Портальный робот

Портальный робот — это тип промышленного робота, манипулятор которого закреплён на портальной (мостовой) конструкции, обеспечивающей линейные перемещения по трём или более осям. В отличие от шарнирных антропоморфных роботов, портальные роботы, как правило, имеют декартову систему координат (X, Y, Z) и работают в прямоугольной рабочей зоне. Основными компонентами являются жёсткая рама (портал), каретка, перемещающаяся по направляющим, и рабочий орган (схват, сварочная головка, фреза, дозатор). Благодаря высокой жёсткости конструкции и точности позиционирования, портальные роботы широко применяются в операциях, требующих больших усилий, высокой повторяемости или обработки крупногабаритных деталей.

История

Развитие портальных роботов неразрывно связано с эволюцией станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и автоматизацией складских систем. Первые прототипы появились в 1950-х — 1960-х годах в США и странах Западной Европы. Первоначально они использовались для автоматизации загрузки-выгрузки тяжёлых заготовок на металлорежущие станки. В 1970-е годы, с развитием микроэлектроники и систем управления, портальные роботы стали применяться в сварке и сборке автомобильных кузовов. В СССР разработкой портальных роботов занимались, в частности, в НИИ «Робот» (Владимир) и в лабораториях робототехники МГТУ им. Н. Э. Баумана. В 1980-х годах появились первые гантри-роботы (от англ. gantry robot) для лазерной резки и фрезерования, что позволило обрабатывать листовые материалы большой площади. С 2000-х годов, благодаря удешевлению сервоприводов и рельсовых направляющих, портальные роботы стали доступны для средних и малых предприятий, а также нашли применение в 3D-печати и аддитивных технологиях.

Классификация

Портальные роботы классифицируются по нескольким признакам.

По типу конструкции

Мостовые (гантри-роботы). Имеют две параллельные балки (портальные стойки), по которым перемещается мост с кареткой. Рабочая зона — прямоугольный параллелепипед. Наиболее распространённый тип, используется для обработки крупногабаритных деталей (например, фрезерование корпусов судов, лазерная резка листового металла).
Консольные (козловые). Одна из сторон портала закреплена жёстко (например, на стене или колонне), а вторая опирается на рельс. Обеспечивают доступ к зоне с одной стороны, что удобно при работе с конвейерными линиями.
Порталы с подвижной балкой. Балка перемещается вдоль станины, а каретка — поперёк балки. Используются в станках для резки материалов (плазма, лазер, гидроабразив).
Линейные модули (осевые системы). Набор из двух-трёх линейных осей, собранных в единую конструкцию. Часто применяются как компоненты для сборки специализированных роботов.

По типу привода

Электрические. Используют серводвигатели и шарико-винтовые передачи (ШВП) или зубчатые рейки. Обеспечивают высокую точность (до ±0,01 мм) и скорость. Наиболее распространены в современной промышленности.
Пневматические. Приводятся в действие сжатым воздухом. Используются для простых операций (перемещение лёгких деталей, упаковка) благодаря низкой стоимости и простоте, но уступают по точности и усилию.
Гидравлические. Применяются для перемещения очень тяжёлых грузов (до нескольких тонн). Отличаются большим усилием, но требуют сложного обслуживания и менее точны.

По числу осей

3-осевые. Перемещение по осям X, Y, Z. Используются для простых задач (загрузка-выгрузка, позиционирование).
4-осевые. Добавляется ось вращения (например, поворот схвата). Позволяет выполнять более сложные операции (сварка, сборка).
5-осевые и более. Обеспечивают дополнительное вращение рабочего органа (например, наклон фрезы). Применяются в высокоточной обработке сложных поверхностей.

Устройство и характеристики

Основные элементы конструкции портального робота:

Рама (портал). Изготавливается из стальных профилей или алюминиевых сплавов. Обеспечивает жёсткость и устойчивость. Для крупных роботов (рабочая зона более 10 м) рама может быть сборной, сварной или литой.
Направляющие. Линейные рельсы (роликовые или шариковые) или направляющие скольжения. От их качества зависят точность и долговечность робота.
Приводы. Серводвигатели с энкодерами, редукторы (планетарные, червячные) или линейные двигатели.
Система управления. Промышленный контроллер (PLC) или компьютер с ЧПУ. Обеспечивает координацию движений, обработку программы и обратную связь.
Рабочий орган (end-effector). Сменный инструмент: схват (пневматический, магнитный, вакуумный), сварочная горелка, лазерная головка, фреза, дозатор, 3D-печатающая головка.
Кабель-каналы и системы безопасности. Защитные кожухи, фотоэлектрические датчики, аварийные выключатели.

Ключевые характеристики:

Рабочая зона (X × Y × Z). Обычно от 0,5 × 0,5 × 0,5 м до 30 × 10 × 5 м и более.
Грузоподъёмность. От 1 кг до 5000 кг и выше.
Точность позиционирования. От ±0,01 мм (прецизионные) до ±1 мм (общепромышленные).
Скорость перемещения. До 2–3 м/с (для лёгких роботов) и до 0,5 м/с (для тяжёлых).
Повторяемость. От ±0,02 мм до ±0,5 мм.

Применение

Портальные роботы находят применение в различных отраслях промышленности, где требуется обработка или перемещение крупногабаритных, тяжёлых или нестандартных изделий.

Обработка материалов

Лазерная и плазменная резка. Робот перемещает резак по программе, обеспечивая высокую скорость и точность раскроя листового металла, пластика, композитов.
Фрезерование. Используется для обработки крупных деталей (корпуса судов, лопасти ветрогенераторов, формы для литья). Портальные роботы с 5-осевой обработкой позволяют создавать сложные трёхмерные поверхности.
Гидроабразивная резка. Применяется для резки материалов, чувствительных к нагреву (стекло, камень, керамика).
3D-печать. Портальные роботы используются в аддитивном производстве для печати крупных объектов (мебель, архитектурные элементы, протезы). Позволяют печатать бетоном, пластиком, металлом.

Сварка и сборка

Дуговая и контактная сварка. Роботы выполняют сварку длинных швов на корпусах автомобилей, вагонов, строительных конструкциях. Обеспечивают стабильное качество и высокую производительность.
Сборка. Используются для установки тяжёлых узлов (двигатели, трансмиссии) на сборочных линиях. Позволяют точно позиционировать детали.

Логистика и складирование

Автоматизированные склады. Портальные роботы (часто называемые автоматизированными стеллажными кранами-штабелёрами) перемещают грузы (паллеты, коробки) по высоте и длине стеллажей. Широко применяются на складах крупных распределительных центров (например, в сетях «Магнит», «X5 Retail Group»).
Загрузка-выгрузка станков. Робот подаёт заготовки на станок и снимает готовые детали, обслуживая несколько единиц оборудования.

Прочие области

Автоматизация лабораторий. Портальные роботы используются для дозирования жидкостей, перемещения пробирок и планшетов в медицинских и фармацевтических лабораториях.
Строительство. Применяются для кладки кирпича, укладки бетона, монтажа фасадов. В России, например, компания «АМТ-Спецавтоматика» разрабатывает портальных роботов для строительства.
Сельское хозяйство. Используются для сортировки, упаковки и перемещения сельхозпродукции (например, в тепличных комплексах).

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокая жёсткость и точность. Портальная конструкция минимизирует прогибы и вибрации, что позволяет достигать высокой точности при работе с тяжёлыми деталями.
Большая рабочая зона. Возможность обработки изделий длиной до 30–50 м и более.
Высокая грузоподъёмность. Могут перемещать грузы массой в несколько тонн.
Простота программирования. Декартова система координат интуитивно понятна операторам и легко программируется (часто используется G-код, аналогичный станкам с ЧПУ).
Модульность. Конструкция легко масштабируется (добавление новых осей, увеличение длины портала).
Низкая стоимость обслуживания. По сравнению с шарнирными роботами, портальные роботы имеют меньше подвижных частей, подверженных износу.

Недостатки

Большие габариты. Занимают значительную площадь и требуют высоких потолков (для вертикальных перемещений).
Ограниченная рабочая зона. Робот может работать только в пределах прямоугольного объёма, ограниченного порталом.
Меньшая гибкость. Портальные роботы, как правило, менее манёвренны, чем антропоморфные, и не могут работать в труднодоступных местах.
Сложность интеграции. Требуют точного выравнивания и монтажа фундамента, особенно для крупных моделей.
Более высокая начальная стоимость. Для крупных роботов цена может быть выше, чем у нескольких шарнирных роботов с аналогичной грузоподъёмностью.

Интересные факты

Самый большой портальный робот в мире, по некоторым данным, используется в судостроении — он способен фрезеровать детали длиной до 50 метров.
В России портальные роботы активно применяются в авиастроении (например, на заводе «Авиастар-СП» в Ульяновске для обработки панелей самолётов).
Портальные роботы лежат в основе многих систем 3D-печати зданий — например, компания «Apis Cor» (США) использует портальный робот для печати домов из бетона.
В 2020-х годах портальные роботы начали использоваться в автоматизированных системах сортировки мусора (например, на мусоросортировочных комплексах в Московской области).

Источники

ГОСТ Р 60.0.0.1-2020 «Роботы и робототехнические устройства. Общие положения».
Промышленные роботы: классификация, конструкция, программирование / Под ред. А. С. Кобзева. — М.: Машиностроение, 2018.
«Портальные роботы в промышленности» — статья в журнале «Автоматизация в промышленности», № 4, 2021.
Каталог продукции компаний KUKA AG, Fanuc Corporation, Yaskawa Electric Corporation (раздел «Портальные роботы»).
Материалы конференций «Робототехника и автоматизация» (МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020–2023).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →