Что такое «промышленный робот» и когда он нужен
29 апреля этого года на ВДНХ проходило мероприятие «Робофорум», в ходе которого были организованы различные дискуссии. В одной из них — «Эра роботизации: на пути к прогрессу» — как спикер участвовал и я. Были интересные вопросы, которые я считаю важными для понимания смысла робототехники и ее состояния в России. Предлагаю вашему вниманию расширенные версии моих ответов.
В настоящее время понятие «робот» довольно размыто и в широком смысле описывает невероятно большой класс объектов. Роботами принято называть не только классические манипуляторы, человекоподобные механизмы и мобильные платформы, но даже, в пределе, смартфоны и автомобили с автоматической парковкой. Более того, роботами называют программы-сканеры Интернета поисковых систем Google, Yandex и пр.
Однако, я попытаюсь разобраться только с одним видом — промышленные роботы. Несмотря на такое сужение темы, даже для такого классического направления нет однозначного определения, отличающего промышленного робота от всех прочих устройств, применяемых в автоматизации производств. Возможно это связанно с тем, что большинство определений были введены в оборот еще около 30-40 лет назад, на заре бума электроники и массового применения роботов.
Согласно ГОСТ 25868-85 промышленный робот — 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 (обработка деталей тоже подразумевается — прим. авт.) и управляющих функций».
Если верить ГОСТу, то роботом можно признать, например, любой станок с ЧПУ и не только. Но мы же разделяем эти два класса объектов. Более того, в России и во всем мире идут отдельные серьезные целевые программы по развитию робототехники. Почему роботы выделены отдельно из всех средств автоматизации и так важны? Почему к роботам, а не к станкам приковано внимание СМИ, правительства, технических специалистов и простых людей?
Все дело в их важности в грядущей промышленной революции.
Представим себе задачу: взять деталь из печи, опустить ее для закалки в воду и положить на транспортер. Как это сделать автоматически? Ответ исполнителя заказа на автоматизацию простой — использовать манипулятор.
Первый вариант. Сделать установку целиком, включая манипулятор, «с нуля» на основе промышленных комплектующих (рельсовые направляющие, шарико-винтовые передачи, сервомоторы и пр.).
Чем хорош этот вариант? Тем, что при разработке мы заложим только те характеристики и те комплектующие, что необходимы для выполнения задачи с заданным качеством. Теоретически это дает нам возможность сэкономить. Но так ли это? Дело в том, что разработка манипулятора «с нуля» приводит к значительным затратам на проектирование, испытания и доработки (по нашему, да и мировому опыту, они могут быть кардинальные и происходят не один раз). Ведь первому промышленно работающему изделию предшествуют стенды и опытные образцы. Все это вместе называется «научно исследовательские и опытно-конструкторские работы» или сокращенно НИОКР. В случае штучного заказа все затраты НИОКР грозят лечь на один образец. И не стоит себя обманывать — все это предстоит пройти. Ведь надежная работа годами на конвейере изо дня в день это не тоже самое, что разовое испытание собранного на коленке прототипа.
Второй вариант. Использовать как основу серийных промышленных роботов. Чем хорош это вариант? Тем, что решение задачи можно апробировать у поставщика робота буквально завтра, и, при наличии робота, начать работу, условно говоря, послезавтра. А ведь, как говорят, «время — деньги». И, что очень важно, может оказаться, что, не смотря на возможно излишние характеристики, стоимость такого решения будет меньше, чем суммарная стоимость по первому варианту. Это связанно с тем, что затраты на НИОКР уже «отбились» на большом числе роботов, а серийность их производства дает значительное снижение издержек и, как следствие, цены.
Надо сказать, что правильное встраивание робота в процесс может позволить максимально использовать заложенные в него ресурсы. Так, если их больше чем надо при первоначальной постановке, например, если остается много лишнего времени, то можно добавить операцию откола облоя с отливки или другую нужную операцию. Универсальность кинематики робота это позволяет. Еще одним большим плюсом серийных систем является их постоянное совершенствование производителем и устранение недостатков.
Таким образом, каждый раз, когда мы беремся за проект, мы стоим перед выбором: делать свое или использовать серийных промышленных роботов. С каждым годом выбор в сторону роботов делается все чаще и становится всё более оправданным для проведения даже простых операций.
Итак, мы видим, что роботы являются важнейшей частью промышленной революции. Именно они способны снизить себестоимость продукции и повысить ее качество. Более того, они просто необходимы при создании установок, нацеленных на выпуск индивидуализированных продуктов, выпадающих за пределы стандартов.Хочу также отметить, что необходимо четко понимать границы, когда роботы эффективны, а когда нужно применять или разрабатывать именно станки (установки).
