6.3. Промышленные роботы

Робот-автомат осуществляет механические действия, подобные действиям человека при выполнении физической работы.

В условиях ускоренного научно-технического прогресса, когда объекты производства часто меняются и повышаются требования к качеству продукции, технологические системы должны быть быстропереналаживаемыми на выпуск новой продукции по более прогрессивной технологии. Традиционные средства автоматизации (автоматические линии) требуют много времени и затрат на перенастройку при смене объектов многономенклатурного производства. В этих условиях использование промышленных роботов на основных технологических операциях, на вспомогательных и транспортных работах позволяет создавать многофункциональные легко переналаживаемые технологические системы. Такие системы способны оперативно реагировать при изменении объектов производства.

Высвобождение человека из производственного цикла с его усталостью, эмоциями, рассеянностью за счет применения роботов создает условия более жесткого соблюдения всех технологических требований, что существенно повышает качество изделий и стабильность их выпуска. Замена человека роботом облегчает переход на двух- и трехсменную работу, что существенно повышает степень использования технологического оборудования.

Широкие возможности открывает применение роботов на пути создания принципиально новых технологических процессов, которые не связаны с ограниченными физическими возможностями человека (грузоподъемности, быстродействия, повторяемости и т. п.). Технологические процессы без непосредственного участия человека создают условия для многократного повышения производительности труда и значительного увеличения выпуска продукции. Разработка новых технологий связана с созданием нового оборудования, рассчитанного уже не на человека, а полностью на использование промышленных роботов.

В этих условиях требуется разработка новых принципов организации и управления работой технологической системы на базе применения ЭВМ и микропроцессорной техники.

Помимо конкретного технико-экономического эффекта, связанного с повышением производительности труда, сменности работы оборудования, повышением качества продукции, сокращением производственных площадей и высвобождением трудовых ресурсов, применение промышленных роботов имеет и большое социальное значение, которое заключается в освобождении человека от тяжелого, опасного и монотонного труда.

Замена ручного труда машинным с участием промышленных роботов приведет к ликвидации производственного травматизма и многих профзаболеваний.

Промышленные роботы классифицируют по назначению, конструктивным параметрам, способу управления, по быстродействию и точности движений. (табл. 6.1).

Таблица 6.1. Классификация промышленных роботов

Классификационный признак	Классификационные деления
	Группа	Тип, параметр
Назначение	Основные, вспомогательные	Универсальные, специализированные, специальные
Конструктивные показатели	Тип приводов	Пневматический, гидравлический, Электрический
	Грузоподъемность	Сверхлегкие (до 1 кг), легкие (св. 1 до 10 кг), средние (св. 10 до 200 кг), тяжелые (св. 200 до 1000 кг), сверхтяжелые (св. 1000 кг)
	Число манипуляторов	Одноманипуляторные, двухмани- пуляторные и т. д.
	Параметры рабочей зоны	Прямоугольная, цилиндрическая, сферическая, угловая
	Подвижность	Подвижные, стационарные
	Способ размещения	Напольные, подвесные, встраиваемые
	Исполнение	Нормальное, пылезащитное, влагозащитное и др.

Если назначение робота связано с выполнением основной технологической операции, т. е. с изменением состояния предмета труда (сварка, пайка, сборка и т. п.), то такие роботы принято считать основными. Роботы, выполняющие вспомогательные технологические приемы (установка заготовок в приспособление, удаление отходов из рабочей зоны прессов, контроль размеров и т. п.), составляют группу вспомогательных автоматов.

Универсальные роботы предназначены для выполнения различных технологических операций и могут работать в различных технологических процессах, с различными видами оборудования. Универсальные роботы могут, например, устанавливать заготовку на токарный станок, производить разливку металла в формы и выполнять окраску изделий.

Специализированные промышленные роботы выполняют однородные технологические операции и приемы в определенном параметрическом диапазоне (например, обслуживание штамповочного пресса или токарного станка).

Специальные роботы предназначены для выполнения только конкретной технологической операции или приема (например, сборочный робот для сочленения двух деталей или для установки камня в часовой механизм).

Широкие технические возможности универсальных роботов отражаются, как правило, на их высокой стоимости: чем выше специализация промышленного робота, тем ограниченнее его технические возможности и ниже стоимость.

В роботах применяются все известные типы приводов: пневматические, гидравлические и электрические.

Основные исполнительные устройства промышленных роботов — манипуляторы. Большинство промышленных роботов имеет один манипулятор. При обслуживании прессов холодной штамповки применяют роботы с двумя манипуляторами, конструкции которых различны. Рабочая зона манипулятора — это пространство, в котором находится его рабочий орган при всех возможных положениях звеньев манипулятора. Манипуляторы, совершающие только поступательные перемещения в прямоугольной системе координат, имеют рабочую зону в виде параллелепипеда. Такая рабочая зона наиболее целесообразна при прямолинейных движениях.

