Юрий Степанович Почанин
Робототехника в промышленности
Введение
Широкое распространение в производственной деятельности человека получили сегодня промышленные роботы. Они служат одним из эффективнейших средств механизации и автоматизации транспортных и погрузочных работ, а также многих технологических процессов.
С появлением станков с числовым программным управлением (ЧПУ) возникла необходимость в создании программируемых манипуляторов для разных операций по загрузке и разгрузке станков. Так в 1954 году американский инженер Д. Девол запатентовал способ управления погрузочно-разгрузочным манипулятором с помощью сменных перфокарт. Вместе с Д. Энгельбергом в 1956 г. он организовал первую в мире компанию по выпуску промышленных роботов. (универсальная автоматика). Позже в 1962 году в Соединенных Штатах были созданы первые промышленные роботы названные «Юнимейт» и «Версатран». Их сходство с человеком ограничивалось наличием манипулятора, отдаленно напоминающего человеческую руку. Что интересно, некоторые из них работают до сих пор, превысив 100 тысяч часов рабочего ресурса. «Юнимейт» мог перемещать объекты массой до 12 кг с точностью 1,25 мм.
Робототехника- это новое комплексное научно-техническое направление, включающее разработку, создание и использование манипуляторов, роботов и роботизированных технологических комплексов, а также связанные с этим организационные, социально-экономические и психологические аспекты, требующие нового научного подхода.
Промышленный робот стал еще одним шагом в развитии гибкой автоматизации для оптимизации производства с возможностью не только постоянно повторять одни и те же операции с гарантированной точностью, но и с возможностью простого перепрограммирования в случае изменения производственной программы пользователя.
Уровень и способы автоматизации производства существенно зависят от его вида и масштабов, и если в массовом и крупносерийном производстве наиболее оправданным является использование автоматических линий, то в среднесерийном и мелкосерийном и единичном производстве комплексная автоматизация стала возможной с появлением ЭВМ, станков с ЧПУ и промышленных роботов. На базе технологического оборудования с числовым программным управлением и промышленных роботов компонуются многономенклатурные линии, участки, цеха, получившие название гибкого автоматизированного производства.
Следует отметить, что основным направлением гибкой автоматизации является роботизация. Основным принципом построения таких гибких производств является модульность. Автоматизация гибкого производства развивается от простого к сложному – первоначально создаются и внедряются гибкие производственные модули (ГПМ), на их основе строятся гибкие производственные комплексы (ГПК) и, наконец, гибкие автоматизированные производства (ГАП).
Дальнейшим их развитием является создание практически безлюдного автоматического производства, где гибкие автоматизированные производства дополняется системами автоматизированного проектирования выпускаемых изделий (САПР) и технологической подготовки их производства, планирования и диспетчерского управления (АСУП).
Промышленные роботы могут выполнять задачи, которую раньше могли выполнять только люди. Кроме того, изменился характер производства – около 80% изделий изготовляется малыми сериями. Автоматизация производства поэтому становится одним из существенных рычагов повышения производительности труда в мелкосерийном производстве (экономический фактор).
Исследования показывают, что при использовании на отдельных операциях один промышленный робот в зависимости от сменности работы заменяет 1-3 рабочих, повышает производительность труда на 60-80% и снижение затрат на подготовку производства на 45-50%. При групповом использовании эффективность промышленных роботов резко возрастает: производительность увеличивается не менее чем в 3-5 раз, а в отдельных случаях в 8-10 раз, относительно уменьшаются капитальные вложения и расходы на обслуживание, повышаются интенсивность и ритмичность производства, сменность, качество продукции, сокращается количество брака.
По данным аналитического отдела ГПБ Инвестиции на 2020 год в мире установлено 373240 промышленных роботов, сферы их применения представлены на диаграмме, рис. В.1.
Рис.В1. Сферы применения промышленных роботов в мире
По этим данным видно, что основное применение роботов в мире является перемещением, а также для сварки и пайки. С усовершенствованием и появлением новых технологий функционал у производственных аппаратов увеличится.
Глава 1. Классификация промышленных роботов
В соответствии с международным стандартом ISO 8373:2012 «Robots and robotic devices— Vocabulary» роботом является приводной механизм, который можно запрограммировать по двум и более осям, имеющий некоторую степень автономности, движущийся внутри своей рабочей среды и выполняющий задачи по предназначению», где «автономность – способность выполнять задачи по предназначению, основанная на текущем состоянии изделия и особенностях считывания данных без вмешательства человека».
