Инструментална екипировка за индустриални роботи и манипулатори

АвтоматизацияСп. Инженеринг ревю - брой 2/2021 • 21.04.2021

Инструментална екипировка за индустриални роботи и манипулатори
Инструментална екипировка за индустриални роботи и манипулатори
  • Различните типове специализирани инструменти включват хващачи, заваръчни горелки и клещи, дюзи за нанасяне на покрития, инструменти за отнемане на материал и др.

  • Изборът на крайно изпълнително устройство изисква цялостен анализ на потребностите на приложението, потенциалните разходи, необходимата функционалност, гъвкавост и прецизност

  • Потребителите все по-често търсят универсални решения, подходящи за захващането на различни типове обекти

 

Крайните изпълнителни устройства са ключов елемент от съвременните роботизирани системи. По дефиниция това са компонентите, монтирани в края на роботизираното рамо или манипулатор, които му позволяват да взаимодейства по различен начин с околната среда. Познати още като EOAT (End-of-arm-tooling) инструменти, периферни устройства или аксесоари, те осигуряват функционалността на системата и непрекъснато се развиват в технологичен план, паралелно със самата индустриална роботика.

В тази категория попадат всички типове механизирано оборудване, които могат да бъдат инсталирани на китката на робота и да взаимодействат пряко с частите, детайлите и изделията, с които системата борави. Такива са различните типове хващачи и специализирани инструменти за роботи, включително заваръчни горелки и клещи, дюзи за нанасяне на покрития, инструменти за отнемане на материал и др.

 

Специфики

Инструменталната екипировка за роботи и манипулатори включва крайни устройства с електрическо, хидравлично, механично или пневматично задвижване. На пазара се предлага широко разнообразие от конструкции със съответните дизайн и функции, включително т. нар. ъглови и паралелни системи, които се отличават по принципа и траекторията си на движение и са подходящи за различни приложни сценарии. Изборът на подходящ инструмент за дадено приложение се свежда до множество фактори, свързани с конкретните потребности, като от основно значение е и видът на обектите, с които роботът или манипулаторът ще борави – тяхната големина, форма, ориентация и т.н.

С еволюцията при индустриалните роботи и контролери и разширяването на тяхната мощност и функционалност, сред основните приложения на крайните устройства се нареждат произволното избиране на обект от контейнер (random bin picking), pick-and-place операциите, заваряването, боядисването и нанасянето на покрития и др.

Предимствата и недостатъците на даден модел инструмент за дадено приложение зависят от неговото устройство и задвижване, консумация на мощност, размер, сложност, тегло, експлоатационни изисквания и т. н. Пневматичните крайни изпълнителни устройства например покриват повечето приложни сценарии в опаковъчната индустрия благодарение на оптималното си съотношение “тегло-към-мощност”. В тази област се използват както по-прости двупръсти хващачи, така и комплексни системи с множество сензори за роботизирана инспекция.

Инструментите за роботи могат да бъдат сменяни, за да изпълняват разнообразни задачи, както и да бъдат проектирани с повече от една функция, за да е възможно извършването на множество процеси от едно и също устройство с един монтаж.

С напредъка при индустриалните роботи за различни отрасли постоянно се усъвършенства и инструменталната екипировка в сегмента. Производителите предлагат богат асортимент от крайни изпълнителни устройства с различно предназначение, като в много случаи дори привидно изглеждащите по един и същи начин модели се отличават в широки граници по своите спецификации.

Безспорно пневматичните устройства са сред най-популярните решения в практиката, тъй като позволяват лесна интеграция и се характеризират с висока мощност при сравнително компактни размери. Според функцията най-масово използвани са хващачите поради големия потенциал за автоматизиране именно на монтажните и на т. нар. pick-and-place задачи в индустриалното производство, които изискват вземане на даден обект от поточна линия и последващото му поставяне на друга локация в транспортната система.

 

Класификация

На пазара е достъпно изключително голямо разнообразие от крайни изпълнителни устройства за индустриални роботи и манипулатори, но най-общо можем да ги поставим в две основни категории – хващачи и специализирани инструменти. Те се отличават по технологията си на задвижване (електрически, пневматични, вакуумни, магнитни и т. н.), както и по специфичната си функция (за заваряване, боядисване, рязане, пробиване и др.)

Електрическите хващачи използват електродвигатели за задвижване на своите пръсти или челюсти. Предимство при тях са възможностите за прецизно управление на скоростта и позицията. Т. нар. адаптивни електрически крайни изпълнителни устройства са подходящи за приложения като манипулиране с различни изделия, обслужване на машини, случайно избиране на изделия от контейнер и т. н.

Пневматичните хващачи използват сгъстен въздух за задвижване на принципа на бутална система. Движението на устройството може да бъде паралелно или по ъглово направление.

Т. нар. вакуумни хващачи с вендузи са сравнително евтино и гъвкаво решение за боравене с широк набор от обекти с различна форма, размери и крехкост. Особеност при тях е, че не могат да захващат перфорирани детайли поради невъзможността да бъде създаден необходимият за захващане вакуум между тях и устройството.

Магнитните хващачи работят на сходен принцип, но са ограничени до работа с метални изделия. Магнитната сила, за разлика от сгъстения въздух и вакуума, не изисква мощност и съответно – разходи за генериране, а е постоянна величина. В допълнение, тук не е налице риск от изпускане на обекта, с който се манипулира, ако се прекъсне подаването на електричество или въздух под налягане. Сред предимствата им са още опростеният дизайн и ниските изисквания по отношение на поддръжката.

Специализираните инструменти за роботи и манипулатори се проектират за изпълнението на различни задачи. Дадено роботизирано рамо може да е тясно специализирано само за един вид накрайник или да работи с цял набор от различни видове, за да обезпечи различни функции.

Сред най-популярните приложения на решенията в този сегмент е роботизираното заваряване, което се отличава с висока прецизност и постоянни резултати. Това го прави предпочитана алтернатива на човешкия труд например в автомобилната индустрия. Постепенно приложенията на заваръчните роботи се увеличават и в други промишлени отрасли, а паралелно с това – и тяхната функционалност. В много производства се използват т. нар. обучителни терминали, които “преподават” на робота с монтирана заваръчна горелка различни траектории в движение, без да е необходимо задълбочено предварително проектиране. Тези иновации насърчават колаборацията между заваръчните роботи и техните оператори и осигуряват гъвкава адаптация на системата към променящите се работни условия и изисквания.

Друго изключително популярно приложение на специализираните инструменти за индустриални роботи е боядисването и нанасянето на покрития. Поначало това са трудни и деликатни задачи, тъй като изискват гладко и равномерно депозиране на съответния материал. Тъй като рисковете за хората от натравяне с химическите вещества, които се съдържат в лако-бояджийските системи, са сериозни, роботите постепенно и напълно ги изместват в промишленото нанасяне на покрития. За целта се използват специални затворени камери с контролирана среда. Роботизираните решения са отличен избор за такива приложения, тъй като осигуряват висока и постоянна прецизност, равномерно покритие на повърхностите и безупречно качество при различни дебелини на слоевете.

Останалите видове инструменти на пазара обикновено се обединяват в категорията “специализирани”. Такива са персонализираните накрайници за пробиване, рязане, почистване, полиране и др., проектирани според конкретните клиентски изисквания.

 

Решения за колаборативни роботи

С разширяването на приложенията на колаборативните роботи в различни сектори на индустрията нараства и разнообразието от възможности по отношение на крайните изпълнителни устройства, които им позволяват да взаимодействат с елементите на работната среда. Най-популярни и тук са хващачите, които са водещ избор при монтажните и pick-and-place операциите. Механичните хващачи са снабдени с механизирани пръсти или челюсти за захващане на различни обекти и обикновено разполагат с опции за настройка на силата и хода на устройството. Така може максимално да бъде наподобена сръчността на човешката ръка при захващането на съответните компоненти и изделия. Броят на пръстите, с които е оборудван хващачът, зависи от устройството и предназначението му, като най-популярни са моделите с 2 до 4 пръста. Всеки от тях обикновено е заменяем, за да е възможно максимално да бъде удължен експлоатационният живот на системата дори при повреди.