Роботы с программным управлением действуют по заранее заданной жесткой программе. Они не реагируют на окружающую их обстановку и монотонно выполняют программные циклы. Это так называемые роботы первого поколения.

Роботы с адаптивным управлением работают по заранее заданному алгоритму управления. Они имеют средства очувствления (техническое зрение, устройства ориентации, датчики усилий и т. д.) и реагируют на изменение окружающей обстановки и меняющиеся условия работы, разрабатывают программу управления по обходу препятствий, выбору необходимых деталей и т. д. Такие роботы составляют группу роботов второго поколения.

Интеллектуальное управление наряду с очувствлением и развитой системой обработки внешней информации имеют внутреннюю систему самообучения, которая выбирает и запоминает наиболее эффективные программные приемы выполнения рабочих действий. Такая развитая система управления наделяет робот искусственным интеллектом. Эта группа роботов относится к третьему поколению.

В каждом поколении роботов управление движением по отдельным степеням подвижности может быть контурным и позиционным.

Быстродействие и точность — главные показатели работы роботов. Эти параметры взаимосвязаны и характеризуют динамические свойства роботов. Классификационные деления по быстродействию и точности приведены в табл. 6.1. Быстродействие робота определяет, с одной стороны, производительность технологической системы, а с другой — точность. Чем выше быстродействие робота, тем выше его производительность, но ниже точность. Точность манипулятора выражается результирующей погрешностью позиционирования или отработки заданной траектории. В электронной промышленности используются роботы с точностью до единиц микрометров. Погрешность манипулирования роботов для транспортных работ превышает 1 мм.

Наряду с классификационными подразделениями промышленные роботы характеризуются параметрами, оценивающими их технический уровень (удельную грузоподъемность, выходную мощность манипулятора, управляемость и т. п.).

Для управления движениями робота и его манипулятора при выполнении технологической операции необходима оперативная информация о состоянии внешней среды и устройства робота. Для получения этой информации используются чувствительные устройства. Чувствительные устройства, предназначенные для получения информации о состоянии внешней среды, получили название "сенсорные устройства". Чувствительные устройства, ориентированные на обеспечение внутреннего функционирования робота, составляют комплекс измерительных средств состояния и очувствления робота.

Сенсорные устройства сверхближнего действия используют для очувствления рабочих органов и других частей манипулятора. Они позволяют фиксировать их контакт с объектами внешней среды; измерять усилия, возникающие в месте взаимодействия; определять проскальзывание объектов при их удержании захватным устройством. К таким устройствам относятся, например, микропереключатели, магнитоуправляемые контакты, электромеханические, пьезоэлектрические и тензометрические датчики.

Чувствительные устройства ближнего действия обеспечивают получение необходимой информации в непосредственной близости от рабочего органа, т. е. на расстояниях, соизмеримых с его размерами. Информацию о ближайших объектах могут выдавать, например, локационные сенсоры захвата, неконтактные бамперы, различные дальномеры ближнего действия. Эти измерительные устройства позволяют роботу выполнять задание с большой скоростью, заранее получать информацию о ближних объектах и необходимым образом корректировать свои действия.

Сенсорные устройства дальнего действия обеспечивают информацией о внешней среде в пределах всей рабочей зоны робота. К таким устройствам относятся телевизионные установки, фотодиодные матрицы и различного рода локационные системы.

Сенсорные устройства сверхдальнего действия применяют в подвижных роботах для получения информации об объектах, находящихся вне рабочей зоны. Такую информацию обеспечивают различные навигационные приборы, оптические дальномеры и другие локационные системы. Устройства сверхдальнего обнаружения находят применение в стационарных роботах при работе с подвижными объектами, чтобы заранее получить информацию об их появлении в рабочей зоне.

Ультразвуковой измеритель формирует импульс, пропорциональный расстоянию до отражающей поверхности. Дальность действия ультразвукового измерителя составляет 0,01–0,07 м, время срабатывания не более 10 мс, погрешность до 2%.

Для обнаружения, распознавания и идентификации объектов в рабочей зоне робота используются системы технического зрения.

К измерительным устройствам состояния и очувствления промышленных роботов относится в первую очередь комплекс измерительных средств, обеспечивающий высокую точность позиционирования приводных систем манипулятора. Внутреннее состояние основных систем робота контролируется с помощью датчиков (крутящего момента, скорости, температуры, давления и т. п.), которые позволяют оперативно обнаруживать аварийные узлы и предотвращать появление брака в технологической системе, обслуживаемой роботом.