En industrirobot är en manipulationsrobot utformad för att utföra motor- och styrfunktioner i produktionsprocessen , det vill säga en automatisk anordning bestående av en manipulator och en omprogrammerbar styranordning som genererar styråtgärder som ställer in de erforderliga rörelserna för manipulatorns verkställande organ. . Den används för att flytta produktionsartiklar och utföra olika tekniska operationer [1] [2] .
I litteraturen på ryska har följande definition av en industrirobot, hämtad från [3] , blivit utbredd : det är "en automatisk maskin, stationär eller mobil, bestående av ett manöverdon i form av en manipulator med flera grader av rörlighet och en omprogrammerbar programstyranordning för att i en produktion utföra processen för motor- och styrfunktioner. Inom industrin används dock, tillsammans med de mest använda manipulationsrobotarna, även mobil (rörelse), information, information och kontroll, komplexa och andra typer av industrirobotar [4] .
Industrirobotar är vanligtvis en av komponenterna i automatiserade produktionssystem som används i flexibel automatiserad produktion ( RTK , RTYa , RTU , RTL , RTS , GPL , etc.), som med en konstant kvalitetsnivå kan öka arbetsproduktiviteten generellt.
Det är ekonomiskt fördelaktigt att använda industrirobotar i kombination med andra metoder för produktionsautomation (automatiserade linjer, sektioner och komplex).
Drivkraften till framväxten av manipulatorer för industriellt bruk var början på kärnkraftsåldern . År 1947, i USA, utvecklade en grupp anställda vid Argonne National Laboratory under ledning av R. Görtz den första automatiska elektromekaniska manipulatorn med kopieringskontroll, som upprepade en mänsklig operatörs rörelser och utformad för att flytta radioaktivt material. Att utföra operationer som att vrida en skiftnyckel eller placera föremål på en yta med denna manipulator var svårt, eftersom den inte gav någon kraftåterkoppling ; Men redan 1948 utvecklade General Electric- företaget Handy Man -kopieringsmanipulatorn , där sådan återkoppling var tillgänglig, och operatören kunde uppfatta krafterna som verkar på manipulatorns grepp [5] [6] .
De första industrirobotarna i den egentliga betydelsen av dessa ord började skapas i mitten av 1950-talet i USA. 1954 utvecklade den amerikanske ingenjören George Devol ett sätt att styra en lastnings- och lossningsmanipulator med utbytbara hålkort och lämnade in en patentansökan för en "programmerbar anordning för att bära föremål" som han hade designat, det vill säga för en industrirobot (Devols patent gavs ut 1961 [7] ). Tillsammans med J. Engelberg organiserade han 1956 världens första företag för tillverkning av industrirobotar. Dess namn "Unimation" ( engelska Unimation ) är en förkortning av termen "Universal Automation" "universell automation" [8] [9] [10] .
1959 publicerade Consolidated Corporation (USA) en beskrivning av en manipulator med numerisk styrning (CNC), och 1960-1961 kom de första rapporterna i amerikansk press om manipulatorerna "Transferrobot" och "Eleximan" med programstyrning för automatisering av montering och andra arbeten.
I början av 1960-talet skapades världens första industrirobotar Unimate (Unimation, 1961) och Versatran ( American Machine and Foundry , 1962) i USA. ). Deras likhet med människor var begränsad till närvaron av en manipulator som vagt liknar en mänsklig hand. Några av dem arbetar fortfarande efter att ha överskridit 100 tusen timmars arbetsresurs [11] [12] .
En experimentell prototyp av Unimate-roboten skapades redan 1959, och våren 1961 togs denna industrirobot (nu utställd på Smithsonian Institution ) i drift vid gjuteriet på en av fabrikerna hos bilföretaget General Motors , beläget . i staden Ewing är en förort till Trenton . Roboten fångade glödheta gjutgods av dörrhandtag och andra delar av bilen, sänkte ner dem i en pool av kylvätska och installerade dem på en transportör, varefter de gick till arbetare för skärning och polering [13] [14] . Roboten arbetade 24 timmar om dygnet och ersatte tre skift av arbetare i hårt, smutsigt och farligt arbete [15] . Denna robot hade 5 frihetsgrader med en hydraulisk drivning och en tvåfingergripare med en pneumatisk drivning. Flytta föremål som väger upp till 12 kg utfördes med en noggrannhet på 1,25 mm . Som styrsystem användes en programbärare i form av en kamtrumma med stegmotor , designad för 200 styrkommandon, och kodarpositionssensorer. I träningsläget ställer operatören in en sekvens av punkter genom vilka manipulatorlänkarna måste passera under arbetscykeln. Roboten memorerade koordinaterna för punkterna och kunde automatiskt flytta från en punkt till en annan i en given sekvens och upprepade gånger arbetscykeln. I lossningsoperationen av Unimate formsprutningsmaskin , arbetade den med en hastighet av 135 delar per timme med 2 % skrot, medan manuell lossning var 108 delar per timme med upp till 20 % skrot.
Industriroboten "Versatran", som hade tre grader av rörlighet och styrning från ett magnetband, kunde lasta och lossa upp till 1200 glödheta tegelstenar i timmen vid ugnen. På den tiden var förhållandet mellan kostnaden för elektronik och mekanik och kostnaden för roboten 75 % och 25 %, så många kontrolluppgifter löstes på mekanikens bekostnad; nu har detta förhållande vänt, och kostnaderna för elektronik fortsätter att sjunka .
1967 började användningen av industrirobotar i europeiska företag: den första industriroboten (samma Unimate) installerades vid en metallurgisk anläggning i staden Upplands-Väsby , Sverige [12] . Samma år gick Japan också in i robotikens era , som förvärvade Versatran-roboten. Snart började produktionen av egentillverkade industrirobotar i Japan och Sverige, såväl som i Storbritannien , Tyskland , Italien och Norge (i Japan var företaget Kawasaki Heavy Industries först med att tillverka robotar, som 1968 förvärvade en licens från Union för att tillverka industrirobotar [16] ). I slutet av 1970-talet kom Japan ut i toppen i världen både vad gäller den årliga produktionen av robotar och antalet industrirobotar installerade i landets företag [17] .
I Sovjetunionen dök de första industrirobotarna upp 1971; de skapades under ledning av professor P. N. Belyanin (robot UM-1) och USSR State Prize-pristagare B. N. Surnin (robot "Universal-50"). 1972-1975 skapades en hel rad sovjetiska industrirobotar (genom insatser från olika forsknings- och produktionsorganisationer) (inklusive robotar i Universal-serien, PR-5, Brig-10, IES-690, MP-9S, TUR -10 och andra) [18] [19] .
Sedan 1960 har robotar utvecklats i USA med styrsystem baserade på återkopplingsprincipen . Ursprungligen bildades drivanordningarna i dessa system på kommutatorkortet; År 1974 var företaget Cincinnati Milacron först med att använda en dator i ett robotstyrsystem och skapade en industrirobot T 3 ( eng. The Tomorrow Tool 'framtidens verktyg') [9] [20] .
Ovanliga kinematiska scheman för manipulatorer erbjuds. Teknologiska robotar utvecklas snabbt och utför operationer som höghastighetsskärning , målning , svetsning . Framväxten av mikroprocessorstyrsystem på 1970-talet och ersättningen av specialiserade styrenheter med programmerbara styrenheter gjorde det möjligt att minska kostnaden för robotar med en faktor tre, vilket gjorde deras massintroduktion i industrin lönsam. Detta underlättades av de objektiva förutsättningarna för utvecklingen av industriproduktionen.
En industrirobot inkluderar en mekanisk del (inklusive en eller flera manipulatorer) och ett styrsystem för denna mekaniska del. Dessutom kan roboten ha avkänningsmedel (som tillsammans bildar ett informationssensorsystem ), varifrån signalerna skickas till styrsystemet [21] .
En manipulator är en kontrollerad mekanism (eller maskin ), som är utformad för att utföra motoriska funktioner som liknar funktionerna hos en mänsklig hand när man flyttar föremål i rymden, och är utrustad med en fungerande kropp [22] . I vissa fall kan en industrirobot inkludera två (eller flera) manipulatorer [23] .
StälldonManövreringsmekanismen för manipulatorn är som regel en öppen kinematisk kedja , vars länkar är anslutna i serie med varandra genom leder av olika typer; i den överväldigande majoriteten av fallen finns det dock kinematiska par av V:e klassen (som har en grad av rörlighet), och bland de senare finns translations- och rotationsleder [24] [25] .
Kombinationen och det ömsesidiga arrangemanget av länkar och leder bestämmer antalet grader av rörlighet, såväl som omfattningen av robotens manipulationssystem. Det antas vanligtvis att de första tre lederna i manipulatorns manövermekanism implementerar transport (eller bärbar ) grader av rörlighet (som ger arbetskroppens utmatning till en given plats), och resten implementerar orienterande grader av rörlighet (ansvarig för önskad orientering av arbetskroppen) [26] . Beroende på typen av de tre första lederna faller de flesta robotar in i en av fyra kategorier [27] [28] :
För vissa manipulatorer accepteras inte uppdelningen av frihetsgrader i bärbar och orienterande. Ett exempel är manipulatorer med kinematisk redundans (det vill säga med antalet frihetsgrader större än sex); här är kontrollen av den arbetande kroppens rörelse och kontrollen av dess orientering inte "obunden" för separata grupper av leder [26] .
