для чего нужны промышленные роботы
Главное о промышленных роботах: виды, сферы использования и лучшие производители
Автоматизация производства — выгодный подход к ведению любого бизнеса. Решающую роль в этом процессе играют промышленные роботы, которые все чаще встречаются на крупных предприятиях и заводах. В этой статье речь пойдет о видах подобных устройств, сферах их применения, а также о хорошо зарекомендовавших себя производителей этой чудо-техники.
Что такое промышленные роботы?
Промышленные роботы — техника, которая полностью автоматизирована. Она состоит из манипулятора и системы управления. Роботы перед началом работы программируются: им задают параметры, необходимые для выполнения определенных задач, включающих перемещение по траектории и движение органов манипулятора.
Перемещение промышленного робота внутри зданий и сооружений происходит путем передвижения по монорельсам либо напольной колее, а процесс управления им выполняется с помощью:
Роботы в промышленности имеют большой перечень использования. Основными направлениями можно назвать следующие категории:
Далее рассмотрим основные виды промышленных роботов и принципы их работы.
Специализированные роботы
Специализированные промышленные роботы используются в области паллетирования, сварочных работ и покраске. Поговорим о каждой более детально.
Покрасочные работы
Покраска деталей любого типа с помощью промышленного робота всегда приносит желаемый и качественный результат. При правильном программировании материал наносится равномерно, без капель и разводов. Также благодаря роботизированной окраске исключается риск отравления организма опасными парами краски.
Сварочные работы
Сварочные работы, производимые специализированными роботами, значительно экономят время и затраты на рабочую силу. Они способны создавать конструкции, от простейших до самых сложных. Разделить сварочные роботы можно на следующие категории:
Паллетирование
Робот-паллетизатор способен как загружать товар на поддон, так и разгружать его для дальнейшей транспортировки. Робот-укладчик умеет передвигать грузы от нескольких килограммов до тонн. Он может работать сутками, сортируя любую продукцию при помощи программирования.
Для справки. Паллетирование — процесс размещения предметов на транспортируемые поддоны в рамках логистического цикла.
Роботы-манипуляторы
В основном робот-манипулятор состоит из 7 сегментов:
Благодаря слаженной работе всех сегментов, движения робота осуществляются плавно и точно.
Традиционные роботы-манипуляторы
Такие роботы способны совершать сложные манипуляции под разными углами. Для перемещения деталей техника может использовать специальные захваты или пневматические присоски.
Дельта-роботы
Такие роботы чаще всего применяются в пищевой, фармацевтической и электронной промышленности. Дельта-роботы трудятся на конвейерах, раскладывая мелкие детали с высокой точностью и скоростью.
Роботы типа SCARA
Для справки. SCARA — это кинематика, основанная на рычажной системе. За счет вращательного рычажного механизма происходит перемещение конечного звена в плоскости.
Роботы типа SCARA — незаменимые работники в условиях ограниченного пространства. Такие автоматизированные устройства особенно выгодно использовать для сборки узлов, которые вкладывают одну деталь в другую и не требуют соединения. Важной функцией в работе робота является способность выпрямлять и сгибать рабочий «локоть» в одной плоскости, используя при этом минимальное пространство.
Роботы для обслуживания станков
Такие роботы трудятся совместно со станками, обеспечивая загрузку последних материалами в круглосуточном режиме. Так, производительность станка увеличивается на 20 %. Процесс проходит следующим образом: рука-манипулятор загружает сырье в станок, а после обработки робот вынимает готовую деталь.
Обратите внимание! Один робот может обслуживать сразу несколько станков.
Коллаборативные роботы
Коллаборативные роботы (сокращенное название «коботы») работают совместно с человеком. Коботы очень компактны и безопасны для человека. Это отличный помощник, который не знает усталости и не теряет внимательности.
Основная сфера применения коботов — это автомобилестроение и производство электроники. Не менее популярными операциями являются погрузка, перемещение и сборка.
Для чего нужны: области применения
Чаще всего промышленные роботы находят применение на крупных заводах и предприятиях. Их главная особенность в том, что они способны работать в круглосуточном режиме без участия человека. Достаточно только специальной программы, которая будет управлять роботом.
На заметку. С помощью промышленных роботов можно создать полный производственный цикл, который будет отличаться особой точностью и в то же время снизит риск возникновения ошибок вследствие человеческого фактора.
Автомобильная промышленность
Автомобильная промышленность — лидер по использованию в производственном цикле роботов. Такое решение позволяет существенно сократить время и обезопасить процесс.
Автопром потребляет треть всех автоматизированных систем в мире, выступая в роли основного двигателя в развитии промышленной робототехники.
Сегодня на любом автомобильном заводе или конструкторском бюро можно встретить все меньше людей и все больше роботов. Будущие машины практически полностью производят роботы: они проектируют, сваривают, собирают и даже окрашивают транспортные средства. Такой подход позволяет повысить рентабельность и сделать гибким сам процесс производства, минимизируя при этом риск возможных ошибок.
Производство электроники
Использование промышленных манипуляторов при производстве электроники позволяет оптимизировать процесс. Промышленные роботы дают возможность любой компании автоматизировать график производства и практически полностью исключить ручные задачи. Подобные манипуляторы быстро окупаются за счет существенного снижения себестоимости продукции. Перечислим основные преимущества от использования промышленных роботов при производстве электроники:
Пищевая промышленность
Использование роботов в пищевой промышленности набирает все большую популярность. Подобные автоматизированные механизмы применяют как при первичной, так и при вторичной переработке продуктов. Перечислим основные сферы производства, в которых успешно применяют труд роботов:
Роботы в пищевой промышленности — это не просто дань модным тенденциям. Такой подход к ведению бизнеса позволит быстро окупить затраты на автоматизированные устройства и в дальнейшем снизить себестоимость продукции.
Сельское хозяйство
Чаще всего в сельском хозяйстве используют так называемых полевых роботов. Есть и другие категории. Перечислим их:
Рост затрат на сельскохозяйственную продукцию, повышение спроса и увеличение численности населения стимулируют массовую автоматизацию сельского хозяйства. Сегодня роботы помогают справиться с несколькими задачами — они обрабатывают и удобряют почву, занимаются посадкой растений и надоем скота, кормят и поят животных. Использование такой техники в сельском хозяйстве позволяет достичь положительных результатов, а именно:
Лучшие производители в мире
На рынке существует большое количество промышленных роботов, но стоит рассмотреть основных лидеров в этой сфере.
Fanuc
Fanuc — японская компания, поставляющая на рынок высокопроизводительные роботы-манипуляторы. Одной из лучших моделей разработчика является робот FANUC LR Mate 200iD/7LC. Он предназначен для лабораторий и чистых помещений. Эта модель обладает высокой досягаемостью и производительностью.
Hanwha
Hanwha — ведущая южнокорейская компания, которая представила рынку коллаборативный робот HCR-5A, хорошо зарекомендовавший себя во всем мире.
HCR-5A — робот, обладающий высокой точностью к производимым операциям. Может выполнять любые поставленные задачи, а именно:
Kuka — немецкая компания, специализирующаяся на производстве промышленных роботов. Фирма может похвастаться своей моделью KR 420 R3080 (KR 500 FORTEC). Данный робот имеет увеличенную рабочую зону и может справляться с большими весами при своих небольших размерах. Монтирование устройства возможно как на полу, так и на потолке. Робот характеризуется высокой производительностью и эффективностью.
Перспектива использования и преимущества
Решения по автоматизации производства на базе применения промышленных роботов наиболее верные. Такой подход позволит обеспечить полный цикл производства с минимальным вмешательством человеческого труда.
Преимущества использования промышленных роботов в производстве следующие:
Пандемия, вызванная коронавирусной инфекцией, ускорила внедрение цифровых технологий абсолютно во все сферы жизни. Более 40 % компаний из 45 стран планируют автоматизировать производственные процессы полностью или частично. И если раньше роботы были доступны только для крупного производства, то в условиях посткризисной реальности малые и средние заказчики все чаще проявляют интерес к подобной технике.