Много колаборативни роботи в практиката са оборудвани и с вакуумни държачи с вендузи, които се предпочитат за захващане на обекти с неравни повърхности или неправилна форма. Традиционните вакуумни хващачи функционират с външни системи за подаване на въздух и генериране на вакуум, които обаче изискват високи разходи за поддръжка. По-новите модели могат да бъдат и с електрическо задвижване, което освен разноските свежда до минимум още шума и запрашаването в работната среда.

Популярно решение са и т. нар. адхезивни хващачи, които се “залепят” за обектите, вместо да ги повдигат и задържат. Такива решения се използват например в текстилните фабрики за боравене с различни леки платове. За съжаление обикновено адхезивната сила на хващачите намалява с всеки работен цикъл и след определен период на работа се изисква тяхната подмяна.

Важна категория крайни изпълнителни устройства както при конвенционалните индустриални роботи, така и при коботите, са сензорите. Те им осигуряват усещане за допир и разширяват възможностите за манипулиране дори на крехки и чупливи обекти, както и изпълнението на деликатни задачи, които иначе биха изисквали чувствителността на човешката ръка за ефективно изпълнение.

Популярен продукт в сегмента са сензорите за сблъсък, които целят да предпазят както персонала, така и самия робот при съприкосновение между манипулатора му и даден обект в работния обхват. При такива сценарии сензорът може или да подаде сигнал за необходимост от изключване на робота, или за възстановяване на оригиналната му позиция с цел минимизиране на евентуалните щети от последващото му движение.

Сензорите за сила и въртящ момент са често използвана технология, която осигурява прецизно измерване на тези параметри и възможност за пълно управление на движенията на робота. Благодарение на сензорите от този тип дори и някои от най-комплексните процеси и задачи в индустрията подлежат на автоматизация. В голяма част от продуктите в този сегмент са интегрирани и функции за защита от сблъсък, които елиминират нуждата от инвестиция в отделен сензор за тази цел. В много случаи инструментите за индустриални роботи и манипулатори се комбинират със съответните сензори с цел осигуряване на оптимална ефективност.

 

Инсталация, експлоатация, избор

Всеки отделен вид крайно изпълнително устройство се задвижва и управлява по различен начин. Необходими са съответните комуникационни протоколи, програмни интерфейси и настройки, за да бъде пуснат инструментът в експлоатация и да изпълнява точно заложените му задачи.

Инсталационният процес включва няколко основни стъпки. Първата се състои във физически монтаж на желания накрайник към китката на робота. Следва свързването на съответната електрическа, пневматична, хидравлична (и т.н.) система, която обезпечава задвижването на изпълнителното устройство. Необходимо е още осигуряване на връзка и между комуникационните интерфейси на инструмента и контролера на робота или компютърния блок за управление. Последната базова стъпка обхваща интегриране на програмен код за крайното устройство в основната програма на робота. Доскоро този етап представляваше най-сериозно предизвикателство за инсталаторите, но с подходящия софтуер за програмиране днес той обикновено не отнема повече от 5 минути.

Същинската експлоатация на крайните изпълнителни устройства включва подмяна на инструмента, като за целта често се ползват автоматизирани решения. Те добавят гъвкавост и прецизност към приложението, ускоряват и улесняват процеса и елиминират рисковете от човешка грешка при избора и монтажа на инструмент.

Така само за секунди заваръчната горелка на робота може да бъде заменена от бояджийски пистолет или друго решение. Освен върху висока точност, съвременните дизайни на системите за автоматизирана смяна на инструмента са фокусирани и върху малкото им тегло, за да не се отнема излишно от товароносимостта на робота.

Управлението на крайното изпълнително устройство обикновено се извършва от контролера на робота. При по-простите инструменти се използват дискретни I/O модули. По-сложните решения, които обменят и повече информация с робота, типично изискват съответния комуникационен протокол.

Критериите за избор на крайно изпълнително устройство задължително включват цялостен анализ на потребностите на приложението, потенциалните разходи, необходимата функционалност, гъвкавост и прецизност. Пневматичните устройства се налагат като предпочитана технология в много случаи, тъй като са относително прости, доказали са се в дългогодишната практика и за тях са масово налични резервни части на пазара. Те са високоефективни при инициирането на работна сила и движение.

Предимство на хидравличните устройства е възможността им да генерират големи сили на захващане и да сработват изключително бързо, а същевременно и прецизно. Особеност при тях е необходимостта от мощен компресор, който да изтласква хидравличния флуид, което традиционно повишава сложността и цената на една такава система.

Паралелните изпълнителни устройства са предпочитан избор при работа с ясно дефинирани по форма, размери и/или ориентация обекти. Паралелните челюстни хващачи с 2 или 3 пръста са популярно решение в сегмента, като най-високи резултати постигат при предварително ориентирани в подходящото направление еднородни обекти. При разнородни изделия, които се различават по форма, вид и крехкост, е препоръчителен изборът на по-гъвкаво решение, за предпочитане – с интегрирани сензори за сила на захващане, за да не бъде допуснато тяхното повреждане.

Основен плюс на ъгловите устройства е това, че са бързи и компактни. Специфичната им работна траектория обаче значително ограничава набора от изделия, с които могат да работят.

 

Пазарни тенденции

Динамиката на съвременния пазар в сферата на инструменталната екипировка за индустриални роботи и манипулатори тласка производителите към разработката на хибридни решения, които обезпечават изпълнението на повече от един тип задачи с едно и също устройство. Обикновено това налага и интеграцията на различни типове технологии в задвижването и управлението на хибридните крайни устройства. Потребителите все по-често търсят универсални решения, подходящи за захващането на различни типове обекти, за да е възможна продуктовата диверсификация, без нужда от големи капиталовложения в отделни системи.

Сред най-търсените модели инструментална екипировка за приложения в сферата на производството на потребителски стоки и опаковъчната промишленост са олекотените високопрецизни устройства, които наподобяват функционалността на човешката ръка. Популярни са вакуумните държачи, които осигуряват управляема сила на захващане, многократно надминаваща размерите им. Те са подходящо решение за крехки и чупливи изделия, например в електрониката, хранително-вкусовата индустрия и т. н. При пневматичните системи по-лекото захващане се постига чрез управление на налягането в системата и редуциране на работната сила.

Друга тенденция, насочена към осигуряване на “по-деликатно докосване” от страна на крайните изпълнителни устройства, е “обличането” им в даден материал, например силикон, каучук, полиуретан или пък специализирано високотехнологично покритие, имитиращо кожа и осигуряващо различни свойства на роботизираните ръце.

За работа с разнообразни изделия, изискващи различни инструменти, производителите на инструментална екипировка предвиждат интегрирането на радиочестотни тагове или етикети, които да гарантират правилния избор на накрайник според обекта на манипулиране.

Сред модерните технологии, които намират все по-голяма интеграция в крайни изпълнителни устройства за роботи и манипулатори, са добавената реалност, машинното обучение, IIoT, изкуственият интелект, алгоритмите за обработка на големи обеми данни и др. С помощта на AR решения операторите могат по-интуитивно да комуникират с роботите и да ги управляват, прецизно планирайки траекторията и ориентацията на инструменталната им екипировка в реално време.

С технологичното усъвършенстване на крайните изпълнителни устройства нарастват и приложенията на индустриалните роботи и манипулатори в различни отрасли.

В особена степен това се отнася за колаборативните роботи, които стават все по-интелигентни, адаптивни, независими и прецизни. Разширява се пазарната реализация и на иновативни разработки като бионичните хващачи, вдъхновени от живи организми, като октоподите и медузите; хващачите, които използват микровлакна вместо вендузи или съчленени пръсти; специализираните инструменти за бране на плодове и зеленчуци, проектирани за гъвкаво захващане и отрязване на дръжките и т. н.

 

ЕКСКЛУЗИВНО

Top