I vissa fall är en industrirobotarm monterad på en rörlig bas, vilket innebär att den är utrustad med ytterligare grader av rörlighet. Så, manipulatorn är installerad på skenor eller på en rörlig vagn som rör sig längs golvspåret eller längs de hängande skenorna [29] .
Det finns industrirobotar med slutna kinematiska kedjor. Parallella robotar kan tjäna som ett exempel - manipulationsrobotar där arbetskroppen är ansluten till basen med minst två oberoende kinematiska kedjor. Denna klass av manipulativa robotar inkluderar i synnerhet Hugh-Stewart-plattformen och deltarobotar [30] [31] .
ArbetskroppI slutet av manipulatorn (på sin "handled") är arbetskroppen - en enhet utformad för att utföra en speciell uppgift. En gripanordning eller ett tekniskt verktyg kan fungera som en arbetskropp [32] .
Den mest mångsidiga typen av gripanordning är en gripare - en anordning där infångningen och kvarhållandet av ett föremål utförs med hjälp av relativ rörelse av delarna i denna anordning [33] . Som regel liknar greppet i designen en mänsklig hand : greppet av ett föremål utförs med hjälp av mekaniska " fingrar ". Pneumatiska sugkoppsgripare används för att greppa platta föremål. Krokar används också (för att lyfta delar från transportörer), skopor eller skopor (för flytande, bulk eller granulära ämnen). För att fånga samma uppsättning delar av samma typ används specialiserade konstruktioner (till exempel magnetiska gripdon) [32] .
Enligt metoden för att hålla föremålet är gripanordningar uppdelade i [34] :
Antalet industrirobotapplikationer där griparen används för att hålla ett arbetsredskap är relativt litet. I de flesta fall är verktyget som behövs för att utföra en teknisk operation fäst direkt på robotens handled och blir dess arbetskropp. Detta kan vara en sprutpistol , punktsvetspistol , bågsvetshuvud, cirkulär kniv , borr , fräs , skruvmejsel , skiftnyckel , etc. [32] [35]
DrivesFör att sätta manipulatorns och gripanordningens länkar i rörelse används elektriska, hydrauliska eller pneumatiska drivningar [36] . Hydrauliska drivenheter är att föredra i fall där det är nödvändigt att tillhandahålla en betydande mängd utvecklad ansträngning eller hög hastighet; vanligtvis levereras sådana drivenheter med stora robotar med hög nyttolast. Elektriska ställdon har inte lika mycket kraft eller hastighet, men de kan uppnå bättre noggrannhetsegenskaper. Slutligen används pneumatiska ställdon vanligtvis för små robotar som utför enkla och snabba cykliska operationer [37] .
Man uppskattar att cirka 50% av dagens industrirobotar använder en elektrisk drivning, 30% använder en hydraulisk drivning och 20% använder en pneumatisk drivning [38] .
I utvecklingen av styrsystem för industrirobotar kan två riktningar spåras. En av dem kommer från mjukvarustyrsystemen för verktygsmaskiner och resulterade i skapandet av automatiskt styrda industriella manipulatorer. Den andra ledde till uppkomsten av halvautomatiska biotekniska och interaktiva system där en mänsklig operatör deltar i att kontrollera en industrirobots handlingar [39] .
Således kan industrirobotar delas in i följande tre typer (som var och en i sin tur är uppdelad i flera varianter [40] [41]) :
De flesta moderna robotar arbetar utifrån principerna för feedback , underordnad kontroll och hierarki i robotstyrsystemet [42] [43] .
Den hierarkiska konstruktionen av robotstyrsystemet involverar indelning av styrsystemet i horisontella lager (nivåer): på översta nivån styrs robotens övergripande beteende; på nivån för rörelseplanering, den nödvändiga banan för arbetsrörelsens rörelse. kroppen beräknas, kroppen och slutligen, på nivån för drivningen, styrs motorn direkt, vilket är ansvarigt för en viss grad av rörlighet hos manipulatorn [42] [43] .
De första programmerade robotarna programmerades vanligtvis för hand. Senare dök det upp speciella programmeringsspråk för robotar (till exempel VAL-språket för roboten Union PUMA eller MCL-språket utvecklat av McDonnell Douglas baserat på programmeringsspråket APT ) [44] . För närvarande, för programmering av sådana robotar, kan programmeringsmiljöer som VxWorks / Eclipse eller programmeringsspråk som Forth , Oberon , Component Pascal , C användas . Som hårdvara används vanligtvis industridatorer i mobilversionen PC/104 , mer sällan MicroPC . Styrning kan ske via PC eller programmerbar logisk styrenhet .