Что нужно знать, выбирая робота на производство: гид
Основатель стартапа Aripix Robotics
Андрей Спиридонов, основатель и генеральный директор Aripix Robotics, рассказывает, где и для чего нужны роботы на заводе, сколько будет стоить роботизация производства и как понять, действительно ли вашему предприятию нужен робот.
Внедрение роботов на заводах — глобальный тренд. По плотности роботизации производств первенство у Сингапура и Южной Кореи, по скорости лидирует Китай. Но, по данным Национальной ассоциации участников рынка робототехники (НАУРР), и отечественные промышленники постепенно обновляют производства.
Исполнительный директор НАУРР Алиса Конюховская отмечает, что одним из сдерживающих факторов стал «кадровый голод»: «В РФ 80 интеграторов, способных внедрить “под ключ” оптимальное техническое решение». Поэтому, прежде чем обновлять оборудование, промышленнику стоит разобраться в том, какие задачи могут решать современные роботы, какими «навыками» они овладеют в ближайшей перспективе, а также сориентироваться, как соотносятся возможности машин и их стоимость.
Для чего нужны роботы на производстве
Полностью роботизированных предприятий в мире единицы. Однако эксперты ожидают, что к 2025 году 25% всех промышленных операций будут выполнять машины.
Как выбрать робота для производства? Стоит оттолкнуться от задач и экономики предприятия. Обоснованность применения роботов на каждом из этапов производства различна.
На начальном этапе можно обойтись без роботов. Для грубой обработки болванок достаточно станков-полуавтоматов.
С обработкой заготовок лучше справятся роботы. Уровень решения зависит от специфики производства и операции. Если производство массовое или крупносерийное, то обычного программируемого робота-манипулятора будет достаточно для покраски изделий, обслуживания термопласт-автомата или перемещения и установки заготовок в станок.
Интеллектуальный робот с машинным зрением, способный оценивать эффективность выполнения операции и корректировать свои действия, потребуется для полной автоматизации сварки, сборки изделий или выполнения другой тяжелой рутинной и вредной работы.
Сейчас на московском заводе ГК «Москабельмет» промышленные испытания проходит робот-манипулятор Aripix A1. Оснащенный машинным зрением, он будет бесперебойно загружать в плавильную печь до 50 тонн металла в сутки, выполняя тяжелую, рутинную и вредную для здоровья людей работу.
Роботы лучше людей исключат брак, а качественные изделия поместят в контейнеры.
Для перевозки заготовок и продукции на склад подойдут логистические роботы. Если для перемещения груза есть ограниченный для доступа человека коридор, то достаточно крана или простой тележки с мотором. А для работы в одном пространстве с человеком необходимы интеллектуальные роботы. Например, такие решения производят Eiratech Robotics и Ronavi Robotics.
Для фасовки и упаковки однотипных изделий на массовом производстве хватит автоматов. Если же надо собрать из разных предметов набор, то нужны роботы.
Решение с машинным зрением и универсальным захватом подойдет идеально, особенно если содержимое коробок и их размер вариативны.
Роботы хорошо справятся с задачей подачи деталей к станкам, наносящим маркировку. Если детали точно спозиционированы, например, сложены стопками на поддонах, то достаточно простого робота-манипулятора.
Если изделие надо выбирать из множества других, лежащих в беспорядке, то потребуется умный робот с машинным зрением.
Для перемещения коробок на паллеты лучше использовать роботов. Их конфигурация зависит от точности позиционирования коробок. Если они размещены ровными рядами, то достаточно простого робота-манипулятора. Одно из лучших решений в этой сфере — Kuka KR Quantec PA Arctic.
А вот более свежая разработка — робот Handle от Boston Dynamics — обладает зрением и системой датчиков, контролирующих прилагаемое усилие, благодаря этому он может по маркировке найти нужный поддон, с определенным усилием снять коробку и перевезти ее в заданное место.
Умные промышленные роботы обладают большей гибкостью и более широким потенциалом применения. Они требуют минимальной оснастки, их проще настраивать и перенастраивать, но и стоят они в полтора-два раза дороже простого программируемого собрата.
Цена роботизации производства
Ценовой диапазон варьируется от одного до 20 млн рублей, и это не предел. Чем больше мощность и грузоподъемность робота, тем выше цена. Интеллектуальная начинка тоже добавляет стоимость. Система машинного зрения стоит от 300 тысяч до трех миллионов рублей.
Самый простой захват (присоски) — пять тысяч рублей, но удерживать он может только легкие, до килограмма, предметы. А вот сложный захват с датчиками и пневматикой для сварки обойдется уже в миллион рублей. Еще 500-600 тысяч будут стоить датчики безопасности и ограждение, если робот монтируется в цеху, по которому ходят люди.
Отдельная статья расходов — внедрение. Стоимость инсталляции простого решения — робота без машинного зрения для выполнения одной-двух операций с одним типом деталей — сравнима со стоимостью робота (и может превысить ее в два раза при интеграции сложных решений).
По мере развития технологий и роста вариативности разработок в сфере робототехники трансформируется концепция производств, расширяется спектр операций, с которыми роботы справляются лучше людей, и меняется видение того, какие задачи стоит отдать на откуп машинам, а какие — оставить за человеком.
Как будут развиваться промышленные роботы
В эпоху цифровых технологий эволюция машин вышла на новый уровень. Среди разработок стоит выделить три перспективных направления.
Интеллект и обучаемость
Хотя мыслящих машин, выполняющих сложные действия наравне с человеком, не существует, примитивный искусственный интеллект — уже неотъемлемая черта промышленных роботов. Например, благодаря машинному зрению промышленный робот может выбрать нужный предмет из множества, визуально сравнить его с эталоном и принять решение о соответствии. Это очень полезное умение, когда надо сортировать предметы и исключать брак.
Такие роботы-манипуляторы применяются для сортировки мусора. Например, AMP Robotics Corp (AMP) разработала уникального интеллектуального робота, сортирующего мусор в два раза быстрее и аккуратнее человека.
Робот оснащен машинным зрением и способен не только точно сортировать отходы разной текстуры, формы, веса, но и «запоминать» действия, что позволяет анализировать его работу и улучшать процесс сортировки мусора. Не менее интеллектуального сортировщика отходов разработала и финская компания Zen Robotics.
Востребованы умные машины и в строительстве. Скоро два робота Aripix A1 начнут сортировать керамическую плитку на производстве стеновых панелей на московском заводе ГК «ПИК». Они будут подбирать керамические плитки по цвету, различая 62 оттенка, отбраковывать сколотые и нестандартного размера изделия. Производительность — 24 тысячи плиток в сутки.
Оценка параметров изделия и коррекция алгоритма работы — еще одна задача, с которой успешно справляются интеллектуальные промышленные роботы.
Это умение важно при сварке, покраске, гибке или сборке изделий, когда робот самостоятельно может оценить, то есть сравнить с эталоном, качество выполнения операции, усилие, количество оборотов и времени, которые необходимы для ее выполнения, и оптимизировать свою работу. Например, роботизированные системы фирмы IGM Robotersysteme AG решают задачи, недоступные самому квалифицированному сварщику.
Благодаря нейронным сетям промышленные роботы могут самостоятельно осваивать новые операции — так, научная группа Сергея Левина, доцента Университета Беркли, разработала методику «глубокого визуального прогноза для планирования движения роботов», благодаря ей машина накапливает опыт и применяет его в работе.
Применение нейронных сетей в промышленной робототехнике пока на стадии прототипов, но это перспективное направление. Оснастка, программирование и наладка — две трети стоимости промышленного робота. Способность машин к самообучению снизит эти затраты.
Безопасность и коллаборативность
Коботы, или роботы, способные сотрудничать с человеком в рабочем процессе, — еще одно направление развития робототехники.
