Промышленные роботы

Статья о промышленных роботах, коботах, SCARA, дельта, шарнирных манипуляторах, используемых в производстве. Какие бывают промышленные роботы, как они устроены, как правильно выбрать промышленного робота и для чего они нужны.

Содержание

1. Как устроен промышленный робот.
2. Где применяют промышленные роботы.
3. Система управления, программирование и интерфейс промышленного робота.
4. Для чего внедряют промышленные роботы в производство.
5. Какие бывают промышленные роботы, коботы.
6. Как правильно выбрать промышленного робота, кобота. Основные характеристики и классификация.
7. Краткая история развития промышленных роботов.
8. Современные тенденции развития промышленной робототехники.

Промышленный робот — автоматизированное механическое устройство, состоящее из подвижной части, способной перемещаться в пространстве согласно технического условия, конечной рабочей части, зависящей от задачи технологического процесса, и программируемого устройства управления.

Как устроен промышленный робот

Механическая часть промышленного робота состоит из:

• исполнительного подвижного механизма (тело робота) — последовательно соединенные модули, звенья-сочленения, выполняющие перемещение робота в пространстве. Самыми распространенными являются манипуляторы, обладающие от 3-ёх до 6-ти, и более, степеней свободы. Степень свободы — совокупность независимых координат перемещения и/или вращения, полностью определяющая положение системы или тела.
  В зависимости от применяемой системы координат роботы могут работать:
  1) в декартовой системе координат — роботы, у которых все три начальных сочленения являются поступательными;
  2) в цилиндрической системе координат — роботы, у которых среди начальных сочленений два поступательных и одно вращательное;
  3) в сферической системе координат — роботы, у которых среди начальных сочленений одно поступательное и два вращательных;
  4) в угловой, или вращательной, системе координат — роботы, у которых все три начальных сочленения являются вращательными.
  Дополнительные степени свободы могут обеспечиваться, если манипулятор имеет каретку для движения на рельсах или на подвесных направляющих;
• конечного рабочего органа, насадки или эффектора (запястья или инструмента). Запястья могут напоминать человеческую руку и иметь несколько пальцев-захватов, крюки, совки, присоски или магниты. Среди инструментов используются сварочные головки, дрели, фрезы, пульверизаторы, шуруповёрты, пилы, клещи и т.д.;
• приводы, обеспечивающие движение моделей-сочленений манипулятора. Существуют гидравлические приводы (обеспечивают максимальные нагрузки и усилия), электрические приводы (обеспечивают меньшую мощность, но большую точность, скорость и безопасность), пневматические приводы (дешевое решение для простых операций).

Система управления, программирование и интерфейс промышленного робота

Настройка или программирование последовательности выполнения движений промышленного робота обычно осуществляется путем подключения контроллера робота к ноутбуку, настольному ПК или (внутренней или внешней) сети.
Программирование промышленного робота, кобота может осуществляться несколькими способами:

• написанием тестовых команд или использованием графического редактора, в которых задаются каждое отдельное положение механической части в осях X, Y, Z;
• обучением с помощью специального пульта управления. Человек задаёт движения робота вручную, при этом все перемещения сохраняются в специальное запоминающее устройство;
• с использованием симулятора (цифрового двойника) рабочей зоны промышленного робота (ячейки), всех механизмов и устройств, находящихся в этой зоне. Это отдельное программное обеспечение, которое позволяет моделировать всевозможные варианты развития событий без непосредственного использования робота;
• с использованием приложения, разработанного производителем робота, в котором оператор создает готовую модель поведения из заранее запрограммированных шаблонов/блок-схем, отвечающих за каждое движение манипулятора или вспомогательных устройств.
  Пользовательский интерфейс в современных промышленных роботах, коботах выглядит как обычный щит или пульт управления с сенсорным экраном, в меню которого есть возможность переключения готовых программ, управление периферийными устройствами, ручная корректировка параметров работы и другое.

Где применяют промышленные роботы

Самые популярные сферы применения пром роботов являются:

• металлообработка и пластиковая обработка : токарная и фрезерная обработка, загрузка заготовок и выгрузка готовых изделий, шлифовка и зачистка кромок, литьё под давлением и работа в горячих цехах, термическая резка, сварка, газопламенная обработка металлоконструкций и деталей, ковка и штамповка, нанесение покрытий распылением, полировка и тонкая доводка, сборка механических, электрических и электронных деталей, контроль качества продукции и др.;
• транспортировка и логистика: (перенос деталей и заготовок от станка к станку или с конвейера на конвейер, штабелирование, работа с поддонами, укладка деталей в тару и т.д.
  Среди отраслей могут быть металлургия, машино- и станкостроение, пищевая промышленность, электроника, фармацевтическая промышленность, химическая промышленность, автомобилестроение и т.д.