Underordnad kontrollSlavstyrning används för att bygga ett drivsystem. Om det är nödvändigt att bygga ett körstyrsystem efter position (till exempel genom rotationsvinkeln för manipulatorlänken), stängs styrsystemet av positionsåterkoppling, och inuti positionskontrollsystemet finns ett hastighetskontrollsystem med sin egen hastighetsåterkoppling, inuti vilken det finns en styrslingström - också med dess återkoppling.
En modern robot är inte bara utrustad med feedback om länkarnas position, hastighet och acceleration. När man fångar delar måste roboten veta om den har lyckats fånga delen. Om delen är spröd eller dess yta har en hög renhetsgrad, byggs komplexa kraftåterkopplingssystem för att roboten ska kunna greppa delen utan att skada dess yta eller förstöra den.
Roboten styrs som regel av ett industriellt företagsledningssystem (ERP-system), som koordinerar robotens handlingar med beredskapen hos arbetsstycken och verktygsmaskiner med numerisk kontroll för att utföra tekniska operationer.
I mitten av 1990-talet dök adaptiva industrirobotar utrustade med pekenheter upp på marknaden . Moderna informationssensorsystem som används inom robotik är uppsättningar av funktionellt integrerade mät- och beräkningsverktyg, vars uppgift är att hämta information från olika sensorer och bearbeta den för efterföljande användning av styrsystemet [45] .
Sensorerna som används i moderna robotsystem är olika och kan delas in i följande huvudgrupper [46] [47] [48] :
Olika aspekter av användningen av industrirobotar beaktas som regel inom ramen för industriella standardprojekt: baserat på de befintliga kraven väljs det bästa alternativet, vilket anger vilken typ av robotar som krävs för denna uppgift, deras antal, och löser även frågorna om kraftinfrastruktur (strömanslutningar, tillförsel av kylvätska - vid användning av vätskekylning av verktygselement) och integration i produktionsprocessen (tillhandahåller ämnen / halvfabrikat och returnerar den färdiga produkten till en automatisk linje för överföring till nästa tekniska operation).
Industrirobotar i produktionsprocessen är kapabla att utföra grundläggande och tekniska hjälpoperationer .
De huvudsakliga tekniska operationerna inkluderar operationerna för direkt formning, ändring av arbetsstyckets linjära dimensioner etc.
Teknisk hjälpverksamhet omfattar transportverksamhet, inklusive operationer för lastning och lossning av teknisk utrustning.
Bland de vanligaste åtgärderna som utförs av industrirobotar är följande [49] [50] :
I början av 2000-talet har industrirobotar blivit utbredda, rör sig inuti rörledningar och designade för att upptäcka fel och rengöra deras inre ytor [51] [52] . Sådana robotar tillhör klassen mobila robotar och delas in i följande grupper efter hur de rör sig [52] [53] : krypande robotar med en ormliknande rörelseprincip [54] ; krypande robotar med en maskliknande rörelseprincip [55] ; robotar med skjutstopp [56] [57] ; hjulförsedda robotar [58] ; larvrobotar [59] ; vibrationsrobotar [51] ; robotar med flexibla och elastiska länkar [60] ; robotar med variabel kroppsform [61] ; robotar som flyttas av flödet av vätska eller gas [62] .
Användningen av robotar i industriell produktion har ett antal fördelar, särskilt [63] :
2004 stod Japan för cirka 45 % av världens industrirobotar. I absoluta tal: i slutet av 2004 användes 356 500 industrirobotar i Japan, med USA på andra plats (122 000 industrirobotar) med stor marginal.
Enligt International Federation of Robotics uppgick den globala försäljningen av industrirobotar 2013 till 178 132 enheter (en ökning med 12 % jämfört med föregående år). Den största marknaden för industrirobotar var Folkrepubliken Kina , med 25 111 industrirobotar köpta av företag. Det följs av Japan (25 110 enheter), USA (23 700 enheter), Republiken Korea (21 307 enheter), Tyskland (18 297 enheter) och andra industriländer.
Det största antalet nya industrirobotar installeras på företag:
Japan rankas först i världen (2004) när det gäller export av industrirobotar. Varje år producerar detta land mer än 60 tusen robotar, varav nästan hälften exporteras. Detta är ett stort gap jämfört med andra länder.
| Robotik | |
|---|---|
| Huvudartiklar | |
| Robottyper | |
| Anmärkningsvärda robotar | |
| Relaterade termer | |