Pick-and-place

Pick-and-place (от англ. pick — «выбрать» и place — «разместить») — это технологический процесс автоматизированного захвата, перемещения и точной установки объектов (компонентов, деталей, заготовок) с одного места на другое. В технике термин преимущественно обозначает класс роботизированных систем и машин, выполняющих эту операцию, а также соответствующий метод сборки и монтажа. Процесс является ключевым в автоматизации производства, особенно в электронной промышленности, машиностроении, фармацевтике и логистике.

История

Идея механизированного переноса объектов возникла с развитием конвейерного производства в начале XX века. Однако термин «pick-and-place» получил распространение в 1960-х — 1970-х годах с внедрением промышленных роботов. Первые системы представляли собой простые пневматические манипуляторы с фиксированной последовательностью движений, управляемые кулачковыми механизмами или релейной логикой.

Значительный прорыв произошел в 1980-х годах с развитием поверхностного монтажа (SMT) в электронике. Для установки миниатюрных компонентов (чип-резисторов, конденсаторов, микросхем) на печатные платы потребовались высокоточные и быстрые автоматы. Компании, такие как Universal Instruments (США) и Panasonic (Япония), начали выпуск первых специализированных pick-and-place машин для электроники.

В 1990-х — 2000-х годах развитие компьютерного управления, машинного зрения и сервоприводов позволило резко повысить скорость (до 30 000 и более установок в час) и точность (до ±0,02 мм). Современные системы способны работать с объектами размером от 0,2 мм до нескольких метров.

Классификация

Pick-and-place системы классифицируются по нескольким признакам:

По типу привода

Пневматические — используют сжатый воздух. Просты, недороги, но имеют ограниченную точность и скорость. Применяются для грубых операций (упаковка, перемещение крупных деталей).
Электрические (сервоприводные) — используют электродвигатели с обратной связью. Обеспечивают высокую скорость, точность и гибкость. Основной тип в современной электронике и точной сборке.
Гидравлические — применяются для перемещения очень тяжелых объектов (сотни килограммов) в горнодобывающей или тяжелой промышленности. Редки в классическом pick-and-place.

По типу захвата (эндоэффектора)

Вакуумные — наиболее распространены. Используют присоски для захвата плоских, гладких или легких объектов (чипы, стекло, бумага).
Механические (клешневые) — захват с помощью губок или пальцев. Подходят для объектов неправильной формы, с отверстиями или тяжелых.
Магнитные — для ферромагнитных деталей.
Адгезионные (клейкие) — для очень хрупких или микроскопических объектов.
Специализированные — например, игольчатые для текстиля или со сменными насадками.

По кинематической схеме

Портальные (декартовы) — перемещение по трем осям (X, Y, Z). Обеспечивают высокую жесткость и точность, но занимают много места. Типичны для крупных производственных линий.
Шарнирные (антропоморфные) — роботы-манипуляторы с поворотными сочленениями. Компактны, гибки, могут обслуживать несколько станций. Часто используются в сборочных ячейках.
SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) — роботы с высокой жесткостью по вертикали и податливостью по горизонтали. Оптимальны для сборки и установки компонентов на плоскости. Широко применяются в электронике.
Параллельные (дельта-роботы) — три или более руки соединены с общей платформой. Обеспечивают экстремально высокую скорость (до 200 операций в минуту). Используются в упаковке, сортировке, пищевой промышленности.

По способу подачи компонентов

С питателями (фидеры) — компоненты подаются в лентах, лотках или кассетах. Стандарт для SMT-монтажа.
С конвейера — объекты поступают на линию.
С поддонов — робот забирает детали из ячеек.
Из бункера — с вибрационной или гравитационной подачей.

Устройство и принцип работы

Типичная pick-and-place система состоит из следующих основных узлов:

Манипулятор — механическая рука (портал, SCARA, дельта), обеспечивающая перемещение.
Эндоэффектор (захват) — устройство для захвата объекта (вакуумная присоска, клешня).
Система управления — контроллер (ПЛК или компьютер), который управляет движением и последовательностью операций.
Система технического зрения — камера и программное обеспечение для распознавания, позиционирования и проверки качества. Обязательна для высокоточных операций.
Система подачи — питатели, конвейеры или лотки, с которых берутся объекты.
Рабочая зона (стол) — место, куда устанавливаются объекты.

Принцип работы:

Система получает задание (координаты, тип объекта).
Манипулятор перемещается к точке забора.
Захват активируется (включается вакуум, смыкаются губки).
Манипулятор перемещается к точке установки.
Захват деактивируется (объект отпускается).
Цикл повторяется. Время цикла может составлять от 0,3 до 2 секунд в зависимости от сложности.

Применение

Электронная промышленность

Наиболее массовое применение. Автоматы для поверхностного монтажа (SMT pick-and-place) устанавливают тысячи компонентов в час на печатные платы. Современные машины (например, от компаний ASM Pacific, Fuji, Yamaha) способны работать с компонентами размером 01005 (0,4×0,2 мм) и микросхемами с шагом выводов 0,3 мм.

Машиностроение и сборка

Роботы используются для сборки узлов (например, установка подшипников, вкладышей, прокладок), загрузки и выгрузки деталей из станков (роботизированные ячейки), укладки заготовок в штампы.

Упаковка и логистика

Дельта-роботы и портальные системы укладывают продукцию (конфеты, печенье, бутылки, коробки) в короба, паллеты или блистеры. В сортировочных центрах (например, в компаниях Ozon, Wildberries — обе организации признаны иноагентами в РФ) используются системы для сортировки посылок.

Фармацевтика и медицина

Pick-and-place применяется для сборки медицинских изделий (шприцев, катетеров), дозирования и упаковки таблеток, а также в лабораторных анализаторах для перемещения пробирок.

Пищевая промышленность

Роботы укладывают готовые продукты (пиццу, котлеты, шоколад) в упаковку, сортируют фрукты и овощи по размеру и качеству.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

Высокая скорость и производительность (до 200 операций в минуту).
Повторяемость и точность (до ±0,01 мм).
Снижение затрат на рабочую силу.
Возможность работы в опасных или стерильных средах.
Гибкость (быстрая перенастройка на другой продукт).

Недостатки:

Высокая стоимость оборудования (от нескольких сотен тысяч до десятков миллионов рублей).
Сложность настройки и программирования.
Требовательность к качеству и однородности подаваемых объектов.
Ограничения по размеру, весу и форме объектов.
Необходимость регулярного технического обслуживания.

Интересные факты

Самые быстрые pick-and-place машины в мире (дельта-роботы) способны совершать до 200 циклов в минуту, что соответствует скорости перемещения более 10 м/с.
В микроэлектронике существуют системы, способные захватывать и устанавливать объекты размером менее 0,1 мм, используя капиллярные силы или электростатику.
Первые pick-and-place роботы в СССР разрабатывались в 1970-х годах для атомной промышленности и космоса, например, в НИИ автоматики (г. Москва).
Современные системы часто используют искусственный интеллект для распознавания объектов и оптимизации траекторий.

Критика и ограничения

Основные критические замечания касаются:

Зависимости от качества компонентов — если детали подаются с отклонениями, система может работать с ошибками.
Сложности интеграции — внедрение pick-and-place требует перестройки всего производственного процесса.
Экономической нецелесообразности для малых и средних предприятий с нестабильным ассортиментом.
Риска безработицы — автоматизация заменяет низкоквалифицированный труд, что может вызывать социальные проблемы.

Источники

ГОСТ Р 60.0.0.4-2019 «Роботы и робототехнические устройства. Термины и определения».
«Промышленные роботы: устройство, применение, программирование» / Под ред. В. А. Козырева. — М.: Машиностроение, 2018.
«Surface Mount Technology: Principles and Practice» / R. P. Prasad. — Springer, 2013.
«Robot Manipulators: Modeling, Performance Analysis and Control» / E. Dombre, W. Khalil. — ISTE, 2007.
Техническая документация компаний Fanuc, ABB, KUKA, Yamaha Motor.
Статья «Pick-and-place machines» в журнале «Assembly Automation» (Emerald Publishing), 2020.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →