Индустриални роботи

Непрекъснатото развитие на индустриалните роботи разширява възможностите за приложението им в различни сектори на промишлеността. Най-съвременните модели се отличават с голяма гъвкавост на движенията, изключителна прецизност на позиционирането, скорост и ефективност. Във функционалните им възможности са синхронизацията със скоростта на конвейера, лесна интеграция със системи за машинно зрение, възможност за програмиране на различни програмни езици и в различни програмни среди и др. Предимно намират приложение в опасни среди и сфери, с голяма повторяемост на операциите като заваряване (електродъгово, плазмено, електросъпротивително, лазерно, точково), подемно-транспортни дейности (палетизиране, пакетиране и опаковане, зареждане с материали, шприцоване, подреждане), лепeне, запечатване, почистване, пробиване, боядисване, леене, шлайфане, фрезоване, боядисване, полиране, асемблиране и др. Новите концепции в разработката им са насочени към подобряване на взаимодействието между роботите и други устройства с цел максимално припокриване на работните пространства и постигане на оптимална степен на автоматизация, както и към подобряване на сътрудничеството между роботите и операторите.

Конструктивни елементи
Различните приложения изискват специфични типове индустриални роботи, които се различават по своята конструкция, управление, мощност и други технически характеристики. Например, ако един производствен процес изисква движение в три посоки, е уместно използването на индустриален робот с три степени на свобода. Ако за това приложение се използва робот с повече степени на свобода, това означава, че ресурсите на робота няма да бъдат използвани оптимално. Всяка степен на свобода означава прибавяне на ново звено към робота, което се състои от двигател, механична трансмисия, сензори за обратна връзка и кабели. Отделните звена са свързани помежду си чрез подвижни съединения (шарнири, стави), последователно или паралелно, благодарение на което могат да заемат различна позиция спрямо обекта, с който взаимодействат с цел изпълнението на конкретна задача. Подвижните съединения могат да бъдат ротационни (въртящи) или линейни (призматични). Движението на линейните звена, едно спрямо друго, става по направлението на оста, с която са свързани. За разлика от тях, при ротационните стави движението на звената е около оста. Активират се от изпълнително устройство - електродвигател (стъпков двигател, безколекторен постояннотоков двигател, синхронен двигател), пневматичен или хидравличен цилиндър и др. Всеки двигател е оборудван с редуктор и преобразувател за обратна връзка, който е необходим за надеждното управление на робота. Работната област на всяко от звената на индустриалния робот е ограничена или с механична спирачка, обикновено електромагнитна, която се използва за спиране и задържане в неподвижно състояние на шарнирните съединения, или софтуерно. Обработващият инструмент (наричан още крайно изпълнително устройство) се монтира в края на ръката на робота и се използва за изпълнението на определена задача. Например, това може да бъде хващач, който се използва за вземане и позициониране на детайли, за държане на детайли или за захранване на други устройства с детайли. Друг тип крайно изпълнително устройство може да бъде технологичен работен орган, окомплектован с допълнителни съоръжения за изпълнението на определени технологични операции, например, уред за заваряване, който се използва в приложения, изискващи заваряване на детайли. Крайните изпълнителни устройства също се управляват с контролер (за тяхното управление може да се използва отделен контролер). Най-често срещаните обработващи инструменти са пневматични или електрически хващачи, заваръчни автомати, инструменти за пробиване, фрези и устройства за боядисване.

Функционалните възможности и безопасността на роботите се подобряват с интеграцията на различни видове сензори. Благодарение на тях, устройствата са способни да идентифицират сблъсък със заобикалящи обекти, превишаване на скоростта, отклонение от правилната позиция, грешни програмни параметри и др.

Технически характеристики на роботите
Сред техническите параметри на роботите са брой на осите, радиус на обхват на ръката, точност на повторението, максимална линейна скорост на движение, разрешаваща способност, ускорение и др. Освен тях, някои производители посочват и следните характеристики:
Номиналната товароносимост: най-голямата стойност на масата на работния орган и на манипулаторния предмет, при която се гарантира хващането, поддържането и експлоатационните характеристики на промишления робот.

Полезна товароносимост: най-голямата стойност на масата на манипулирания предмет, при която се гарантират експлоатационните характеристики на робота.

Работно пространство: пространството, в което може да се намира изпълнителното устройство на робота при неговото функциониране.

Грешка на позиционирането на работния орган: отклонението на действителното положение на работния орган от зададеното.

Грешка на отработването на траекторията на работния орган: отклонение от действителната траектория на робота от зададената.

Глобално движение: приближаването на робота извън работната зона, определена при стационарното му положение.

Регионално движение: преместванията на изпълнителния орган на робота във всяка точка на работното пространство на работа, определена от размерите на звената на работния орган.

Локални движения: група движения на промишления робот за ориентиране на хващача.

Видове задвижвания при роботите
В промишлените роботи се използват хидравлични, пневматични, електромеханични и комбинирани задвижвания. Хидравличните задвижвания намират приложение предимно с позиционни и контурни системи за управление, а така също и в циклово управление при товароподемност над 20-30 kg. Сред предимствата на този тип задвижване е голямото бързодействие, стабилност на скоростта при изменение на натоварването, лесно осъществяване на бързостепенно регулиране в широк диапазон на изходяща скорост при висока степен на нейната редукция и плавност на хода, голям коефициент на усилване по мощност и сравнително висок к.п.д., който превъзхожда този на пневмозадвижването. Като недостатъци специалистите посочват по-малката гъвкавост на проводниците, отколкото при електрозадвижванията, сравнително по-малка скорост на предаване на хидравличните импулси, която може да доведе до значителни закъснения; многодетайлност и конструктивна сложност на хидравлическите превключватели, разпределители, стабилизиращи и диференциални устройства, необходими в прецизните системи за автоматично регулиране. Това намалява надеждността и дълготрайността на хидропроводниците. Поради възможните утечки на работните течности в местата на съединение на хидроагрегатите и тръбопроводите, а така също и поради повишения шум, хидравличното задвижване е по-малко удобно и по-малко хигиенно в сравнение с електро- и пневмозадвижванията.
Пневматичните задвижвания се използват като основен тип задвижвания в промишлените роботи с циклово управление и товароподемност до 20-30 kg. Към предимствата им се отнасят простотата на конструкцията на задвижващата система; голямата скорост на преместване на пневмозадвижващата ръка или захват; липсата на тръбопроводи за обратно отвеждане на отработваната работна среда. Важно преимущество на пневмозадвижванията пред хидрозадвижванията се явява тяхната достатъчно висока пожаро- и взривобезопасност, а така също надеждната работа при високи температури. Настройката и регулирането на пневмозадвижванията е лесна. От друга страна, за тях е характерно високо ниво на шума при работа, известна неплавност на движение и др. При надлъжно придвижване на ръката скоростта на движение зависи от натоварването, затова не е възможно точно позициониране на работния орган, особено при бързо спиране.

Днес най-популярни са роботите, използващи електрически променливо- и/или постояннотокови мотори за задвижване. Този тип мотори имат относително ниска себестойност, ниско ниво на генерирания шум, управляват се лесно и прецизно.

Управление на индустриалните роботи
Специфичното при управлението на индустриалните роботи е, че то трябва да се реализира във вид на едновременно управление по много оси в триизмерното пространство, като се отчита и ориентацията на обработващия инструмент (крайното изпълнително устройство). Роботът движи обработващия инструмент така, че той да следва предварително програмирана траектория. За целта контролерът първо трябва да изчисли траекторията и характеристиката на всеки двигател и да следи целия процес. При изчисляването на траекторията се определят скоростта на въртене и посоката на въртене на всеки двигател, така че всички оси да достигнат до целта едновременно (т. е. необходимото движение по всяка от осите трябва да бъде извършено за едно и също време от стартирането на движението до достигането до целта). За реализиране на гладко и точно следване на заложената траектория на движение двигателите за всяка от осите се оборудват с преобразуватели (например сензори за положение и др.), които дават информация на контролера за текущите позиция на вала на двигателя, скорост, ускорение и посока на въртене. Ако информацията за действителната траектория, получена от сензорите при обратната връзка, се различава от зададената траектория, изпълнението на програмата спира.
Вариант на управление на роботите е т. нар. управление „от точка до точка” (point-to-point control), при което се следи само положението на стартовата и целевата точки, като траекторията между тях не се контролира и е функция на разстоянията и скоростите по осите. В зависимост от синхронизацията на движенията, управлението „от точка до точка”, може да бъде точка по точка (one joint at a time) или без синхронизация (slew motion). При първия вид движението по отделните оси е последователно, като в даден момент има движение само по една ос.

Последователността на движение по отделните оси е известна предварително. Траекторията е съвкупност от отсечки или/и сегменти, в зависимост от вида на управляваните оси (транслационни или ротационни). Преходните точки между отделните движения са трудно дефинируеми. При управлението без синхронизация всички степени на свобода започват движение едновременно, със скорости по подразбиране за всяка ос. В общия случай тези скорости са постоянни, но не са равни. Траекторията на движение е зависима както от кинематиката на робота, така и от съотношението на скоростите на отделните оси.

Съществува и вариант, при който движенията по всички оси започват и завършват едновременно (linear joint interpolation). Това се постига чрез използване на скорости по всяка ос, пропорционални на разстоянието, което трябва да се премине.

Видове роботи
Класификацията на роботите може да се направи по много различни критерии: степени на свобода; подвижност; движение на ставите; размер; товароносимост; енергиен източник; геометрия; управление; приложни области. За да може един робот да достигне до всяка точка в пространството, той трябва да притежава минимум 6 степени на свобода – три за позициониране и три за ориентация. Признакът подвижност на роботите се свързва с това дали тяхната основа се движи спрямо работното пространство. По този показател съществуват два основни типа – стационарни и мобилни. Според начина на закрепване на работното място биват: подови; окачени и вградени. В конструкцията на окачените роботи може да бъде предвидено устройство за закрепването им – портал, колона и др.

Според начина на изпълнение на управляващата програма промишлените роботи се делят на следните видове:
- Промишлени роботи, които осъществяват последователност от сравнително прости операции от вида „хващане – поставяне” на детайлите. След извършване на определения цикъл от движения, роботът се връща в началното си положение. При тези роботи се контролират координатите на дадени точки от траекторията на работния орган, като се изисква точното им спазване.

- Промишлени роботи, които изпълняват продължителен работен цикъл с голям брой точки на позициониране на работния орган. При двата разгледани вида роботи не се изисква контрол на траекторията при преминаване от една точка до друга.

- Промишлени роботи, чиито работни органи се движат по зададена криволинейна траектория с определена скорост за различните участъци. Тази скорост обикновено се определя от технологичните ограничения на изпълняваната операция.

Следващият показател, по който се класифицират роботите е по геометрията на движението на осите им на отделните звена. Според този признак те се делят на: декартови (линейни); цилиндрични; сферични (полярни); SCARA; антропоморфни (ротационни); с паралелна топология и др. типове роботи.

Декартовите роботи имат линейни призматични направляващи, осите на които съвпадат с тези на декартовата координатна система – x, y и z. В допълнение могат да им бъдат добавени една, две или три въртящи се стави за ориентация в пространството. Типичните им приложни области са: монтажни операции, цифрови металообработващи машини, електродъгово заваряване. Размерите на работното им пространство могат да варират от няколко кубични сантиметра до десетки хиляди кубични метра, а товароподемността им достига до стотици килограми.

При цилиндричните роботи осите на движение образуват цилиндрична координатна система. Най-често това се постига като първата става е въртяща, а останалите две са призматични. Намират приложение при монтажни операции, металообработване, точково заваряване, товаро-разтоварни дейности.

Сферичните манипулатори имат две въртящи стави, перпендикулярни една на друга и една призматична, формиращи полярна координатна система. Използват се в леярната индустрия, за заваряване, в металообработването.

SCARA (Selective Compliant Articulated Robot for Assembly или Selective Compliant Articulated Robot Arm) е специализиран индустриален робот с подсилено раменно окачване. Типичната конфигурация включва две успоредни оси на въртене (обикновено вертикални), призматична и въртяща се става при основата.

Осите на въртене на антропоморфните (ротационните) роботи най-малко могат да бъдат три, като типичната конфигурация най-често включва шест оси. Всички те са свързани във верига, като втората и третата са разположени в една равнина с цел постигане на движение по вертикала. Оста на основата е вертикална, за да може да се постигане по-голям обем работно пространство. Приложните области, в които се използват ротационните манипулатори, са електродъгово и точково заваряване, монтаж, почистване, боядисване, леене, шприцоване, палетизиране, опаковане, транспортиране на товари, предварителна подготовка на детайли.

Роботите с паралелна топология  използват подобни механизми за движение на основата или на рамената си, каквито използват и всички останали роботи. Разликата от предходните е в това, че крайните изпълнителни механизми на робота (обикновено 3 или 6) са независимо свързани към основата му и работят в паралел.