Автоматический манипулятор с программным управлением — промышленный робот (ПР) — переналаживаемая автоматическая машина для осуществления различных манипуляционных действий в производственном процессе. Это принципиально новое средство комплексной автоматизации производства, отличающееся способностью к быстрой перестройке содержания, последовательности и скорости манипулирования. Универсальность и возможность быстрой переналадки на выполнение других операций делает применение автоматических манипуляторов весьма эффективным в условиях мелкосерийного и даже единичного производств при частой сменяемости выпускаемой продукции; в массовом производстве использование роботов позволяет в короткие сроки комплектовать обслуживающими средствами автоматизации автоматические линии различного технологического назначения.
Основными составными частями ПР являются исполнительное, управляющее и информационное устройства. Исполнительное устройство робота реализует его двигательные функции и включает механическую руку (собственно манипулятор) и устройство передвижения ПР. Рабочий орган манипулятора представляет собой захватное устройство (схват) или рабочий инструмент. Захватное устройство может быть механическим, электромагнитным, вакуумным и т. д. Управляющее устройство обеспечивает обучение (программирование) робота1, сохранение программы и ее воспроизведение (считывание информации и передачу управляющих сигналов исполнительным органам ПР). Информационное устройство предназначено для получения, преобразования, обработки и передачи управляющему устройству информации о состоянии ПР и внешней среды.
Промышленные роботы классифицируются в зависимости от числа механических рук (манипуляторов) и степеней подвижности, типа рабочей зоны и приводов, грузоподъемности, типа системы управления, класса точности. При этом учитываются конструктивно-компоновочные особенности ПР и характер выполняемых им операций.
1 Промышленные роботы обычно программируются методом обучения с помощью предварительного управления движением исполнительного устройства человеком — оператором с занесением в управляющее устройство параметров этого движения, определяемых алгоритмом функционирования.
Большинство современных промышленных роботов имеет одну механическую руку. Наряду с неподвижными все большее применение находят подвижные (колесные, гусеничные и шагающие) роботы с одной, двумя или тремя степенями подвижности в рабочем пространстве (зоне обслуживания) ПР. Для перемещения объекта манипулирования в заданное место рабочей зоны1, как правило, достаточно три переносных степени подвижности рабочего органа манипулятора, а для полной ориентации объекта в пространстве необходимы еще три ориентирующие степени подвижности.
Рабочая зона робота может быть в виде плоскости, в форме параллелепипеда, цилиндрическая, шарообразная и др.; типам рабочих зон соответствуют различные системы координат, в которых осуществляются движения рабочего органа: прямоугольная, плоская полярная, цилиндрическая, сферическая, угловая. Перемещения механической руки и самого робота выполняются с помощью пневматических, гидравлических, электромеханических или комбинированных приводов. По грузоподъемности промышленные роботы разделяются на сверхлегкие (ряд грузоподъемности 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63; 1,0 кг), легкие (соответственно 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 10 кг), средние (16... 100 кг), тяжелые (160... 1000 кг) и сверхтяжелые (уникальные—свыше 1000 кг).
Тип системы управления ПР определяется принципом управления, типом движения по отдельным степеням подвижности и числом совместно управляемых роботов. Соответственно принципу управления промышленные роботы могут быть с обычным программным управлением, очувствленные и с искусственным интеллектом. При управлении очувствленным роботом заранее составленный алгоритм функционирования (программа) в процессе работы ПР автоматически корректируется с учетом меняющейся производственной ситуации и состояния самого робота (адаптивное управление ПР). С этой целью робот снабжается специальными элементами (сенсорикой) в виде локационных, телевизионных и других устройств, выявляющих в каждый момент времени фактические параметры внешней среды. Дальнейшим развитием очувствленных ПР являются роботы с искусственным интеллектом. По числу совместно управляемых роботов выделяют системы индивидуального и группового (например, на базе ЭВМ) управления.
