Промышленный робот

Промышленный робот — это автоматическое устройство, состоящее из манипулятора и перепрограммируемой системы управления, предназначенное для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций, аналогичных функциям человека при перемещении предметов производства или технологической оснастки. Промышленные роботы относятся к классу средств автоматизации и являются ключевым элементом гибких производственных систем (ГПС) и роботизированных технологических комплексов (РТК).

История развития

Предпосылки и ранние разработки

Идея создания механических помощников для замены человека в тяжелых и монотонных операциях возникла задолго до появления первых роботов. В середине XX века, с развитием электроники и теории автоматического управления, стали предприниматься первые практические шаги. В 1954 году американский изобретатель Джордж Девол запатентовал устройство, названное «Programmed Article Transfer» (программируемый передатчик изделий), которое считается прототипом современного промышленного робота.

Первое поколение

Первый промышленный робот Unimate был установлен в 1961 году на заводе General Motors в Трентоне (штат Нью-Джерси, США). Он выполнял операции по горячей штамповке и литью под давлением, работая с опасными для человека расплавленными металлами. Unimate представлял собой гидравлический манипулятор с программным управлением на магнитной ленте. В 1966 году компания Unimation начала серийное производство этих роботов.

Развитие в СССР и России

В Советском Союзе работы по созданию промышленных роботов начались в конце 1960-х годов. Первые отечественные образцы были разработаны в 1971 году в Центральном научно-исследовательском институте робототехники и технической кибернетики (ЦНИИ РТК) в Ленинграде. В 1970–1980-е годы в СССР была создана широкая номенклатура промышленных роботов, включая модели «Универсал-5», «ПР-1», «Бриг-10», «РПМ-25». Особое внимание уделялось роботизации сварки, литья и погрузочно-разгрузочных работ. К концу 1980-х годов парк промышленных роботов в СССР превышал 100 тысяч единиц, однако значительная их часть имела низкую надежность и ограниченные функциональные возможности.

Классификация

По типу управления

Роботы с цикловым управлением — выполняют жестко заданную последовательность перемещений, перепрограммирование осуществляется сменой упоров или кулачков.
Роботы с позиционным управлением — перемещают рабочий орган по заданным точкам в пространстве, траектория между точками не контролируется.
Роботы с контурным управлением — обеспечивают движение рабочего органа по заданной непрерывной траектории (например, при дуговой сварке).
Адаптивные роботы — оснащены сенсорами (силомоментными, тактильными, технического зрения) и способны корректировать свои действия в зависимости от внешних условий.

По кинематической схеме

Прямоугольные (декартовы) — перемещение по трем взаимно перпендикулярным осям (X, Y, Z). Примеры: портальные роботы, роботы-манипуляторы для станков.
Цилиндрические — две поступательные и одна вращательная степень подвижности.
Сферические — одна поступательная и две вращательные степени.
Антропоморфные (шарнирные) — все степени подвижности вращательные, конструкция напоминает руку человека. Наиболее распространенный тип в современной промышленности.
SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) — комбинированная схема с двумя вращательными и одной поступательной степенью, оптимизирована для сборочных операций.
Параллельные (триподы, гексаподы) — рабочий орган удерживается несколькими штангами с приводами, обеспечивает высокую жесткость и точность.

По грузоподъемности

Микророботы — до 1 кг (используются в микроэлектронике, медицине).
Легкие — от 1 до 20 кг (сборка, упаковка, лабораторные работы).
Средние — от 20 до 200 кг (сварка, окраска, обслуживание станков).
Тяжелые — от 200 до 1000 кг (литейное производство, перемещение крупных деталей).
Сверхтяжелые — свыше 1000 кг (автомобильная промышленность, судостроение).

Устройство и основные компоненты

Манипулятор

Механическая часть робота, состоящая из звеньев, соединенных шарнирами (сочленениями). Каждое сочленение оснащено приводом (электрическим, гидравлическим или пневматическим) и датчиком обратной связи (энкодер, резольвер). Совокупность звеньев образует кинематическую цепь, которая определяет рабочую зону робота.

Система управления

Включает контроллер (промышленный компьютер), блоки питания и интерфейсы связи. Современные контроллеры работают на базе операционных систем реального времени (RTOS) и поддерживают языки программирования роботов (например, RAPID от ABB, KRL от KUKA, MotoPlus от Yaskawa). Система управления обеспечивает:

интерполяцию траекторий;
синхронизацию с внешним оборудованием;
обработку сигналов с датчиков;
диагностику и аварийную остановку.

