Промышленный робот![]() Промы́шленный ро́бот (автоматический манипулятор[1]) — предназначенный для выполнения двигательных и управляющих функций в производственном процессе манипуляционный робот, то есть автоматическое устройство, состоящее из манипулятора и перепрограммируемого устройства управления, которое формирует управляющие воздействия, задающие требуемые движения исполнительных органов манипулятора. Применяется для перемещения предметов производства и выполнения различных технологических операций[2][3]. В литературе на русском языке получило распространение следующее определение промышленного робота, взятое из[4]: 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[5]. Промышленные роботы обычно являются одним из компонентов автоматизированных производственных систем, применяемых в гибком автоматизированном производстве (РТК, РТЯ, РТУ, РТЛ, РТС, ГПЛ и т. п.), которые при 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). Начало разработки промышленных роботовТолчком к появлению манипуляторов промышленного применения стало начало ядерной эпохи. В 1947 году в США группой сотрудников Аргоннской национальной лаборатории во главе с Р. Гёрцем[англ.] был разработан первый автоматический электромеханический манипулятор с копирующим управлением, повторяющий движения человека-оператора и предназначенный для перемещения радиоактивных материалов. Выполнять при помощи данного манипулятора такие операции, как вращение гаечного ключа или позиционирование предметов на поверхности, было сложно, поскольку никакой обратной связи по силе он не обеспечивал. Но, уже в 1948 году компания «General Electric» разработала копирующий манипулятор «Хэнди Мэн» (англ. Handy Man), в котором обратная связь имелась, и оператор мог воспринимать силы, воздействующие на хват манипулятора[6][7]. ![]() Первые промышленные роботы начали создавать в середине 1950-х годов в США. В 1954 году американский инженер Джордж Девол разработал способ управления погрузочно-разгрузочным манипулятором с помощью сменных перфокарт и подал патентную заявку на сконструированное им «программируемое устройство для переноски предметов», то есть на робот промышленного назначения (патент Деволу был выдан в 1961 году[8]). Вместе с Дж. Энгельбергом в 1956 году он организовал первую в мире компанию по выпуску промышленных роботов. Её название «Юнимейшн»[нем.] (англ. Unimation) является сокращением термина «Universal Automation» ‘универсальная автоматика’[9][10][11]. 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. Появление роботизированного производства![]() ![]() В начале 1960-х годов в США были созданы первые в мире промышленные роботы «Юнимейт»[англ.] (фирма «Юнимейшн», 1961 г.) и «Версатран» (фирма «Америкэн Мэшин энд Фаундри»[англ.], 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[12][13]. Экспериментальный прототип робота «Юнимейт» был создан уже в 1959 году, а весной 1961 года этот промышленный робот (ныне выставленный в Смитсоновском институте) был введён в эксплуатацию на литейном участке одного из заводов автомобильной корпорации «General Motors», находившегося в городке Юинг[англ.] — пригороде Трентона. 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[14][15]. Работая 24 часа в сутки, робот заменил три смены рабочих на тяжёлой, грязной и опасной работе[16]. Данный робот 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.] 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 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, причём стоимость электроники продолжает снижаться. Дальнейшее развитие промышленных роботовВ 1967 году началось использование промышленных роботов на предприятиях Европы: первый промышленный робот (тот же «Юнимейт») был установлен на металлургическом заводе в городе Уппландс-Весбю[англ.], Швеция[13]. В том же году в эру роботизации вступила и Япония, которая приобрела робот «Версатран». Вскоре в Японии и Швеции, а также в Великобритании, ФРГ, Италии и Норвегии начался 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[17]). 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[18]. В СССР первые промышленные роботы появились в 1971 году; они были созданы под руководством профессора П. Н. Белянина (робот УМ-1) и лауреата Государственной премии СССР Б. 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)[19][20]. С 1960 года в США разрабатывались роботы с системами управления, основанные на принципе обратной связи. Первоначально задающие устройства в этих системах формировались на коммутаторной плате; в 1974 году фирма «Цинциннати Милакрон»[англ.] впервые применила в системе управления роботом компьютер, создав промышленный робот T3 (англ. The Tomorrow Tool ‘инструмент будущего’)[10][21]. Предлагаются необычные кинематические схемы манипуляторов. Быстро развиваются технологические роботы, выполняющие такие операции, как высокоскоростные резание, окраска, сварка. ![]() Появление в 1970-х годах 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 роботаВ составе промышленного робота есть механическая часть (включающая один или несколько манипуляторов) и система управления этой механической частью. Кроме этого, робот может иметь средства очувствления (образующие в совокупности информационно-сенсорную систему), сигналы от которых поступают к системе управления[22]. МанипуляторМанипулятор — это управляемый механизм (или машина), который предназначен для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям руки человека при перемещении объектов в пространстве, и оснащён рабочим органом[англ.][23]. В некоторых случаях в состав промышленного робота могут входить два (или большее число) манипуляторов[24]. Исполнительный механизмИсполнительный механизм манипулятора, как правило, представляет собой открытую кинематическую цепь, звенья которой последовательно соединены между собой сочленениями различного типа; в подавляющем большинстве случаев, однако, встречаются кинематические пары V-го класса (обладающие одной степенью подвижности), а среди последних — поступательные и вращательные сочленения[25][26]. 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 реализуют транспортные (или переносные) степени подвижности (обеспечивая вывод рабочего органа в заданное место), а остальные реализуют ориентирующие степени подвижности (отвечая за нужную ориентацию рабочего органа)[27]. В зависимости от вида первых трёх сочленений большинство роботов относят к одной из четырёх категорий[28][29]:
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[27]. 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[30]. Существуют промышленные роботы и с замкнутыми кинематическими цепями. Примером могут служить параллельные роботы[англ.] — 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 — Стюарта и дельта-роботы[31][32]. Рабочий органНа конце манипулятора (на его «запястье») располагается рабочий орган[англ.] — устройство, предназначенное для выполнения специального задания. В качестве рабочего органа может выступать захватное устройство или технологический инструмент[33]. Наиболее универсальной разновидностью захватного устройства является схват — устройство, в котором захватывание и удержание объекта производятся посредством относительного перемещения частей данного устройства[34]. Как правило, схват по своей конструкции напоминает кисть человеческой 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)[33]. По способу удержания объекта захватные устройства подразделяют на[35]:
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 быть пульверизатор для окраски распылением, сварочные клещи для точечной сварки, сварочная головка для дуговой сварки, дисковый нож, дрель, фреза, электроотвёртка, гайковёрт, шуруповёрт, электропила и т. д.[33][36] ПриводыДля приведения звеньев манипулятора и устройства схвата в движение используют электрические, гидравлические или пневматические приводы[37]. Гидравлические приводы предпочтительны в случаях, когда надо обеспечить значительную величину развиваемых усилий или высокое быстродействие; обычно такими приводами снабжаются крупные роботы большой грузоподъёмности. Электрические приводы не обладают столь же большой силой или быстродействием, но позволяют добиться лучших точностных характеристик. Наконец, пневматические приводы обычно применяют для небольших по размерам роботов, выполняющих простые и быстрые циклические операции[38]. По имеющимся оценкам, примерно в 50 % современных промышленных роботах используется электрический привод, в 30 % — гидравлический и в 20 % — пневматический[39]. Система управленияВ 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[40]. Таким образом, промышленные роботы можно подразделить на следующие три типа (каждый из которых, в свою очередь, подразделяют на несколько разновидностей[41][42]:
Большинство современных роботов функционирует на основе принципов обратной связи, подчинённого управления и иерархичности системы управления роботом[43][44]. 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[43][44]. Первые роботы с программным управлением обычно программировали вручную. Позднее появились специальные языки программирования роботов (например, язык VAL для робота PUMA фирмы «Юнимейшн» или язык MCL, разработанный фирмой «МакДоннелл Дуглас» на основе языка программирования APT[англ.])[45]. В настоящее время 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. Управление может происходить с помощью ПК или программируемого логического контроллера. Подчинённое управлениеПодчинённое 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.
Информационно-сенсорная системаК середине 1990-х годов относится появление на рынке адаптивных промышленных роботов, оснащённых сенсорными устройствами. Современные информационно-сенсорные системы, используемые в робототехнике, представляют собой совокупности функционально объединённых измерительных и вычислительных средств, задачей которых служит получение информации от различных датчиков и её обработка для последующего использования системой управления[46]. Датчики, используемые в современных робототехнических системах, разнообразны и могут быть подразделены на следующие основные группы[47][48][49]:
Применения промышленных роботовРазличные 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 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 том числе операции по загрузке и выгрузке технологического оборудования. Среди самых распространённых действий, выполняемых промышленными роботами, можно назвать следующие[50][51]:
В начале XXI века получили распространение промышленные роботы, перемещающиеся внутри трубопроводов и предназначенные для дефектоскопии и очистки их внутренних поверхностей[52][53]. Такие роботы относятся к классу мобильных роботов и по способу своего передвижения подразделяются на такие группы[53][54]: ползающие роботы со змееподобным принципом перемещения[55]; ползающие роботы с червеподобным принципом перемещения[56]; роботы со скользящими упорами[57][58]; колёсные роботы[59]; гусеничные роботы[60]; вибрационные роботы[52]; роботы с гибкими и упругими звеньями[61]; роботы с изменяемой формой корпуса[62]; роботы, перемещаемые потоком жидкости или газа[63]. Достоинства использованияПрименение роботов в промышленном производстве имеет ряд преимуществ, в частности[64]:
Производство и структура рынка
В 2004 год на 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 данным Международной федерации робототехники[англ.], в 2013 году мировой объём продаж промышленных роботов составил 178 132 единиц (рост на 12 % по сравнению с предыдущим годом). Крупнейшим рынком промышленных роботов стала Китайская Народная Республика, предприятия которой закупили 25 111 промышленных роботов. За ней следуют Япония (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:
Япония занимает первое место в мире (2004) по экспорту промышленных роботов. Ежегодно эта страна производит более 60 тыс. роботов, почти половина из которых идет на экспорт. Это — крупный разрыв, по сравнению с другими странами. См. также
Примечания
Литература
Ссылки
|
Portal di Ensiklopedia Dunia