В более широком понимании современный робот – механизм, выполняющий запрограммированные действия, который воспринимает окружающий мир с помощью сенсоров (датчиков, микрофонов, камер), строит модели поведения, чтобы выполнять определенную программу, и способен воздействовать на физический мир тем или иным способом.
Роботом можно назвать любое устройство или механизм, который выполняет предназначенные ему действия и одновременно отвечает трём условиям:
–воспринимает окружающий мир с помощью сенсоров, такими сенсорами могут быть микрофоны, камеры (всех областей электромагнитного спектра), различные электромеханические сенсоры, датчики и прочее;
–понимает окружающий мир и строит модель поведения, чтобы выполнять предназначенные ему задачи;
–воздействует на физический мир.
Если хотя бы одно из условий не выполняется, то такое устройство нельзя назвать роботом.
В соответствии с ГОСТом Р 60.0.0.2-2016 “Роботы и робототехнические устройства” промышленные роботы подразделяются на две большие группы:
–промышленные манипуляционные роботы, выполняющие основные технологические операции;
–промышленные транспортные роботы, осуществляющие межцеховые и внутрицеховые перемещения грузов, на транспортном роботе могут быть установлены манипуляционный робот или другое устройство для выполнения погрузочно-разгрузочных работ.
В свою очередь промышленные манипуляционные роботы классифицируются по следующим признакам:
–специализация;
–грузоподъемность;
–способ управления;
–способ программирования;
–тип привода;
–возможность передвижения;
–выполняемая технологическая операция;
–кинематическая схема;
–способ установки на рабочем месте.
По специализации промышленные манипуляционные роботы подразделяются на:
–специальные;
–специализированные;
–универсальные.
По грузоподъемности подразделяют на:
–сверхлегкие – роботы грузоподъемностью меньше 1 кг;
–легкие – роботы грузоподъмностью от 1 до 10 кг;
–средние – роботы грузоподъемностью от 10 до 200 кг;
–тяжелые – роботы грузоподъемностью от 200 до 1000 кг;
–сверхтяжелые – роботы грузоподъемностью свыше 1000 кг.
По количеству манипуляторов подразделяются на:
–одноманипуляторные (однорукие);
–двурукие;
–трехрукие;
–четырехрукие.
По быстродействию можно разбить на три следующие группы: -малое–при линейных скоростях по отдельным степеням подвижности до 0,5м/с;
–среднее—при линейных скоростях свыше 0,5 до 1 м/с;
–высокое—при линейных скоростях свыше 1 м/с.
По способу управления промышленные манипуляционные роботы подразделяют на:
–роботы с ручным управлением – копирующие манипуляторы;
–роботы с программным управлением – все действия и движения робота определены в программе, последовательность команд в которой является постоянной или изменяется в функции от контролируемых параметров внешней среды, идентифицируемых по наличию или отсутствию сигналов одного или нескольких измерительных устройств или других (как правило, релейного типа) входных сигналов.
К роботам с программным управлением относятся также роботы, конструкция которых обеспечивает возможность их приспособления к изменяющимся условиям внешней среды (например, механизм само ориентации или податливости захватного устройства при взаимодействии с неориентированным объектом);
– роботы с адаптивным управлением – роботы, снабженные датчиками для восприятия внешней среды, обеспечивающими автоматическое изменение последовательности команд в программе, определяющей действия и движения робота, в функции от контролируемых параметров состояния внешней среды, идентифицируемых при помощи специальных алгоритмов обработки данных, поступающих от датчиков (например, для определения положения и ориентации детали на конвейере).
Промышленные манипуляционные роботы с программным и адаптивным управлением по способу формирования траектории движения подразделяют на:
–роботы с цикловым управлением – управляющая программа определяет жесткую последовательность движений робота по степеням подвижности;
роботы с позиционным управлением – управляющая программа определяет последовательность точек позиционирования без контроля траектории движения между ними;
–роботы с траекторным управлением – управляющая программа определяет движение рабочего органа робота по заданной траектории без контроля скорости перемещения по траектории.
–роботы с контурным управлением – управляющая программа определяет движение рабочего органа робота по заданной траектории с установленным распределением во времени значений скорости и ускорения.
По способу программирования промышленные манипуляционные роботы подразделяют на:
–роботы, программируемые копированием;
–роботы, программируемые обучением;
–роботы, программируемые аналитически;
–роботы, программируемые целеуказанием.
По типу привода промышленные манипуляционные роботы подразделяют на:
–роботы с электромеханическими приводами;
–роботы с гидравлическими приводами;
–роботы с пневматическими приводами;
–роботы с комбинированными приводами.
По возможности передвижения промышленные манипуляционные роботы подразделяют на:
–стационарные роботы;
–подвижные роботы.
Как правило, подвижные манипуляционные роботы перемещаются между обслуживаемыми ими станками по монорельсу, установленному на полу или над станками. Большинство существующих промышленных манипуляционных роботов относятся к классу стационарных роботов.
По выполняемой технологической операции промышленные манипуляционные роботы подразделяют на:
–универсальные роботы – роботы, осуществляющие разные технологические операции в зависимости от установленного рабочего органа;
–сборочные роботы – роботы, осуществляющие сборочные операции, к данному типу роботов относятся также роботы, осуществляющие разборку узлов;
–сварочные роботы – роботы, осуществляющие сварочные операции, к данному типу роботов относятся также роботы, осуществляющие пайку;
–окрасочные роботы – роботы, осуществляющие окрасочные операции;
–перегрузочные роботы-роботы, осуществляющие погрузочно-разгрузочные операции;
– упаковочные роботы- роботы, осуществляющие упаковочные операции;
–измерительные роботы-роботы, осуществляющие измерительные операции;
–обрабатывающие роботы – роботы, осуществляющие операции механообработки (шлифовка, удаление заусениц, резка и т.п.).
Различают глобальные, региональные и локальные движения промышленного робота.
Глобальные (межоперационные) движения—это перемещения ПР на расстояния, превышающие размеры самого робота, при обслуживании технологических объектов (линий). От возможности совершать глобальные движения зависит мобильность робота, и для их реализации робот снабжается подвижным основанием (в противном случае робот является стационарным).
Региональные движения – это перемещения рабочих органов ПР в пределах его зоны обслуживания. Конфигурация и размеры этой зоны определяются геометрическими параметрами звеньев руки робота. Таким образом, региональные движения относятся к внутри операционным.
К локальным движениям рабочих органов ПР принято относить перемещения на расстояния, не превышающие их размеров. Это главным образом ориентирующие движения кисти при выполнении технологических операций.
Как ориентирующие, так и транспортирующие движения должны выполняться с высокой точностью совокупного участия всех звеньев кинематической структуры ПР. Поэтому при создании роботов, следует учитывать не только наличие звеньев, обеспечивающих совокупность движений, но также вид и последовательность их расположения в структуре.
1.1. Классификация по кинематической схеме
Решая задачи производства, рабочий орган манипулятора промышленного робота совершает требуемые движения, транспортируя объект или выполняя технологическую операцию. Перемещение рабочего органа осуществляется исполнительным механизмом, являющимся механической частью исполнительного устройства промышленного робота. Исполнительный механизм (ИМ) представляет собой систему твердых упругих тел, соединенных между собой. Эти твердые тела, являясь функциональными элементами кинематической цепи промышленного робота, называются звеньями.
Соединение звеньев механической системы в кинематическую цепь осуществляется с помощью кинематических пар. В большинстве своем это пары вращательные или поступательные, обеспечивающие одну степень свободы. Совокупность некоторого числа подвижных звеньев обеспечивает механизму определенное число степеней подвижности.
Кинематическое звено – совокупность жестко соединенных друг с другом тел, входящих в состав механизма, в данном случае в состав манипулятора. Входное кинематическое звено – это звено, получающее независимое, заданное движение.
Конструктивно звенья могут быть образованы несколькими деталями, неподвижными относительно друг друга. Неподвижное звено принято называть основанием или стойкой. Звено же, которому передастся движение для преобразования исполнительным механизмом в необходимые движения других звеньев – входное. Звено, реализующее движение, для выполнения которого предназначен ИМ, называют выходным или конечным. Максимальное количество таких звеньев определяется числом степеней подвижности исполнительного механизма. Между входным и выходным звеньями находятся промежуточные звенья.
Движения звеньев манипулятора (М) по заданным траекториям невозможны без наложения на их определенные точки, линии или поверхности пространственно-кинематических связей, объединяющих эти звенья в кинематическую цепь.
Кинематическая цепь – это совокупность кинематических звеньев, подвижно соединенных друг с другом с помощью кинематических пар. Если в кинематической цепи есть кинематические звенья, входящие в одну кинематическую пару, то такая цепь называется разомкнутой, а если же каждое звено входит как минимум в две кинематических пары, то это замкнутая кинематическая цепь.
Кинематическая пара – подвижное соединение двух кинематических звеньев, допускающее их вполне определенное движение относительно друг друга.