Схват (захватное устройство)

Конечный элемент манипулятора, предназначенный для удержания объекта. Типы схватов:

механические (параллельные, рычажные, трехкулачковые);
вакуумные (присоски);
магнитные (электромагниты);
пневматические (для хрупких предметов);
специализированные (для сварки, окраски, лазерной резки).

Применение

Обработка материалов

Роботы выполняют операции механической обработки (фрезерование, шлифование, полировка), лазерной резки, гидроабразивной резки. В этом случае робот удерживает инструмент, а деталь фиксируется неподвижно.

Сварка

Дуговая сварка — робот ведет сварочную горелку по заданной траектории, обеспечивая стабильное качество шва. Требует контурного управления и адаптации к зазорам.
Точечная сварка — робот позиционирует сварочные клещи в заданных точках. Широко применяется в автомобилестроении (кузовные детали).

Сборка

Роботы SCARA и антропоморфные роботы используются для установки компонентов на печатные платы, сборки мелких узлов, запрессовки подшипников. Требуют высокой точности позиционирования (до 0,01 мм) и наличия силомоментных датчиков.

Погрузочно-разгрузочные работы

Обслуживание станков (загрузка/выгрузка заготовок), паллетирование (укладка готовой продукции на поддоны), перемещение деталей между конвейерами. Для этих задач часто применяются роботы с большой рабочей зоной и высокой грузоподъемностью.

Окраска и нанесение покрытий

Роботы с защищенным исполнением (взрывобезопасные) наносят лакокрасочные материалы, клеи, герметики. Обеспечивают равномерность покрытия и экономию материалов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Повышение производительности (работа 24/7, высокая скорость).
Стабильное качество продукции (отсутствие человеческого фактора).
Снижение производственного травматизма (замена человека на опасных участках).
Экономия материалов (точное дозирование, минимизация брака).
Гибкость производства (быстрая переналадка при смене модели изделия).

Недостатки

Высокие капитальные затраты (стоимость робота, проектирования, интеграции).
Необходимость квалифицированного обслуживания (программисты, наладчики, мехатроники).
Ограниченная адаптивность (робот выполняет только запрограммированные операции).
Требования к организации производства (подготовка деталей, точное позиционирование).

Современные тенденции

Коллаборативные роботы (коботы)

С 2010-х годов активно развиваются роботы, способные безопасно работать совместно с человеком без защитных ограждений. Они оснащены датчиками крутящего момента, системой контроля столкновений и ограниченной силой (до 150 Н). Ведущие производители коботов: Universal Robots (Дания), Fanuc (Япония), KUKA (Германия).

Искусственный интеллект и машинное зрение

Современные роботы интегрируются с системами технического зрения на основе нейронных сетей, что позволяет им распознавать детали произвольной формы, определять их ориентацию и корректировать траекторию в реальном времени. Применяется в задачах «pick-and-place» (сбор урожая, сортировка мусора) и контроля качества.

Мобильные роботизированные платформы

Сочетание промышленного робота с автономным мобильным шасси (AGV/AMR) позволяет создавать гибкие производственные ячейки, способные перемещаться между станками и складами. Такие системы используются в концепции «фабрика будущего» (Industry 4.0).

Основные производители

FANUC (Япония) — крупнейший производитель, выпускает широкий спектр роботов грузоподъемностью от 0,5 до 2300 кг.
ABB (Швеция/Швейцария) — известна роботами серии IRB, системами управления и ПО RobotStudio.
KUKA (Германия) — производит антропоморфных роботов для автомобильной промышленности и коботов LBR iiwa.
Yaskawa Motoman (Япония) — специализируется на роботах для сварки и обработки материалов.
Kawasaki Robotics (Япония) — выпускает роботов для тяжелой промышленности и фармацевтики.
Эйдос Робототехника (Россия) — разработчик коллаборативных роботов и решений для автоматизации на базе отечественных компонентов.

Источники

ГОСТ Р ИСО 8373-2014 «Роботы и робототехнические устройства. Термины и определения».
«Промышленные роботы: устройство, программирование, применение» / под ред. Б. И. Черпакова. — М.: Машиностроение, 2019.
«Робототехника: от теории к практике» / А. В. Богданов, В. В. Сысоев. — СПб.: Политехника, 2021.
Отчет Международной федерации робототехники (IFR) «World Robotics 2023 – Industrial Robots».
Материалы научно-технического журнала «Робототехника и техническая кибернетика» (ЦНИИ РТК, Санкт-Петербург).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →