Pick-and-place роботи

АвтоматизацияСп. Инженеринг ревю - брой 8/2019 • 28.11.2019

Днес все повече предприятия инвестират в модерни средства за автоматизация, за да повишат ефективността и производителността си. Така роботите за pick-and-place приложения се превръщат в популярно решение в редица съвременни производства. Те са проектирани за изпълнението на прости и повторяеми задачи, а това се оказва приложната сфера, в която индустриалните роботи носят най-много ползи на производителите. Pick-and-place системите типично са предназначени за фиксиран монтаж на стабилна стойка и се позиционират така, че манипулаторът на робота да достига всички части на работната зона. Основната им функция е да повдигат обекти от поточна линия или като част от програма за роботизирано обслужване на различни машини и да ги преместват на друго място, като за максимална прецизност използват системи за машинно зрение.

С навлизането на концепцията за Industry 4.0 във все повече промишлени отрасли технологичното развитие в сферата на колаборативната роботика и все по-достъпните цени на роботизираните системи, приложенията на pick-and-place роботите непрекъснато нарастват в сектори като автомобилостроенето, електронното производство, хранително-вкусовата и опаковъчната индустрия, металообработката и машиностроенето, производството на пластмасови изделия, фармацевтичната и химическата промишленост и др.

 

Устройство и принцип на работа

Pick-and-place роботите са мехатронни системи, управлявани от микроконтролери, които извършват детекция на даден обект, повдигат го от изходното му местоположение и го преместват на друга зададена локация. За целта те трябва да бъдат предварително програмирани. В зависимост от приложението, роботът може да е с цилиндрична координатна система и да се движи по хоризонтална, вертикална и ротационна ос или със сферична координатна система и да извършва движение по две ротационни и една линейна ос. Други популярни конфигурации са шарнирните (съчленени) роботи, както и фиксираните SCARA роботи с рамена, движещи се по три ротационни вертикални оси.

Детекцията на обекти се извършва посредством различни сензори, включително инфрачервени и пироелектрически датчици. Базовата функция на захващане, повдигане и поставяне на обекта се изпълнява благодарение на шарнирните съединения (ставите) на робота. По подобие на човешките стави тези съединения свързват две неподвижни последователни секции от рамото на робота. Движението им може да е линейно или ротационно.

За да се добави шарнирно съединение към някой сегмент от роботизираното рамо, е необходимо да се изчислят т. нар. степени на свобода (степени на движение) за този конкретен елемент. Степента на свобода описва възможното линейно и ротационно придвижване на сегмента, а степента на движение определя броя на осите, по които сегментът може да променя пространствената си позиция.

Най-простият механизъм за управление на един pick-and-place робот е чрез контролиране на движението на манипулатора му. Задвижването на системата може да е хидравлично или пневматично. Като много ефективни в практиката се оказват конфигурациите, задвижвани посредством електродвигатели. Управлението на работата на двигателите позволява прецизна работа на робота и неговия манипулатор.

 

Приложения

Pick-and-place роботите се използват в широка гама приложения в зависимост от необходимата степен на автоматизация и обектите, с които се борави. Счита се, че системите от този тип имат четири основни приложения в индустрията: в линии за асемблиране, при опаковъчни операции, при избор на разнородни детайли или компоненти от контейнер и в автоматизираната визуална инспекция на продукцията.

Pick-and-place системите за асемблиране са предназначени за повдигане на даден компонент от транспортна линия и поставянето му върху друг компонент. Обикновено готовата сглобка се отвежда чрез друг конвейер към следващата работна станция. В опаковъчните приложения роботите изпълняват подобна функция, но вместо върху друг компонент, те поставят изделието върху (или във) опаковъчния контейнер. Тази дейност типично се извършва с висока скорост.

Pick-and-place роботите, оборудвани с модерни системи за машинно зрение, могат да бъдат ефективно използвани за комплексни приложения, свързани с вземане на подходящата част или детайл от контейнер и поставянето им на поточната линия за по-нататъшна обработка.

Важно приложение имат pick-and-place системите и във автоматизираната визуална инспекция на различни производствени приложения, при която роботът осъществява мониторинг чрез платформа за машинно зрение на преминаващите покрай него обекти върху поточната линия, открива и отстранява дефектните.
Освен за тези четири основни групи дейности, pick-and-place роботи често се използват и при т. нар. роботизирано обслужване на машини (machine tending), например на металообработващи центри. В сферата на отбраната pick-and-place роботите намират приложение в повдигането на потенциално опасни обекти (включително бомби) и тяхното последващо обезопасяване. Системи от този тип се срещат и в медицината, където изпълняват с голяма прецизност задачи в сложни хирургични интервенции като подмяна на стави, ортопедични операции и т. н.

Мащабът на индустриалното приложение обикновено определя и характера на необходимите pick-and-place операции, както и типа на роботизираната система, която ще се използва за целта. Най-малките pick-and-place конфигурации традиционно намират приложение в работата с малки по размер изделия, които трябва да бъдат премествани на къси разстояния. Такива са например опаковането на шоколадови бонбони, преносът на дребни детайли от един конвейер на друг, поставянето на електронни компоненти върху печатна платка, ориентирането на дребни обекти в правилната посока преди последващо допълнителна обработка и др.

Средни по размер pick-and-place роботи се използват в боравенето с по-едри обекти, които се преместват на по-големи дистанции, например в хранително-вкусовата промишленост, при транспортирането на детайли от една металообработваща машина на друга, асемблирането на изделия и т. н.

Най-големите индустриални pick-and-place роботи намират приложение в производството на едрогабаритни изделия, които са с големи размери и тегло (от порядъка на 100 до 1000 кг). Такива са например автомобилните детайли и купета в автомобилостроенето, които се поставят на поточни линии, големи стъклени или метални плоскости, както и широка гама други едри и тежки индустриални продукти.

 

Предимства

Сред основните предимства на pick-and-place роботите са тяхната скорост, прецизност и постоянство при изпълнението на повторяеми задачи. Някои модели могат да преместят до 200 обекта в минута, а специализираните във визуалната инспекция конфигурации могат да идентифицират по около 100 преминаващи покрай тях обекта в секунда. В допълнение, грешките в позиционирането на изделията се свеждат до абсолютния минимум при правилно подбрана и конфигурирана pick-and-place система.

Постоянно високата точност на работа на роботите от този тип им позволява прецизно и напълно автоматизирано да изпълняват монтажни операции, качествен контрол, фини опаковъчни задачи и др. В резултат от внедряването им значително се повишава скоростта, ефективността и производителността, елиминират се човешките грешки и драстично се редуцират по брой и времетраене производствените прекъсвания. Така pick-and-place роботите гарантират бърза възвръщаемост на инвестицията и освобождават човешки ресурс за по-отговорни стратегически дейности.

Благодарение на своята висока точност, голям обхват и прецизност на манипулатора и фини сегменти на рамената тези роботи могат да изпълняват широк набор от сложни и отговорни задачи във високопрецизни приложения.

Водещо предимство на pick-and-place системите е и тяхната гъвкавост – те могат да бъдат лесно програмирани да се адаптират към множество промени във формата и типа на обектите, с които боравят. Гъвкавостта им се проявява и в буквален смисъл при тяхната работа, която максимално наподобява плавността на човешките движения, но се извършва с много по-голяма скорост, точност и повторяемост. Всички движения на робота са строго регулирани, което спомага за постигане на един и същ резултат при многократното изпълнение на дадено действие.

Постоянно високото качество на работа на pick-and-place роботите им помага трайно да повишат качеството на продукцията и да съкратят производствените цикли. Така се подобрява устойчивостта на производството в дългосрочен план.

Не е за подценяване и пространствената ефективност, която роботизираните системи в сегмента осигуряват. Те са целенасочено проектирани с компактна база, която позволява максимално ефикасно оползотворяване на наличното място в цеха. Програмирането им да се движат в стриктно ограничена работна зона спомага за допълнително ограничаване на необходимото пространство за експлоатацията им.

Експертите посочват като водещо предимство на pick-and-place роботите и повишаването на безопасността за персонала, което правят възможно. Заместването на служителите в трудоемки, повторяеми и монотонни задачи значително намалява здравословните рискове за служителите, особено в приложения, които налагат боравенето с по-едри и тежки изделия. Възможността на роботите да работят с постоянно висока надеждност, без нужда от почивки и болнични и независимо от стреса и натоварването, позволява многократно подобряване на производителността. В допълнение, разходите за трудова медицина на персонала и за дефектна продукция вследствие на човешка грешка, значително намаляват.

Що се отнася до оперативните разходи, те допълнително се редуцират от по-малките разхищения на ресурси и суровини и по ефективното оползотворяване на работните часове. След бързото възвръщане на първоначалната инвестиция, pick-and-place роботът веднага започва да носи дългосрочна печалба на предприятието.
Не на последно място, основно предимство на роботите за pick-and-place операции е възможността им да работят с огромен асортимент от изделия, независимо от техните размери, форма, тегло, крехкост и т. н. Единственото необходимо за прецизно изпълнение на задачата е избор на подходящия хващач за съответното приложение – щипка, вендуза, пръстовиден държач, магнит и т. н.

 

Видове конфигурации

Pick-and-place роботите се предлагат в широк набор от конфигурации. Изборът на решение за дадено приложение зависи изцяло от спецификите му и изискванията на производителя. Индустриалният робот може да бъде закупен като готово стандартно решение или да бъде конфигуриран на базата на функционални модули според конкретната задача, която ще изпълнява, обектите, с които ще борави, наличното пространство и изискванията за скорост, точност и производителност. Pick-and-place роботите позволяват работа в изцяло автоматичен режим, без нужда от намесата на оператор.