Для чего внедряют промышленные роботы в производство

Самым главным преимуществом роботов над человеком в производстве являются:

• непрерывный процесс работы робота и повышение производительности труда;
• повышение точности технологический операций и качества работы;
• исключение травматизма и возможность работы в опасных (вредных) для человека условиях труда;
• рациональное использование промышленных площадей при производстве.

Какие бывают промышленные роботы, коботы

• промышленные роботы-манипуляторы. Особенностью таких устройств являются: автоматизация, автономность рабочего процесса без участия человека; выполнение задач с высокой скоростью и точностью человеческой руки; сложное и дорогостоящее программирование, настройка. Принцип работы манипулятора: робот получает команды от управляющего устройства, система обрабатывает сигнал и отправляет команды электрически или гидравлическим приводам, приводящим в движение модули-сочленения и конечные органы;
• коллаборативные роботы (коботы). Особенность: коботы могут работать непосредственно с человеком в одном рабочем пространстве, снабжены встроенной системой безопасности; могут быстро перенастраиваться для выполнения новых операций и задач; компактные и занимают мало места в производственной линии; могут программироваться с помощью простых интерфейсов или обучаться вручную оператором. Принцип работы кобота: рабочие движения робота синхронизируются с действиями человека-оператора, что позволяет корректировать работу в реальном времени;
• дельта-роботы (параллельные роботы). Некоторые особенности дельта-роботов: конструкция робота состоит из трех рычагов, соединённых с неподвижным основанием с помощью карданных шарниров; высокая скорость и ускорение за счет легких материалов рычагов и близкого расположения приводов и моторов непосредственно к основанию устройства; компактность; использование технического машинного зрения и обучаемых систем с интеллектуальным управлением. Принцип работы дельта-робота (параллельного робота): механизм движения основан на параллелограммах для точного позиционирования механизма и конечного органа робота в пространстве, каждый из трёх рычагов двигается независимо, что обеспечивает манёвренность и скорость;
• роботы SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm). Особенность: благодаря ограниченной подвижности в вертикальной оси роботы оптимизированы для работы в плоскости с жёсткостью и гибкостью по горизонтали; высокая скорость и точность движений; компактность. Принцип работы робота SCARA: состоит из двух рычагов, соединённых в одной точке, и двух независимых приводов; робот имеет рычажную конструкцию, обеспечивающую точное перемещение рабочего инструмента преимущественно в горизонтальной плоскости.

Как правильно выбрать промышленного робота, кобота. Основные характеристики и классификация

Чтобы правильно выбрать промышленный робот-манипулятор, важно понимать технические условия производственного процесса. Любой промышленный робот обладает уникальными характеристиками, подходящими для выполнения определенной задачи. Попробуем разобраться.

Промышленные роботы-манипуляторы условно делятся на:

• 1. Шарнирные (ангулярные). Наиболее распространённый тип промышленных роботов, имитирующих строение человеческой руки. Последовательно соединённые вращающиеся звенья-сочленения позволяют достигать практически любой точки в пределах рабочей зоны с различной ориентацией рабочего органа. Самыми распространёнными операциями для таких устройств являются — сварка, покраска, сборка. Ведущие производители шарнирных роботов — KUKA, ABB, Fanuc и Yaskawa Motoman.

Количество степеней свободы — 6-7.
Рабочая зона — сферическая, большой объем.
Грузоподъемность (кг) — 3-1300.
Макс. вылет (мм) — 500-4500.
Повторяемость (мм) — ±0.02-0.1.
Макс. скорость (м/с) — 1-3.
Масса робота (кг) — 25-5000.
Монтажное положение — пол, потолок, стена.
Класс защиты — IP65-IP67.
Основные области применения — автомобилестроение, общее машиностроение, обработка металлов.
Типовые операции — сварка, окраска, обслуживание станков, паллетирование.
Требуемая инфраструктура — системы безопасности, прочный фундамент, подвод энергии.
Время цикла (стандартные операции) — 10-60 с.
Сложность интеграции — средняя-высокая.
Совместимость с оборудованием — высокая (широкий спектр инструментов).
Машинное зрение — полная интеграция систем 2D/3D зрения.
Коллаборативные возможности — ограниченные (только спец. модели).
Начальные инвестиции — высокие.
Стоимость внедрения — 35-50% от стоимости робота.
Срок окупаемости — 1.5-3 года.
Стоимость обслуживания — 5-8% годовых от стоимости.
Требования к персоналу — высококвалифицированные специалисты.
Надежность (MTBF, часы) — 40000-60000.
Затраты на переналадку — средние.
Потребность в запчастях — среднее.

• 2. Декартовы (портальные). Роботы перемещаются линейно по трём осям координат (X, Y, Z), создавая прямоугольную рабочую зону. Конструкция робота имеет жёсткую конструкцию, простую кинематику (ограниченное число вращающихся звеньев-сочленений), высокую грузоподъёмность. Используется для перемещения грузов на расстояния, паллетирования, обработки крупных деталей, 3D-печати. Крупными производителями являются Güdel, Festo и Yamaha.

Количество степеней свободы — 3-4.
Рабочая зона — прямоугольная.
Грузоподъемность (кг) — 5-2000.
Макс. вылет (мм) — 500-10000.
Повторяемость (мм) — ±0.01-0.05.
Макс. скорость (м/с) — 1-2,5.
Масса робота (кг) — 50-3000.
Монтажное положение — пол, потолочное крепление.
Класс защиты — IP54-IP65.
Основные области применения — складская логистика, обработка пластмасс, упаковка.
Типовые операции — перемещение тяжелых грузов, 3D-печать, фрезеровка.
Требуемая инфраструктура — прочные направляющие, большие площади.
Время цикла (стандартные операции) — 5-120 с.
Сложность интеграции — средняя.
Совместимость с оборудованием — высокая для тяжелых задач.
Машинное зрение — возможна интеграция систем распознавания.
Коллаборативные возможности — минимальные.
Начальные инвестиции — средне-высокие.
Стоимость внедрения — 30-45% от стоимости робота.
Срок окупаемости — 2-4 года.
Стоимость обслуживания — 4-7% годовых от стоимости.
Требования к персоналу — средняя квалификация.
Надежность (MTBF, часы) — 45000-65000.
Затраты на переналадку — высокие.
Потребность в запчастях — среднее.

• 3. Цилиндрические. Конструкция робота предусматривает вращение вокруг основания (1 вращательная степень свободы) и несколько ограниченных по движению звеньев-сочленений для перемещения по высоте и радиусу, формируя цилиндрическую рабочую зону. Преимущество — простая конструкция и простота программирования. Используется для сборочных операций, погрузки и выгрузки деталей, обслуживания литейных машин. Цилиндрические роботы постепенно вытесняются более гибкими шарнирными роботами.

Количество степеней свободы — 3-4.
Рабочая зона — цилиндрическая.
Грузоподъемность (кг) — 3-80.
Макс. вылет (мм) — 500-2000.
Повторяемость (мм) — ±0.03-0.1.
Макс. скорость (м/с) — 1-2.
Масса робота (кг) — 40-500.
Монтажное положение — пол.
Класс защиты — IP54-IP65.
Основные области применения — литейное производство, обработка деталей, загрузка/выгрузка.
Типовые операции — обслуживание станков, простая сборка.
Требуемая инфраструктура — прочное основание, простая ограда безопасности.
Время цикла (стандартные операции) — 8-30 с.
Сложность интеграции — низкая.
Совместимость с оборудованием — средняя (ограниченный набор инструментов).
Машинное зрение — ограниченная интеграция.
Коллаборативные возможности — нет.
Начальные инвестиции — низкие.
Стоимость внедрения — 15-30% от стоимости робота.
Срок окупаемости — 1-2 года.
Стоимость обслуживания — 3-5% годовых от стоимости.
Требования к персоналу — низкая квалификация.
Надежность (MTBF, часы) — 50000-70000.
Затраты на переналадку — низкие.
Потребность в запчастях — низкое.

• 4. Роботы SCARA. Особенность конструкции: жестко закреплённый робот в вертикальной плоскости и подвижный в горизонтальной, перемещается по осям X, Y, Z и вращается вокруг оси Z. Обладает высокой скоростью и точностью. Применяется в медицинской и фармацевтической промышленности, приборостроении, электронике. Лидерами в производстве роботов SCARA можно отметить компании Epson, Yamaha и Stäubli.

