Бързосменници за роботи

• Системите за бърза смяна на крайното изпълнително устройство повишават гъвкавостта, ефективността и производителността на роботите
  
  
• Предлагат се както ръчни, така и изцяло автоматични варианти, включително механични, хидравлични, пневматични и магнитни
  
  
• Бързосменниците са подходящи за използване и с традиционни индустриални, и с колаборативни роботизирани системи

Бързосменниците за роботи са ключово решение в съвременната индустриална автоматизация, което се превръща в неизменен компонент от все повече роботизирани системи, клетки и линии. Тези модули позволяват бърза и в много случаи изцяло автоматизирана смяна на крайни изпълнителни устройства и инструменти без прекъсване на работната операция или протичащия технологичен процес. Те повишават гъвкавостта, ефективността и производителността на индустриалните и колаборативни роботи, като дават възможност една и съща работна единица да изпълнява множество разнообразни задачи. Системите за бърза смяна на инструмента играят важна роля за разгръщането на роботизацията във все повече процеси, сектори и приложения, както и за намаляването на разходите за труд чрез автоматизация.

Особености и възможности

Разположени между манипулатора и крайното изпълнително устройство, бързосменниците позволяват една и съща роботизирана система – с еднакъв дизайн, работен обсег, степени на свобода и товароносимост, да се използва за напълно различни дейности. Примери са захващане и преместване на детайли, заваряване, палетизиране, полиране, пробиване, дозиране, боядисване, асемблиране или инспекция. Това значително намалява необходимостта от закупуване и внедряване на отделни роботи за всяка операция и оптимизира инвестициите.

Бързосменниците намират широко приложение в автомобилната, авиокосмическата, електронната, хранително-вкусовата, фармацевтичната, химическата и металообработващата промишленост, както и в производството на пластмаси и медицински изделия. В тези сектори изискванията за висока производителност и честата смяна на задачите налагат стандарти за максимална адаптивност на роботите. Модерните решения в сегмента поддържат не само безпроблемно механично свързване, но и автоматичен пренос на енергия, електрически сигнали, сгъстен въздух и вакуум, охлаждащи, смазочни, хидравлични флуиди, сигнали за управление и данни, което позволява широка и цялостна интеграция на различни инструменти, сензори и системи.

Бързосменниците от последно поколение могат да бъдат детайлно персонализирани спрямо набора от приложения. Те се използват като основен елемент в цялостни роботизирани клетки, за да осигуряват директен достъп на робота до големи инструментални магазини и да елиминират необходимостта от намеса на оператор за ръчна подмяна на крайното устройство. Предимство осигуряват модулните конфигурации, които позволяват изграждането на индивидуални решения на базата на широк асортимент от стандартизирани компоненти.

Конструкция, принцип на работа и основни типове

Системите за бърза смяна на крайното изпълнително устройство представляват модули за физическо и процесно свързване на китката на манипулатора с желания инструмент, хващач или функционално приспособление. Обикновено наличието на бързосменник означава, че роботът може директно да смени предназначението си в процеса на работа без необходимост от препрограмиране или извеждане от експлоатация (въвеждане в т. нар. офлайн режим).

Бързосменниците са подходящи както за конвенционални промишлени роботи, така и за коботи и мобилни платформи с манипулатори. Основната им функция е да осигуряват динамично, прецизно, сигурно и автоматизирано превключване между различни крайни приспособления – вакуумни, механични, магнитни, пневматични и електрически хващачи, заваръчни горелки, дозиращи дюзи, инструменти за шлайфане и полиране, бояджийски пистолети и др.

Макар функциите им да са изключително комплексни, бързосменниците се състоят само от два основни компонента. Основният (master) модул се монтира към китката на манипулатора, като се свързва към системата за управление и източника на захранване на робота. Модулът за крайно изпълнително устройство (tool module) захваща инструмента или хващача, осигурявайки интерфейсна връзка с този на робота.

Системите за бърза смяна на приспособлението се характеризират със специален заключващ механизъм, който най-често e механичен, пневматичен или пружинен. В практиката се използват както стандартни механизми, така и патентовани технологии с уникални преимущества. Заключването гарантира сигурно закрепване на инструмента, което обикновено се осигурява чрез специални стратегии против неговото изпускане.

Бързосменниците на пазара варират в широки граници според товароносимостта, като в зависимост от модела и капацитета на робота са подходящи за товари от няколко килограма до над 2 тона. Модулните системи позволяват един и същи master модул да се комбинира с различни модули за приспособления, допълнително разширявайки кръга от приложения.

Според принципа на задействане се различават основно ръчни и автоматични, хидравлични, пневматични и магнитни бързосменници. Макар ръчните системи да са достъпни, популярни и с изключително опростен дизайн, те изискват оператор да подменя крайното изпълнително устройство, което не спомага за автоматизирането на процеса. Изцяло автоматичните конфигурации от друга страна не изискват никаква човешка намеса. С помощта на зъбни и гърбични механизми, задвижвани от електрически или пневматични системи, те бързо и прецизно премахват фиксирания инструмент, локализират и захващат следващия и сигурно го монтират.

Устройствата, които използват хидравличен принцип за заключване и освобождаване на инструментите, се отличават с голяма сила и надеждност на затягане, както и с висока прецизност, което ги прави подходящи за тежки приложения. Пневматичните модели традиционно са по-достъпни и изискват по-малко поддръжка от хидравличните, но обикновено се характеризират с по-малка сила на затягане.

Популярен вариант са магнитните бързосменници, които се доказват като бързи и надеждни с възможностите си да сменят крайните изпълнителни устройства за секунди. Те са предпочитани например за чисти помещения, тъй като не отделят прах или частици при взаимодействие.

Изборът на оптимална система зависи от специфичните изисквания на приложението и работната среда, скоростта, точността, товароносимостта, капацитета за работа с определен брой/набор от инструменти и степента на автоматизация. Решаващ фактор при селектирането често е себестойността, макар експертите да препоръчват за критични приложения да не се допуска компромис с функционалността и надеждността за сметка на по-ниската цена.

Приложения

Бързосменници могат да бъдат използвани практически във всеки производствен или технологичен процес, който подлежи на автоматизация. Спектърът от приложения е огромен и разнообразен – от съединяване, заваряване и прости монтажни задачи до комплексно асемблиране, палетизиране, механична и довършителна обработка, сортиране, манипулиране с дребни и деликатни компоненти, тежки и горещи детайли, дозиране и нанасяне на покрития, лепила и уплътнители, контрол на качеството, pick-and-place операции, опаковане и етикетиране, обслужване на металообработващи машини и преси, рязане, пробиване, фрезоване и др.

Ключов сценарий, в който се използват системи за бърза смяна на приспособлението, е прецизното асемблиране, при което роботът извършва сложни и дълги последователности от различни операции с разнообразни инструменти, за да обедини отделните части в завършен възел или изделие. За разлика от еднотипните повторяеми движения, изпълнявани с еднаква сила, тук роботите и коботите трябва прецизно да регулират натиска при контакт и силата на захващане при отделните инструменти, което изисква бързосменникът да е достатъчно усъвършенстван за целта. Автоматизирането на подобни процеси чрез устройства за бърза смяна води до значителни икономии на време и разходи, които се натрупват с времето и повишават рентабилността и производителността, като в допълнение позволяват на предприятията да преодолеят по-лесно кризата с недостига на кадри. Друг съществен плюс е постоянно високата точност на изпълнение, която заедно с елиминираните рискове от човешки грешки води до цялостно подобряване на качеството и минимизиране на загубите и брака.

