Кіріспе
Өндірісте қолданылатын роботтар – өндірістік роботтар. Өнеркәсіптік робот – өндіріс процесінде пайдаланылатын робот жүйесі. Өнеркәсіптік роботтар автоматтандырылған, бағдарламаланатын және үш немесе одан көп ось бойымен қозғала алады. Роботтардың қолданылуының кең таралған түрлері: дәнекерлеу, бояу, құрастыру, бөлшектеу, баспалы тізбектерді таңдап орналастыру, қаптау және жапсырмалау, паллетке тиеу, өнімді тексеру және сынау – барлығы жоғары төзімділік, жылдамдық және дәлдікпен жүзеге асырылады. Олар материалдарды тасымалдауға да көмектеседі. 2022 жылы Халықаралық Робототехника Федерациясының (IFR) мәліметтері бойынша, әлем бойынша шамамен 3 903 633 өнеркәсіптік робот пайдаланылды.
manufacturing robots
An industrial robot is a robot system used for manufacturing. Industrial robots are automated, programmable and capable of movement on three or more axes. Typical applications of robots include welding, painting, assembly, disassembly, pick and place for printed circuit boards, packaging and labeling, palletizing, product inspection, and testing; all accomplished with high endurance, speed, and precision. They can assist in material handling. In the year 2022, an estimated 3,903,633 industrial robots were in operation worldwide according to International Federation of Robotics (IFR).
Түрлері мен ерекшеліктері
Өнеркәсіптік роботтардың алты түрі бар.
Артикуляциялық роботтар
Бүгілмелі роботтар адам қолына ұқсайды, сондықтан оларды робот қолдары немесе манипулятор қолдары деп те атайды. Көптеген бостандық дәрежелерімен жабдықталған олардың буындары, бүгілмелі қолдарға кең қозғалыс спектрін ұсынады.
Автономды робот
Автономды робот – адам бақылауынсыз әрекет ететін робот. Алғашқы автономды роботтар 1940 жылдардың соңында У. Грей Уолтер құрастырған Элмер және Элси деп аталды. Олар биологиялық ми сияқты "ойлауға" бағдарламаланған және еркін қабілетке ие болуы тиіс тарихтағы алғашқы роботтар болды. Элмер мен Элси пішіні мен қозғалыс ерекшеліктеріне байланысты көбінесе тасбақалар деп аталды. Олар фототаксис қабілетіне ие болды, яғни жарыққа реакция жасайтын қозғалысқа қабілетті еді.
Цилиндрлі координаттық роботтар
СКАРА цилиндрлік координаттар роботтары X Y жазықтығында қозғалыс жасауға мүмкіндік беретін екі параллель буынға ие. Сәтті төменгі жылдамдықты манипуляторларды жобалау үшін бірдей қозғалыс салдарынан туындайтын кері әсерлер азайтылуы немесе жойылуы керек. Мысалы, Delta роботында паразиттік қозғалыс болмайды, себебі оның соңғы атқарушы құралы бұрылмайды.
Өзін-өзі басқару
Роботтардың әртүрлі дербестік деңгейлері болады. Кейбір роботтар нақты белгілі бір әрекеттерді өзгеріссіз, жоғары дәлдікпен қайта-қайта орындау үшін бағдарламаланған (қайталанатын әрекеттер). Бұл әрекеттер үйлесімді қозғалыстардың бағытын, үдеуін, жылдамдығын, тежелуін және қашықтығын анықтайтын бағдарламаланған алгоритмдер арқылы айқындалады.
Ал басқа роботтар жұмыс істейтін нысанның орналасуына, тіпті нысанмен орындалатын міндетке қатысты әлдеқайда икемді болады, соның ішінде роботтың осы нысанды тануы да қажет болуы мүмкін. Мысалы, дәлдігі жоғары басқару үшін роботтарда көбінесе қуатты компьютерлермен немесе басқарушы құрылғылармен байланысты визуалды сенсорлар қызметін атқаратын машиналық көру жүйелері орналасқан. Жасанды интеллект заманауи өнеркәсіптік роботтарда маңыздырақ роль атқарады.