В зависимости от типа движения по отдельным степеням подвижности системы управления ПР делятся на системы контурного (непрерывного) и позиционного (дискретного) управления движением, а также комбинированные. В системах контурного управления движение исполнительного устройства робота программируется в виде непрерывно контролируемой по скорости траектории в рабочем пространстве, при позиционном управлении — в виде перемещений по конечной последовательности точек (позиций) рабочего пространства без контроля движения между ними. В современных ПР с позиционным управлением число программируемых точек по каждой степени подвижности составляет от нескольких десятков до нескольких сотен. Точность позиционирования или воспроизведения непрерывной траектории (класс точности ПР) является одной из важнейших характеристик, определяющих возможность использования робота в конкретном технологическом процессе.
По конструктивно-компоновочным признакам промышленные роботы (неподвижные) можно разделить на следующие группы: напольные с горизонтальной выдвижной рукой и консольным механизмом подъема; напольные с горизонтальной выдвижной рукой на подъемной каретке, перемещающейся по направляющим поворотной колонны; напольные с качающейся выдвижной рукой; напольные с многозвенной рукой; портальные с рукой на каретке, перемещающейся по монорельсу; подвесные; специализированные, конструкция которых обусловлена особенностями обслуживаемого оборудования.
В зависимости от характера выполняемых функций (операций) ПР подразделяются на обслуживающие и операционные (технологические). Обслуживающие роботы выполняют действия «взять — положить» на операциях перемещения объектов производства и вспомогательных переходах по установке и снятию заготовок, деталей, инструмента и т. п. при работе технологического оборудования, а также используются на транспортно-складских операциях. Они предназначены для обслуживания металлорежущих станков, кузнечно-прессового оборудования, формовочных машин, машин для литья под давлением, печей, индукционных установок, линий гальванопокрытий, а также автоматических линий различного назначения, конвейеров, складов. Операционные (технологические) ПР выполняют технологические операции или отдельные технологические переходы. Они служат для автоматизации процессов гибки, сборки, сварки, нанесения лакокрасочных, термоизоляционных и других покрытий и т. д.
Как правило, одни и те же роботы находят применение на самых различных обслуживающих и операционных работах. Поэтому классификационным признаком ПР служит не -столько характер выполняемых операций, сколько степень универсальности робота: специальные роботы предназначены для манипулирования однотипными объектами или выполнения вполне определенной технологической операции, специализированные — для работы с объектами определенного класса или для выполнения однотипных технологических операций, универсальные ПР имеют многоцелевое назначение.
Систематизированную информацию об устройстве и технических характеристиках промышленных роботов, в том числе разработанных, выпускаемых или подготовленных к серийному выпуску предприятиями стран — членов СЭВ, студент может получить из специальной литературы2.
1 Рабочая зона ПР представляет собой часть его рабочего пространства, в которой может находиться рабочий орган.
2 См., например: Устройство промышленных роботов/Е. И. Юревич, Б. Г. Аветиков, О. Б. Корытко и др.— Л.: Машиностроение, 1980; Промышленные роботы: Каталог/Под общ. ред. В. С. Васильева.— Москва: НИИмаш, 1981.
Комплексное применение промышленных роботов обеспечивает значительное повышение производительности труда и улучшение использования технологического оборудования, высвобождает многих рабочих на физически тяжелых, монотонных, подчас вредных и даже опасных производственных операциях. Осуществление развернутой программы в этой области будет способствовать решению проблемы трудовых ресурсов, позволит поднять ритмичность и общую культуру производства. Роботизация производства имеет, таким образом, большое социальное значение. Учитывая это, Центральный Комитет КПСС принял соответствующее постановление, направленное на увеличение выпуска и широкое использование автоматических манипуляторов в различных отраслях народного хозяйства.
Роботизация производственных процессов будет идти как путем создания новых технологий, оборудования и целых производств, базирующихся на применении ПР, так и посредством оснащения роботами существующих процессов и оборудования. Организация новых комплексно роботизированных производств основана на использовании нетрадиционных технологических процессов, не имеющих ограничений, налагаемых непосредственным участием человека, его «техническими характеристиками» и необходимыми ему комфортными условиями. Роботизация существующих производств состоит в оснащении промышленными роботами действующих технологических процессов и оборудования с учетом ограниченных возможностей изменения последних.
Всемерная роботизация действующих производственных процессов—основное направление комплексной автоматизации производства в локомотивостроении на современном этапе. Один из возможных примеров решения этой задачи — использование роботизированного комплекса холодной штамповки — рассмотрен в п. 51.1.