Често срещано приложение е и изцяло автоматизираното заваряване. С помощта на бързосменници един тромав, времеемък и уязвим на грешки традиционен процес става много по-гъвкав, динамичен, надежден и високопроизводителен. Устройства за бърза смяна на крайните изпълнителни устройства широко се използват и в манипулирането с компоненти – захващане, преместване, сортиране, ориентиране и позициониране. Особено ценна е автоматизацията при чести промени в продуктовите потоци и последователностите от действия. Комплексните съвременни бързосменници позволяват работа със силно хетерогенни миксове от обекти с различна форма, тегло и материал, които изискват най-разнообразни хващачи (паралелни, ъглови, иглени, вакуумни и т. н.) и крайни приспособления.

Устройствата за бърза смяна са все по-неразделна част и от колаборативните приложения, в които чрез различни крайни изпълнителни устройства на коботите се делегират все повече сложни задачи. Внедряването на колаборативен робот с автоматичен бързосменник помага на много малки и средни предприятия да повишат производителността и качеството без непосилни инвестиции в мащабни решения за автоматизация, както и без допълнителни разходи за персонал и специализирана техническа експертиза.

Преимущества и технологични новости

Интегрирането на съвременни системи за автоматизирана смяна на инструментите в роботизирани производствени линии носи категорични предимства, които далеч надхвърлят чисто икономическите съображения. Тези устройства допринасят за много по-висока безопасност, подобрена стабилност и надеждност на процесите и по-голяма гъвкавост на промишлените предприятия.

Автоматичните бързосменници значително намаляват времето за престой, свързано с изваждането, търсенето/избирането и закрепването на инструменти, което позволява работата да тече в непрекъснат режим, често без никаква човешка намеса. Благодарение на тези възможности роботи се внедряват във все повече сектори и приложения, а излишните забавяния във връзка с междинните и спомагателните етапи при обработка и манипулиране се свеждат до минимум.

Освен преки икономии от намалените изисквания за труд и оборудване, системите за смяна на крайните изпълнителни устройства генерират и по-широки социоикономически ползи. Повишената скорост, ефективност и автоматизация на процесите води до по-пълноценно оползотворяване на капацитета на роботите. В много случаи производителите дори могат да намалят броя на функциониращите в даден цех единици, ако допреди това са използвани отделни системи за различните специализирани операции. С течение на времето това отчетливо подобрява възвръщаемостта на инвестициите и намалява общите производствени разходи.

Важно е да се отбележи, че ръчната смяна на инструменти в роботизирани приложения, особено при тежки и опасни операции, може да представлява сериозен риск за здравето и безопасността на работниците, дори когато се извършва от добре обучен персонал. Боравенето със сложни, остри крайни изпълнителни механизми или такива с голямо тегло и неудобна за ръчно захващане форма увеличава вероятността от злополуки, а повтарящите се движения могат да доведат до дългосрочно ергономично натоварване. Автоматизираните системи за смяна на инструменти премахват или значително намаляват необходимостта от човешка намеса в подобни сценарии, като по този начин минимизират рисковите ситуации и подобряват цялостната безопасност на работното място.

Сред иновациите в сегмента, които набират популярност през последните години, са олекотените бързосменни модули, при които по-малкото собственото тегло не влияе негативно върху издръжливостта, товароносимостта и производителността на робота.

С компактни размери и опростена геометрия, тези устройства редуцират натоварването върху шарнирните съединения на робота и оставят по-малко разстояние до централната точка на инструмента (Tool Center Point, TCP). Това спомага за поддържане на висока точност и повторяемост. Съвместимостта с широка гама стандартизирани фланци позволява тези решения да се използват при огромен асортимент от роботизирани манипулатори (индустриални и колаборативни), мобилни роботи, автоматизирани системи и дори дронове.

Революционна разработка в тази област са т. нар. двойни (dual) бързосменници – за едновременно монтиране и използване на две крайни изпълнителни устройства.

Това значително разширява функционалните възможности на роботите, позволявайки паралелни или динамично редуващи се операции в рамките на един цикъл.

Резултатът е значително съкращаване на времената на цикъл и съответно увеличение на производителността – в някои случаи с над 50%.