Количество степеней свободы — 3-4.
Рабочая зона — цилиндрическая, ограниченная.
Грузоподъемность (кг) — 1-50.
Макс. вылет (мм) — 400-1300.
Повторяемость (мм) — ±0.01-0.02 .
Макс. скорость (м/с) — 3-5.
Масса робота (кг) — 20-120.
Монтажное положение — потолок, реже пол.
Класс защиты — IP40-IP65.
Основные области применения — электроника, фармацевтика, сборка мелких изделий.
Типовые операции — сборка, укладка, pick-and-place, дозирование.
Требуемая инфраструктура — чистые помещения, точное позиционирование.
Время цикла (стандартные операции) — 0.3-5 с.
Сложность интеграции — низкая-средняя.
Совместимость с оборудованием — высокая для прецизионных задач.
Машинное зрение — интеграция компактных 2D систем.
Коллаборативные возможности — минимальные.
Начальные инвестиции — средние.
Стоимость внедрения — 20-35% от стоимости робота.
Срок окупаемости — 1-2 года.
Стоимость обслуживания — 3-6% годовых от стоимости.
Требования к персоналу — средняя квалификация.
Надежность (MTBF, часы) — 50000-70000.
Затраты на переналадку — низкие.
Потребность в запчастях — низкое.

• 5. Дельта-роботы (параллельные роботы). Конструктивно параллельные роботы отличаются от вышеуказанных шарнирных и SCARA роботов: общая рабочая платформа соединена с рабочим органом тремя и более рычагами. Дельта-роботы способны развивать огромную скорость и ускорение (до 200 операций в минуту). Отлично подходят для операций сортировки, упаковки, извлечения и перемещения (pick and place) в таких производственных отраслях, как фармацевтика, пищевая, лёгкая промышленность, электроника. Самыми крупными производителями являются ABB, Kawasaki и Fanuc.

Количество степеней свободы — 3-6.
Рабочая зона — полусферическая.
Грузоподъемность (кг) — 0.5-8.
Макс. вылет (мм) — 800-1600.
Повторяемость (мм) — ±0.01-0.03.
Макс. скорость (м/с) — 10-12.
Масса робота (кг) — 35-250.
Монтажное положение — потолок.
Класс защиты — IP54-IP65.
Основные области применения — пищевая промышленность, сортировка, упаковка.
Типовые операции — высокоскоростной pick-and-place, сортировка.
Требуемая инфраструктура — жесткое потолочное крепление.
Время цикла (стандартные операции) — 0.3-2с.
Сложность интеграции — средняя.
Совместимость с оборудованием — специализированная для сверхбыстрых задач.
Машинное зрение — интеграция с высокоскоростными камерами.
Коллаборативные возможности — нет.
Начальные инвестиции — средне-высокие.
Стоимость внедрения — 20-40% от стоимости робота.
Срок окупаемости — 1-2,5 года.
Стоимость обслуживания — 4-8% годовых от стоимости.
Требования к персоналу — высокая квалификация.
Надежность (MTBF, часы) — 35000-50000.
Затраты на переналадку — средние.
Потребность в запчастях — среднее.

Приведём технические характеристики самых популярных промышленных роботов на рынке:

Тип робота и производитель — KUKA (шарнирные).
Модельный ряд (грузоподъемность) — 3-1300 кг.
Точность (мм) — ±0.1-0.2.
Повторяемость (мм) — ±0.03-0.1.
Энергопотребление (кВт) — 1.5-20.
Макс. момент по осям (Нм) — 30-10000.
Рабочая температура — +5°C до +55°C.
Срок службы — 40000 ч / 10-15 лет.
Требования к обслуживанию — каждые 10000-20000 ч.
Относительная стоимость — высокая.

Тип робота и производитель — ABB (шарнирные).
Модельный ряд (грузоподъемность) — 4-800 кг.
Точность (мм) — ±0.1-0.25.
Повторяемость (мм) — ±0.02-0.1.
Энергопотребление (кВт) — 1.8-18.
Макс. момент по осям (Нм) — 25-6800.
Рабочая температура — +5°C до +52°C.
Срок службы — 40000 ч / 10-15 лет.
Требования к обслуживанию — каждые 10000-20000 ч.
Относительная стоимость — высокая.

Тип робота и производитель — Epson (SCARA).
Модельный ряд (грузоподъемность) — 1-20 кг.
Точность (мм) — ±0.01-0.03.
Повторяемость (мм) — ±0.01-0.02.
Энергопотребление (кВт) — 0.4-1.5.
Макс. момент по осям (Нм) — 5-100.
Рабочая температура — +5°C до +40°C.
Срок службы — 50000 ч / 7-12 лет.
Требования к обслуживанию — каждые 6000-8000 ч.
Относительная стоимость — средняя.