Кинематические пары делятся на пять классов. Класс пары определяется числом связей. Разность между возможным числом степеней свободы кинематической пары W в прямоугольной системе координат и числом условий связи (W-5) определяет ее подвижность. Число возможных степеней свободы в прямоугольной системе координат равно шести (3 поступательных движения в направлении 3-х осей координат и плюс 3 вращательных вокруг этих осей). Итак, требуемое перемещение объекта в пространстве с заданной ориентацией реализуется кинематической структурой, образованной кинематическими цепями манипулятора.
В соответствии с реализацией выделенных ранее групп движений (глобальные, региональные и локальные) в манипуляторе выделяют и соответствующие системы. Это система передвижений, свойственная только мобильным роботам, и манипуляционная система. При этом в манипуляционной системе две различные по функциональному назначению кинематические цепи: рука и кисть.
Под «рукой» понимают ту часть манипулятора, которая обеспечивает транспортирующие перемещения (региональные движения), а под «кистью» – ориентирующие, т.е. звенья и пары которой обеспечивают ориентацию схвата (его локальные движения).
Для транспортирования выходного звена в любую точку рабочего пространства по заданной траектории и с заданной ориентацией необходимо, чтобы механизм манипулятора имел не менее шести управляемых степеней подвижности. Однако в этом случае данная автоматическая система будет весьма сложная и дорогостоящая, как с конструктивной, так и с эксплуатационной точек зрения. Поэтому в тех случаях, когда производственные задачи могут решаться с использованием более простых машин, применяют механизмы с меньшим числом степеней подвижности – тремя, а иногда и двумя.
По кинематической схеме промышленные манипуляционные роботы подразделяют на следующие.
1. Робот с линейной системой координатных перемещений имеет, как показано на рис.1.1, прямоугольную, или декартову, систему координат. Рассматриваемый манипулятор ПР имеет три линейных степени подвижности, реализованных одноподвижными поступательными кинематическими парами. Такая система перемещений обеспечивает прямолинейное движение рабочего органа М в трёх взаимно перпендикулярных направлениях. Основание робота представляет собой корпус, выполненный в виде балочной, мостовой или портальной конструкции. По его направляющим поступательно перемещается в одном из горизонтальных направлений узел, реализующий вертикальное перемещение рабочего органа. Вертикальное перемещение относительно стойки (или колонны), совершающей горизонтальное движение относительно корпуса, выполняет подвижно закрепленная на ней тележка (или каретка). Второе горизонтальное перемещение рабочего органа в направлении, перпендикулярном движению стойки, обеспечивает «рука» манипулятора, совершающая движение относительно закрепленной па стойке тележки. Форма рабочего пространства, ограниченного крайними положениями рабочего органа, называемого рабочей зоной, представляет собой прямоугольный параллелепипед.
Рис.1.1. Схема робота с прямоугольной системой координат
Простота и свойства системы линейных координатных перемещений манипуляторов с прямоугольной системой координат (удобство обслуживания рабочей зоны, относительно высокая жесткость) обеспечили использование таких ПР в стесненных условиях, в подвесном исполнении и при необходимости обеспечения высокой точности. Примерами могут служить обслуживание основного технологического оборудования (металлорежущие станки) и сборочных операций. Несмотря на все их преимущества (сравнительная простота манипулятора и его программирования), эти промышленные роботы используются сравнительно редко. Их недостатки это – увеличение габаритов при относительно малом объеме рабочей зоны, увеличение длительности циклограммы процесса. Как правило, для выполнения подобных работ используют каретки, подвешиваемые на направляющих, либо используют портальные конструкции.
2.Робот с цилиндрической системой координат имеет одну вращательную и две поступательные подвижные кинематические пары для реализации необходимых степеней подвижности, как показано на рис.1.2. Они образуют полярную систему координатных перемещений. В отличие от предыдущей схемы манипулятора с линейно системой координатных перемещений, у рассматриваемого колонна не перемещается относительно корпуса горизонтально, а совершает поворот вокруг своей оси. Остальные степени подвижности реализуются, как и в предыдущем случае. Форма рабочей зоны такого манипулятора ПР представляет собой полый цилиндр.
Рис. 1.2. Схема робота с цилиндрической системой координат
Удобство конструкции и программирования способствовало более широкому распространению таких манипуляторов с полярной системой координатных перемещений. Эта система позволяет обслуживать рабочее пространство с большим объемом и облегчает планировку и компоновку рабочих мест и оборудования при создании робототехнических комплексов. Однако у этой системы координатных перемещений есть и недостаток. Им является затруднение обслуживания технологического оборудования, расположенного на небольшой высоте.
3. Робот со сферической системой координат, схема которого представлена на рис. 1.3, имеет две вращательные подвижные кинематические пары и одну поступательную. В отличие от предыдущей схемы, в рассматриваемой еще одна поступательная кинематическая пара заменена на вращательную, однако «рука» манипулятора всё ещё способна совершать поступательные перемещения. Форма рабочей зоны такого манипулятора представляет собой полый шар, ограниченный сферической и двумя плоскими поверхностями. Такие манипуляторы более громоздки по сравнению с предыдущими и нуждаются в более сложной системе программного управления.
Рис. 1.3. Схема робота со сферической системой координат
Тем не менее, их высокая универсальность, наряду с возможностью обслуживания рабочих зон большего объема (в сравнении с манипуляторами прямоугольной и цилиндрической систем координат), определили их более широкое распространение.
4.Робот с ангулярной (угловой) системой координатных перемещений и сферической системой координат, схема которого представлена па рис. 1.4, имеет три вращательные подвижные кинематические пары, обеспечивающие степени подвижности.
Рис. 1.4. Схема робота с ангулярной (угловой) системой координатных перемещений
Такую конфигурацию ещё называют антропоморфной. Положение и ориентация манипулятора в рабочей зоне такого робота определяются за счет изменения только угловых положений его звеньев друг относительно друга. Иными словами, манипулятор состоит из звеньев аналогично руке человека. Форма же рабочей зоны представляет собой сложное сферическое пространство, ограниченное сферическими и цилиндрическими поверхностями.
Ангулярная система координатных перемещений является достаточно сложной как с конструкторской точки зрения, поскольку необходимы специальные меры для повышения точности и жесткости манипулятора, так и с точки зрения программирования. В результате, помимо сказанного, требуется использование более сложных устройств программного управления. В то же время, эти манипуляторы отличает высокая универсальность и наибольший объём обслуживаемой рабочей зоны. Благодаря этому они хорошо компонуются с оборудованием, позволяя минимизировать производственные площади.
5. Робот с полярной системой координатных перемещений и цилиндрической системой координат, схема его манипулятора представлена на рис. 1.5.
Рис.1.5. Схема робота с полярной или сложной цилиндрической системой координат
Степени подвижности данного манипулятора реализованы тремя вращательными одноподвижными кинематическими парами и одной поступательной одноподвижной кинематической парой. Манипулятор такого робота состоит из вращающейся колонны, или корпуса, присоединенного к нему и поворачивающегося в той же горизонтальной плоскости звена, на конце которого в направляющей перемещается вертикально «рука».
6. Кинематическая схема робота SCARA имеет две вращательные степени подвижности с параллельными осями, обеспечивающими плавные движения в выбранной плоскости, рис.1.6. Кинематика робота представлена на рис.1.7.
Рис.1.6. Кинематическая схема робота SCARA
Рис.1.7. Кинематика робота SCARA
Сочлененный манипулятор робота более широко используется для сборки во всем мире благодаря простоте и беспрепятственного монтажа. Роботы SCARA обычно имеют так называемую последовательную архитектуру, в которой один базовый двигатель должен нести все остальные установленные двигатели. Сам SCARA-робот, оригинальное исполнение. Один шаговый мотор приводит в движение внутренний рычаг, на котором установлен второй шаговик для привода наружного рычага. Промышленные SCARA-роботы используют именно этот вариант. Одним из недостатков этих типов роботов является то, что они чрезвычайно дороги по сравнению с довольно недорогими декартовыми роботами. Кроме того, для работы им требуется сложное программное обеспечение высокого уровня.
7. Параллельные роботы. Роботы с параллельной кинематикой – роботы, звенья которых образуют замкнутые кинематические цепи с вращательными и поступательными шарнирами, имеющими параллельные оси. Структурная схема параллельного робота показана на рис.1.8.
Рис.1.8. Структурная схема параллельного робота
Параллельный робот специально разработан, чтобы оставаться жестким и противостоять всем нежелательным помехам и движениям, в отличие от серийных роботов-манипуляторов. Хотя каждый привод работает с определенной степенью свободы, их гибкость в конечном итоге ограничивается другими приводами. Его жесткость и прочность отделяют параллельные манипуляторы от серийных цепных роботов.
8. Роботы с комбинированной кинематикой-роботы, кинематика которых представляет собой комбинацию указанных выше схем.
Выбор системы координат определяет тип руки манипулятора и вид его зоны обслуживания.