Най-популярните модели са роботизираните рамена (ръце), които могат да бъдат конфигурирани за богат асортимент от продукти и технологични линии. Стандартните конструкции са 5-осни роботи за pick-and-place операции спрямо хоризонталната равнина, но често се използват и 6-осни роботи за работа с детайли, чието местоположение и ориентация трябва да бъде промененяно по всички координати.

Широко приложение в индустрията намират и работещите в декартова координатна система (декартови) pick-and-place роботи, както и делта роботите с паралелна кинематика, предназначени за монтаж над конвейерните линии за високоскоростни pick-and-place операции. На пазара се предлага и специален сегмент високоскоростни pick-and-place системи, които са способни да изпълнят над 150 работни цикъла в минута.

Все по-популярни в промишленото производство стават колаборативните pick-and-place роботи, които позволяват безопасна работа в споделена работна зона с оператор, без нужда от предпазни ограждения или други защитни средства. По-традиция коботите са по-бавни, леки и компактни, с по-малка товароносимост и това сравнително лимитира приложенията им до задачи без повишени изисквания за скорост, както и до такива, включващи работа с по-дребни и леки изделия в по-малки партиди. Сред популярните дейности, които се възлагат на роботи от този клас, е например вземането на бутилка от конвейер и поставянето й в машина (пълначна, етикетираща и др.)

Предвид компактните им размери коботите са отлично решение за производствени цехове, в които пространството е ограничено. В допълнение, колаборативният pick-and-place робот може лесно да бъде преместван от една линия в друга, тъй като работата му не изисква предпазни заграждения и други фиксирани средства за сигурност. Това осигурява висока гъвкавост и възможност за автоматизиране практически на всяка ръчна операция.

Обикновено коботите са с клас на защита IP-54, който ги прави подходящи за голяма част от стандартните индустриални приложения. Използването им в силно агресивни (например корозивни) среди обаче налага допълнителна защита.

Въвеждането в експлоатация на pick-and-place роботите, независимо от избраната конфигурация, изисква опитни специалисти в сферата на индустриалната автоматизация – програмисти, CAD проектанти и машинни инженери.

 

Системни елементи

Конфигурацията на pick-and-place роботите традиционно включва тялото на робота (с кинематика в цилиндрични, сферични или декартови координати), неговите шарнирни съединения и сегменти/рамена; хващач; задвижвания; сензори и контролер. Задвижването може да е със серводвигатели, стъпкови мотори, пневматични или хидравлични цилиндри. Сензорите се грижат за осигуряване на плавната и безопасна работа на робота. Те могат да са сензори за допир, инфрачервени датчици и др. Контролерът се използва за управление на задвижванията на база данните от сензорите. Така се постига управление на движението на всеки сегмент и шарнирно съединение, както и на хващача.

Една индустриална pick-and-place система обикновено включва робот, блок за управление с бутони или сензорен екран, предпазни бариери или прегради, както и конвейер. Блокът за управление позволява свързване с останалото оборудване в производствената линия, включително с конвейерната лента, както и отдалечен мониторинг и настройка.

 

Високоскоростни pick-and-place роботи

Високоскоростните pick-and-place роботи са предназначени за приложения, в които бързината на изпълнение на операциите е ключов приоритет. В такива дейности рисковете за здравето на служителите от ергономичен характер са твърде високи поради необходимост от извършване на повторяеми движения в продължителни периоди от време. Ето защо pick-and-place роботите се налагат като най-подходящо решение предвид изискванията за висока скорост и ефективност.

Обикновено роботът се монтира на стойка, която му позволява да достига всички зони на работния си периметър. Обектите, които подлежат на високоскоростни pick-and-place операции, навлизат в работната зона на робота, само след като система за машинно зрение е потвърдила правилната им ориентация и местоположение. В допълнение, обектите преминават проверка и за размери, форма и други заложени от производителя показатели.

Високоскоростните pick-and-place роботи се използват в комбинация с високоскоростни транспортни линии, като в резултат могат да осигурят изключително голяма производителност за единица време и да обработят до 200 обекта в минута. Системите за автоматизирана визуална инспекция могат да са 2D- или 3D-базирани в зависимост от изискванията на приложението и да инспектират по около 100 преминаващи покрай камерата/сензора обекта в секунда. Сензорите и другите елементи на системата за машинно зрение също са предназначени за фиксиран монтаж и позволяват гъвкавост при подбора на позиция за инсталация, както и висока прецизност.

Освен ефективността и производителността, високоскоростните pick-and-place роботи значително повишават и безопасността на приложението. Прецизността при позициониране, независимо от високата скорост, може да достигне до минимално отклонение от желаната позиция. Самият робот е в интерфейсна връзка с персонален компютър или програмируем логически контролер.

Приложенията на високоскоростните роботи включват бързи монтажни операции в линии за асемблиране, визуална инспекция и качествен контрол, високоскоростни опаковъчни или сортировъчни операции.

 

ЕКСКЛУЗИВНО

Top