Так что же такое промышленный робот в моем понимании? Опираясь на практику современного использования предлагаю следующее определение:
Промышленный робот — это серийно производимые манипулятор или мобильная платформа, обладающие высокой степенью кинематической универсальности, оснащенные перепрограммируемым устройством управления, конструктивно рассчитанные на встраивание и применение в разных областях техники, используемые при производстве продукции как массовой, так и единичной.
В своем определении я делаю акцент на технико-экономическую сторону использования роботов, выделяющую их из прочих средств автоматизации производства.В завершение хочется сказать, что в настоящее время промышленные роботы не имеют по настоящему широкого применения, т.к. охватили только самые окупаемые сегменты.Но парадокс в том, что чем больше применений, тем они более окупаемые!Поэтому нужны новаторы, которые готовы создавать будущее!
В следующей статье отвечаем на вопрос:«Почему в России так мало роботов?»
Промышленный робот
Промышленный робот — автономное устройство, состоящее из механического манипулятора и системы управления (позволяющей перепрограммировать в широких пределах движения исполнительных органов манипулятора, их количество и траекторию; а также задать другие количественные и качественные параметры конфигурации робота и оснастки), которое применяется для перемещения объектов в пространстве и для выполнения различных производственных процессов.
Промышленные роботы могут выполнять основные технологические операции (сварка, окраска, сборка и др.) и вспомогательные технологические операции (загрузка-выгрузка технологического оборудования, транспортные и др.). При использовании сменной технологической оснастки выполняемые операции могут совмещаться одним роботом.
Промышленные роботы являются одним из компонентов автоматизированных производственных систем (РТК, РТЛ, РТС, РТЯ, ГАП и т.п.), которые пр 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).
История
Появление механических манипуляторов, а затем систем программирования в т.ч. числового программного управления (ЧПУ) привело к созданию промышленных роботов т.е. программируемых манипуляторов для разнообразных операций.
Первые промышленные роботы начали создавать в середине 50-х годов 20 века в США. В 1954 году американский инженер Дж. Девол запатентовал способ управления погрузочно-разгрузочным манипулятором с помощью сменных перфокарт, т.е. получил патент на робот промышленного назначения. Вместе с Д. Энгельбергом в 1956 г. он организовал первую в мире компанию по выпуску промышленных роботов. Ее название «Unimation» (Юнимейшн) является сокращением термина «Universal Automation» (универсальная автоматика).
В 1959 году фирма «Консолидейтед Корпорейшн» (США) опубликовала описание манипулятора с числовым программным управлением (ЧПУ), а в 1960-1961 гг. в американской печати появились первые сообщения о манипуляторах «Transferrobot» и «Eleximan» с ПУ для автоматизации сборочных и других работ. В 1962 году в США были созданы первые в мире промышленные роботы «Юнимейт» ф.»Юнимейшн Инкорпорейд» и «Версатран» ф. «АМФ Версатран». Их сходство с человеком ограничивалось наличием манипулятора, отдаленно напоминающего человеческую руку. Некоторые из них работают до сих пор, превысив 100 тысяч часов рабочего ресурса.
Промышленный робот «Юнимейт» 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.) русск. 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 раскаленных 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 счет механики. Сейчас это соотношение изменилось на противоположное, причем стоимость электроники продолжает снижаться. Предлагаются необычные кинематические схемы манипуляторов. Быстро развиваются технологические роботы, выполняющие такие операции как высокоскоростные резание, окраска, сварка. Появление в 70-х гг. 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 робота
В составе робота есть механическая часть и система управления этой механической частью, которая в свою очередь получает сигналы от сенсорной части. Механическая часть робота делится на манипуляционную систему с захватным устройством или технологическим инструментом и систему перемещения.
Манипуляторы
Манипулятор — это механизм для управления пространственным положением орудий и объектов труда.
Манипуляторы включают в себя подвижные звенья двух типов:
- звенья, обеспечивающие поступательные движения;
- звенья, обеспечивающие вращательные перемещения.
Сочетание и взаимное расположение звеньев определяет степень подвижности, а также область действия манипуляционной системы робота.
Для обеспечения движения в звеньях могут использоваться электрические, гидравлический или пневматический привод.
Частью манипуляторов (хотя и необязательной) являются захватные устройства. Наиболее универсальные захватные устройства аналогичны руке человека — захват осуществляется с помощью механических «пальцев». Для захвата плоских предметов используются захватные устройства с пневматической присоской. Для захвата же множества однотипных деталей (что обычно и происходит при применении роботов в промышленности) применяют специализированные конструкции.