Тип робота и производитель — Yamaha (SCARA).
Модельный ряд (грузоподъемность) — 1-50 кг.
Точность (мм) — ±0.01-0.04.
Повторяемость (мм) — ±0.01-0.03.
Энергопотребление (кВт) — 0.5-2.
Макс. момент по осям (Нм) — 4-120.
Рабочая температура — +5°C до +40°C.
Срок службы — 45000 ч / 7-10 лет.
Требования к обслуживанию — каждые 5000-7000 ч.
Относительная стоимость — средняя.

Тип робота и производитель — Fanuc (параллельные).
Модельный ряд (грузоподъемность) — 0.5-8 кг.
Точность (мм) — ±0.02-0.05.
Повторяемость (мм) — ±0.01-0.03.
Энергопотребление (кВт) — 1-3.
Макс. момент по осям (Нм) — 10-40.
Рабочая температура — +5°C до +45°C.
Срок службы — 30000 ч / 5-8 лет.
Требования к обслуживанию — каждые 4000-6000 ч.
Относительная стоимость — средне-высокая.

Краткая история развития промышленных роботов

1937 год — «Билл» Гриффит П. Тейлор создал первого промышленного робота, похожего на подъёмный кран. Робот имел 5 осей перемещения, включая захват и вращение. Движение осуществлялось с помощью электродвигателя. Автоматизация обеспечивалась использованием перфоленты для подачи питания на соленоиды, которые приводили в движение рычаги управления краном.
1954 год — Джордж Девол подал заявку на получение первых патентов в области робототехники (были выданы в 1961 году).
1956 год — Джордж Девол и Джозеф Ф. Энгельбергер создают робототехническую компанию и гидравлических роботов-манипуляторов Unimation. Позже технологии были преданы компаниям Kawasaki Heavy Industries и GKN, которые производили Unimate в Японии и Англии.
1969 год — Виктор Шейнман из Стэнфордского университета изобрёл Стэнфордский манипулятор, полностью электрический 6-осевой шарнирный робот. Затем Шейнман сконструировал второй манипулятор для Массачусетского технологического института. Позже учёный продал свои разработки компании Unimation, которая вместе General Motors, выпустила на рынок робота под названием Программируемая универсальная машина для сборки (PUMA).
1970-е гг. — несколько крупных японских компаний начинают производить аналогичных Unimate промышленных роботов.
1973 год — начинается бум промышленной робототехники в Европе. Появились первые коммерческие промышленные роботы-манипуляторы компаний ABB Robotics и KUKA Robotics.
Конец 1970-х гг. — многие крупные американские компании такие, как General Electric и General Motor, которые создали совместное предприятие FANUC Robotics с японской компанией FANUC LTD, начинают заниматься созданием и продажами промышленных роботов. Среди американских стартапов были Automatix и Adept Technology, Inc.
1984 год — в разгар бума робототехники компания Unimation была приобретена Westinghouse Electric Corporation.
1988 год — Westinghouse продала Unimation компании Stäubli Faverges SCA из Франции (в конце 2004 года Stäubli купила роботизированное подразделение Bosch).
Лишь нескольким неяпонским компаниям удалось выжить на этом рынке, и крупнейшими из них были: Adept Technology, Stäubli, шведско-швейцарская компания AAsea Brown Boveri, немецкая компания KUKA Robotics и итальянская компания Comau.

Современные тенденции развития промышленной робототехники

По данным Международной федерации робототехники (International Federation of Robotics, IFR), которая недавно опубликовала отчёт World Robotics 2025, за 2024 год во всём мире было внедрено более полумиллиона промышленных роботов, а к 2028 году количество установленных роботов за год увеичится до 700 тысяч устройств. Лидерами использования промышленной робототехники являются Китай, Япония, США, Корея, Германия.
Эволюция промышленной робототехники обусловлена появлением новых абициозных задач в производственных процессах. С внедрением искусственного интеллекта значительно расширяется горизонт использования и процесс обучения современных промышленных роботов. Создание виртуальных моделей, или цифровых двойников, рабочей зоны (ячейки) позволяет моделировать, оптимизировать рабочий процесс без высоких затрат. Появляются новые коллаборативные роботы (коботы), способные безопасно работать «плечо к плечу» с человеком, развиваются автономные роботизированные мобильные логистические платформы (AMR), позволяющие создавать гибкие производственные решения без создания дорогостоящей инфраструктуры. Можно с уверенностью сказать, что будущее любого производства — это промышленные роботы.

В заключении предлагаем посмотреть видео «Промышленные роботы» канала МГТУ «СТАНКИН» RUTUBE