți industriali noi este instalat la întreprinderi:
Japonia ocupă primul loc în lume (2004) la exportul de roboți industriali. În fiecare an, această țară produce peste 60 de mii de roboți, dintre care aproape jumătate sunt exportați. Acesta este un decalaj mare în comparație cu alte țări.
Robotică | |
---|---|
Articole principale | |
Tipuri de roboți | |
Roboți remarcabili | |
Termeni înrudiți |