Вместо захватных устройств манипулятор может быть оснащен рабочим инструментом. Это может быть пульверизатор, сварочные клещи, отвёртка и т. д.
Система передвижения
Внутри помещений, на промышленных объектах используются передвижения вдоль монорельсов, по напольной колее и т. д.
Для перемещения по наклонным, вертикальным плоскостям используются системы аналогичные «шагающим» конструкциям, но с пневматическими присосками.
Управление
Управление бывает нескольких типов:
- Программное управление — самый простой тип системы управления, используется для управления манипуляторами на промышленных объектах. В таких роботах отсутствует сенсорная часть, все действия жёстко фиксированы и регулярно повторяются. 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. Может происходить с помощью ПК или программируемого логического контроллера.
- Адаптивное управление — роботы с адаптивной системой управления оснащены сенсорной частью. Сигналы, передаваемые датчиками, анализируются и в зависимости от результатов принимается решение о дальнейших действиях, переходе к следующей стадии действий и т. д.
- Основанное на методах искусственного интеллекта.
- Управление человеком (например, дистанционное управление).
Принципы управления
Современные роботы функционируют на основе принципов обратной связи, подчинённого управления и иерархичности системы управления роботом.
Иерархия системы управления роботом подразумевает деление системы управления на горизонтальные слои, управляющие общим поведением робота, расчётом необходимой траектории движения манипулятора, поведением отдельных его приводов, и слои, непосредственно осуществляющие управление двигателями приводов.
Подчинённое управление
Подчинённое управление cлужит для построения системы управления приводом. Если необходимо построить систему управления приводом по положению (например, по углу поворота звена манипулятора), то cистема 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 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 осуществляться системой управления промышленным предприятием (ERP-системой), согласующими действия робота с готовностью заготовок и станков с числовым программным управлением к выполнению технологических операций.
Рядом стоящие шкафы современных систем управления двух промышленных роботов FANUC R-2000iB
Внутри стойки управления: общий вид
Внутри стойки управления: ЧПУ (в корзине из пластика жёлтого цвета)
Применение промышленного робота
Различные аспекты применения промышленных роботов рассматриваются, как правило, в рамках типовых проектов промышленного производства — исходя из требований выбирается оптимальный вариант, использующий необходимый для данной задачи тип роботов, их количество, а также решающий 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 т.ч. операции по загрузке и выгрузке технологического оборудования.
Среди самых распространённых действий, совершаемых промышленными роботами можно назвать следующие:
- загрузка / разгрузка технологических машин, станков;
- манипулирование деталями (например: укладка, сортировка, транспортировка и ориентация);
- перемещение деталей и заготовок от станка к станку или от станка к системам сменных палет;
- сварка швов и точечная сварка;
- сборка механических и электрических деталей;
- сборка электронных деталей;
- покраска;
- укладка кабеля;
- выполнение операций резания с движением инструмента по сложной траектории и др.
«Быстрее, выше, умнее»
Конечно, в дальнейшем роботы будут только развиваться. Сегодня тысячи талантливых ученых и инженеров по всему миру продолжают трудиться над тем, чтобы машины становились еще умнее, а качество выполняемых ими задач повышалось. Разрабатываются новые инновационные материалы для создания уникальных механизмов, приумножаются достижения компьютерной техники и программного обеспечения. Помощники в виде роботов уже никогда не уйдут из нашей жизни, а нам лишь остается с любопытством наблюдать за новыми открытиями в области робототехники.
Полина ХИСМАТУЛЛИНА
Умные машины облегчат труд селян
Тяжёлую работу учёные поручат роботам. О перспективах развития робототехники в АПК мы говорим с заведующей кафедрой механики аграрного вуза Натальей Воробьёвой. В настоящее время она руководит проектом по разработке манипулятора с управляемым захватным устройством – работа ведётся на средства гранта Российского фонда фундаментальных исследований.
— Наталья Сергеевна, насколько востребованы сегодня роботы в производстве, в том числе в сельском хозяйстве?
— Основными направлениями использования роботов в отраслях народного хозяйства в настоящее время являются промышленность, сельское хозяйство, космическая и военная техника, медицина. Сельскохозяйственное производство характеризуется разнообразностью работ и технологических процессов, соответственно, и областей применения роботов довольно большое количество. Роботы сельскохозяйственного назначения должны быть не столько универсальными, сколько узконаправленными на конкретный вид работы.