По сравнению с промышленными роботами, работающими в «клетках» (изолированных пространствах), коботы обладают более развитым искусственным интеллектом. Они буквально нашпигованы датчиками, чувствительными к движению, прилагаемому усилию и сопротивлению движениям. При малейшей опасности для человека кобот останавливается.
Кобот дешевле промышленного робота, его легко инсталлировать, но грузоподъемность и скорость его работы ниже, чем у промышленных собратьев. В малом и среднем бизнесе, на небольших фабриках или при производстве негабаритных и нестандартных изделий кобот — самый подходящий вариант.
Один из оптимальных представителей семейства коботов — UR-10 от Universal Robots. Благодаря адаптивным системам управления он умеет завинчивать, клеить, паять, делать сварку, выполнять сборку и литье.
Коботы удобны и для работы в лабораториях. Разработчики датчиков и захватов часто тестируют новые решения на коботах.
Универсальность и масштабируемость
Наладка и перенастройка робота на производстве обходится дорого. Решение — RightPick2 с универсальной «рукой»-клешней, совмещенной с присоской, готовой без замены захвата брать самые различные предметы.
Он оснащен камерами глубины и благодаря развитому машинному зрению может сортировать предметы весом до двух килограмм, считывая маркировку.
Обучать персонал и перепрограммировать роботов для работы с новыми предметами — сложно. Разработчики стремятся снять барьер в коммуникации робота и человека. Используя Kaisu System, даже неподготовленный человек быстро научится настраивать робота и управлять им. Оператору достаточно двигать джойстиком в воздухе, чтобы робот освоил необходимые операции.
Еще один простой «тренажер» для машин разработала компания Fanuc. Человеку просто надо указать на экране предмет, который надо отсортировать из лотка.
Дальше всех в будущее заглянули разработчики компании Kuka, реализовавшие принцип матрицы. Суть его в том, чтобы мыслить универсальными производственными ячейками. Каждая из них состоит из нескольких роботов и может выполнять разные операции: сортировку, сборку, упаковку, — такую ячейку можно использовать практически для любой производственной задачи.
Ячейки можно адаптировать под специфику продукта, объем заказов и размеры партии. Принцип матрицы позволяет быстро, как из конструктора, «собрать» промышленное предприятие любого масштаба и универсальной специализации — роботы уже знают свое окружение и стандартные ячейки не надо настраивать. Но универсальная производственная ячейка пока в стадии прототипирования.
Как достичь максимума
Вот о чем следует помнить, выбирая роботизированное решение для производства.
Промышленные роботы в современном производстве
Современное производство трудно представить без автоматики и поточных линий. Промышленная робототехника позволила сделать огромный прыжок в повышении производительности и обеспечении качества продукции. Сегодня выпускается множество роботов различного назначения, в их особенностях стоит разобраться подробнее.
Что такое промышленная робототехника?
Представляет собой специфическую отрасль, связанную с разработкой и изготовлением роботизированных аппаратов и систем, используемых для автоматизации производственных процессов и замены ручного труда человека. Она заявила о себе в 30–50 годах прошлого столетия, а активное развитие получила в 70–80 гг.
Что называют промышленными роботами?
В общем случае промышленные роботы (ПР) — это автоматические устройства, способные осуществлять двигательные и управляющие действия в производственном процессе по заданной программе. Они используются для выполнения разнообразных технологических операций и перемещения предметов без участия человека или под его контролем.
В настоящее время применяются следующие основные типы ПР:
По своему назначению промышленные роботы разделяются на такие виды:
Во всех указанных категориях ПК могут подразделяться на несколько разновидностей. По грузоподъемности выделяются легкие (до 10 кг), средние (11–200 кг), тяжелые (от 200 кг до 1 тн) и сверхтяжелые (более 1 тн) роботы. По маневренности выпускаются подвижные и стационарные аппараты. По способу установки предлагаются напольные, подвесные и встроенные ПК. Выбор робота осуществляется с учетом конкретных производственных задач и условий эксплуатации.
Из чего состоит ПР: устройство
Конструкции ПР зависят от их назначения и типа и могут существенно отличаться друг от друга по форме элементов, компоновке и сложности. Однако функциональная схема у них аналогична. В состав всех роботов входят: механическая часть и система управления. В более сложных аппаратах присутствует информационно-сенсорная система со средствами очувствления.
Механическая часть включает такие элементы:
Система управления базируется на промышленных компьютерах мобильного типа (например, РС/104, MicroPC), а само управление манипулятором осуществляется с ПК и программируемого контроллера. Для программирования используются языки: Forth, Оберон, Компонентный Паскаль, Си. Управление роботами согласовывается с общей системой управления производством (ERP-системой).
Информационно-сенсорная система позволяет адаптировать роботов к изменяющимся внешним условиям. Для обеспечения необходимой чувствительности применяются внутренние датчики перемещения, линейных и угловых скоростей, сил сочленения, а также внешние датчики для получения сведений о состоянии окружающей среды (тактильные, акустические, визуальные, локационные, температурные, химические датчики).
Функции ПР: принцип работы
Современные ПР могут использоваться для перемещения или удержания предметов, а также осуществления технологических операций. Необходимые движения обеспечиваются манипулятором. Часто принцип его работы сравнивается с человеческой рукой, а потому и форму он обычно имеет аналогичную. Движения манипулятора подразделяются на 2 этапа: захват (аналог — кисть руки) и перемещение (плечо и суставы рук) предмета или инструмента. Для этого в сочленениях обеспечивается поступательное и вращательное движение.
Алгоритм действий робота задается программой. Он включает несколько характерных этапов:
Современные ПР оснащены сенсорной системой, способной обеспечить обратную связь. При изменении внешних условий (например, изменился размер предмета или его местонахождение) датчики фиксируют расхождение с программой и сообщают фактические данные.
Важно! Интеллектуальные ПР способны сами принять решение и внести коррективу в УП. Другие роботы передают информацию оператору, который вносит нужные коррективы.
Назначение и схема
Технологические ПР находят применение при осуществлении следующих процессов: контактная и дуговая сварка, плазменная резка, литье, штамповка, фрезерование и сверление, шлифовка и полировка, резание и раскрой материалов, покраска и лакирование, комбинированная обработка, сборка конструкций, упаковка, транспортировка, контроль и измерения и т. д.
Стандартная схема работы технологического ПР приведена на рис. Для осуществления технологического процесса вводится УП. Захват заготовки производится по команде. Для этого обеспечивается поступательное перемещение манипулятора и вращательное движение захватывающего устройства. Далее заготовка перемещается в рабочую зону, где подвергается обработке. При этом рабочий орган обладает возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения. Через датчики обеспечивается обратная связь, учитывающая изменение внешних условий.
Топовые производители
При выборе ПР особое внимание следует обратить на его производителя. Только проверенные компании гарантируют необходимое качество и надежность. Можно выделить несколько топовых производителей.
Fanuc
Компания Fanuc выпускает большой ассортимент роботов различного назначения. Идеальным вариантом для промышленных предприятий, специализирующихся на выпуске небольших электронных устройств, является модель FANUC M-1iA. Она обладает гибким модулем, хорошо имитирующим человеческую руку. Для нее характерна высокая точность и повышенная производительность. При небольшой грузоподъемности она способна обеспечить различные технологические операции. Исполнительный орган имеет форму шарнирного параллелограмма, обеспечивающую высокоскоростную сборку деталей.
Hanwha
Среди продукции компании Hanwha выделяется коллаборативный промышленный робот Hanwha HCR-5 cobot. Он относится к группе легкой грузоподъемности. Может использоваться в автомобилестроении, пищевой и фармацевтической промышленности, при обработке пластика и изготовлении электронных устройств. Имеет манипулятор шарнирного типа. Робот реагирует на внешние изменения. Эффективен при складировании и упаковке, сборке и паллетировании.