— А чем именно занимаются умные машины в АПК?
— Сельскохозяйственные роботы можно разделить на 5 основных классов: для растениеводства, животноводства, роботы для погрузочно-разгрузочных и транспортных операций, роботы для природообустройства, ландшафтных и садово-парковых работ, а также роботы для первичной переработки сельскохозяйственной продукции. Под первичной обработкой имеются в виду сортировка плодов и овощей, пакетирование и затаривание, разделка и филирование туш животных и тушек птиц и рыб. Зарубежный опыт механизации сельскохозяйственного производства показывает, что создание агророботов развивается в направлении использования их для уборки фруктов, посадки и прополки растений, ухода за культурными и лесными насаждениями, дренирования и орошения, доения коров и многих других работ, где присутствует монотонный и тяжёлый труд.
— А в растениеводстве как могут использоваться роботы?
— Их можно применять как на уборке урожая, так и при возделывании почвы, посадке и посеве сельскохозяйственных культур, междурядной обработке посевов, внесении удобрений, гербицидов и пестицидов, поливе сельскохозяйственных культур, обрезке виноградников и плодовых деревьев, обслуживании теплиц. Существует немало разработок сельскохозяйственных роботов, но, к сожалению, многие так и остались в виде концептуальной модели, не обеспечивают достаточных эффективности и производительности, имеют высокую стоимость, поэтому существующие роботы сельскохозяйственного назначения, как правило, серийно не выпускаются либо существуют в единичных экземплярах как опытные образцы, требующие постоянной доработки.
— Вы сказали про зарубежный опыт. Мы отстаём от иностранных коллег? Почему?
— От зарубежных коллег мы отстаём из‑за недостатка финансирования, поэтому исследования в области сельскохозяйственной робототехники являются необходимыми и перспективными. Это требует изучения особенностей технологических процессов в сельскохозяйственном производстве.
— Расскажите о научной работе в области робототехники, которая ведётся у нас в регионе.
— У нас в вузе над этим трудится целый коллектив. Задел создан по ряду направлений. Во-первых, уже разработана линейка облегчённых роботизированных погрузочных манипуляторов для работы с однотипными штучными грузами в сельском хозяйстве, а также для автоматизации технологических процессов в пищевой, перерабатывающей промышленности с использованием экологичного и энергоэффективного электромеханического привода.
— Что это будут за роботы?
— Например, робот-манипулятор-трипод на подвижном основании и роботизированный погрузочно-транспортный агрегат для сбора сеток с овощами. Второе направление – создание наземных робототехнических комплексов для использования в растениеводстве. Ведутся научные исследования по созданию роботизированного пропольщика: изготовлен экспериментальный образец. И третье направление – создание автоматизированного и роботизированного комплекса машин для уборки овоще-бахчевых культур.
— Появится робот для уборки урожая?
— Не только. Ведутся научные исследования по созданию роботизированного комбайна и бортовых мехатронных систем контроля качества продукции и мониторинга урожайности бахчевых культур в процессе работы. Также мы работаем над цифровизацией процессов сельхозпроизводства. Речь идёт о разработке приборов, бортовых компьютеров, машин и технологических платформ для мониторинга и управления режимами работы машин и агрегатов на основе цифровых технологий. Это, например, система мониторинга работы погрузочного агрегата или система контроля устойчивости мобильного погрузчика.
— А в чем разница между манипулятором-погрузчиком и роботом-манипулятором?
— Манипулятор можно рассматривать в качестве прародителя современных промышленных роботов. По определению промышленными роботами принято называть автоматические манипуляторы с программным управлением для выполнения двигательных и управляющих функций для конкретного технологического процесса. Иными словами, под роботом понимается автоматическая машина, состоящая из исполнительного устройства в виде одного или нескольких манипуляторов и устройства программного управления их движением. Мы считаем этот подход к определению робота устаревшим.
— Почему?
— Он не отражает 13 современных требований к данным видам устройств. Согласно стандарту ISO 8373:2012 под роботом понимается «приводной механизм, программируемый по двум и более осям, имеющий некоторую степень автономности, движущийся внутри своей рабочей среды и выполняющий задачи по предназначению».
— Используют ли роботов волгоградские селяне?
— В основном они используют автоматизированные и роботизированные линии по упаковке и переработке продукции. Как минимум две крупные компании применяют роботов для сбора плодов.
Марина Злобина
Источник: Крестьянская жизнь
Фото: ВолГАУ
Вы можете отметить интересные вам фрагменты текста, которые будут доступны по уникальной ссылке в адресной строке браузера.