Параметрлерді анықтау
Осьдер саны – жазықтықтағы кез келген нүктеге жету үшін екі ось қажет; кеңістіктегі кез келген нүктеге жету үшін үш ось қажет. Қолдың ұшының бағытын толықтай басқару үшін (яғни, білегі) тағы үш ось (жау, көлбеу және домалану) қажет. Кейбір конструкциялар (мысалы, SCARA роботы) қозғалыс мүмкіндіктерінің шектеулерін құн, жылдамдық және дәлдік үшін құрбан етеді. Еркіндік дәрежесі – әдетте, білік санымен бірдей. Жұмыс кеңістігі – робот жете алатын кеңістіктің аймағы. Кинематика – роботтың мүмкін қозғалыстарын анықтайтын роботтағы қатаң денелер мен буындардың нақты орналасуы. Робот кинематикасының түрлеріне буынды, картезиялық, параллель және SCARA жатады. Көтеру қабілеті немесе пайдалы жүктеме – робот көтере алатын салмақ. Жылдамдық – роботтың қолының ұшын қаншалықты жылдам орналастыра алатыны. Бұл әр осьтің бұрыштық немесе сызықтық жылдамдығы түрінде немесе күрделі жылдамдық ретінде, яғни барлық осьтер қозғалғанда қолдың ұшының жылдамдығы ретінде анықталуы мүмкін. Үдеу – осьтің қаншалықты жылдам үдеуге қабілетті. Бұл шектеуші фактор болғандықтан, робот қысқа қашықтықта немесе жиі бағытты өзгертуді қажет ететін күрделі жолмен қозғалғанда, белгіленген ең жоғары жылдамдығына жете алмай қалуы мүмкін. Дәлдік – роботтың команда берілген орынға қаншалықты жақын жете алатыны. Роботтың абсолютті орны өлшеніп, командалық орнымен салыстырылғандағы қателік – дәлдіктің өлшемі. Дәлдікті сыртқы сезімталдық жүйесімен, мысалы, бейнелеу жүйесімен немесе инфрақызыл сәулемен жақсартуға болады. Роботты калибрлеуді қараңыз. Дәлдік жылдамдыққа, жұмыс кеңістігіндегі орынға және пайдалы жүктемеге байланысты өзгеруі мүмкін (құралдықты қараңыз). Қайталанатындық – роботтың бағдарламаланған орынға қаншалықты жақсы оралуы. Бұл дәлдіктен өзгеше. Егер роботқа белгілі бір X, Y, Z позициясына баруды айтса, ол сол позициядан 1 мм-ге дейін ғана келуі мүмкін. Бұл оның дәлдігі, оны калибрлеу арқылы жақсартуға болады. Бірақ егер сол орын басқарушы жадына оқытылса және әр жолы сол орынға жіберілгенде, оқытылған орыннан 0,1 мм-ге дейін қайталанатын болса, қайталану 0,1 мм-ге дейін болады. Дәлдік және қайталану – екі түрлі өлшем. Қайталану қабілеті – робот үшін ең маңызды критерий және өлшеудегі «дәлдік» ұғымына ұқсас. ISO 9283 стандартында дәлдік пен қайталануды өлшеу әдісі көрсетілген. Әдетте робот оқытылған орынға бірнеше рет жіберіледі және қате басқа 4 орынға барғаннан кейін әр рет орнына қайтып оралғанда өлшенеді. Қайталану қабілеті осы үлгілердің барлық үш өлшемдегі стандартты ауытқуын пайдалана отырып сандық түрде анықталады. Әдеттегі робот, әрине, одан да үлкен қателік жіберуі мүмкін, бұл процесс үшін қиындық тудыруы мүмкін. Сонымен қатар, қайталану мүмкіндігі жұмыс кеңістігінің әртүрлі бөліктерінде әртүрлі және жылдамдыққа және пайдалы жүктемеге байланысты өзгереді. ISO 9283 стандарты бойынша дәлдік пен қайталану мүмкіндігін ең жоғары жылдамдықпен және ең жоғары жүктеме кезінде өлшеу керек. Бірақ бұл робот жеңіл жүктеме мен жылдамдықта әлдеқайда дәл және қайталана алатын болса, пессимистік мәндерге әкеледі. Өндірістік процестегі қайталану сондай-ақ соңғы эффектінің дәлдігіне, мысалы, тұтқаның дәлдігіне және тұтқаның ұсталатын объектіге сәйкес келетін «бармақтардың» дизайнына байланысты. Мысалы, егер робот бұранданы басымен ұстаса, бұранда кездейсоқ бұрышта болуы мүмкін. Бұранданы тесікке кіргізудің келесі әрекеті оңай сәтсіздікке ұшырауы мүмкін. Осы және осыған ұқсас сценарийлерді «қоласты кіргізу» арқылы, мысалы, тесіктің кіреберісін таяз етіп жасау арқылы жақсартуға болады. Қозғалыс басқаруы – кейбір қолданбалар үшін, мысалы, қарапайым таңдау және орналастыру құралы, робот тек алдын ала оқытылған позициялардың шектеулі санына қайта-қайта оралуы керек. Соңғылау және өңдеу (шприцпен бояу) сияқты күрделі қосымшалар үшін қозғалыс кеңістіктегі жолмен, бағытпен және жылдамдықпен үнемі бақылануы керек. Қуат көзі – кейбір роботтар электр қозғалтқыштарын, ал басқалары гидравликалық икемдегіштерді қолданады. Біріншісі жылдам, екіншісі күшті және спрей бояу сияқты қолданбаларда тиімді, онда бір ұшқын жарылысты бастауы мүмкін; алайда, қолдың ішкі ауа қысымының төмен болуы жанғыш булардың және басқа ластаушылардың кіруіне жол бермейді. Қазіргі кезде гидравликалық роботтарды нарықта көру өте сирек. Қосымша тығыздағыштар, щеткасыз электр қозғалтқыштары және ұшқыннан қорғалған конструкциялар жарықшамды атмосферада жұмыс істей алатын құрылғыларды жасауды жеңілдетті. Жетек – кейбір роботтар электр қозғалтқыштарын тік осьтерге тіс дөңгелектері арқылы қосады; ал басқалары қозғалтқышты тік оське тікелей қосады (тікелей жетек). Тіс дөңгелектерін пайдалану нәтижесінде өлшенетін «кері соққы» пайда болады, бұл осьтегі бос қозғалыс. Кішкентай робот қолдары көбінесе жоғары жылдамдықты, төмен моментті тұрақты ток қозғалтқыштарын қолданады, олар әдетте жоғары айналым қатынатын қажет етеді; бұл кері соққының кемшілігін тудырады. Мұндай жағдайларда гармониялық жетек көбінесе қолданылады. Икемділік – бұл роботтың осіне күш түсірілген кезде бұрыш немесе қашықтық бойынша қаншалықты қозғалатынының өлшемі. Икемділік болғандықтан, робот максималды жүктемесімен бір позицияға жеткенде, ол жүксіз болғандағыдан сәл төменгі позицияда болады. Икемділік жоғары жүктемелерді тасығандағы шамадан асып кетуге де жауапты болуы мүмкін, онда үдеуді азайту қажет болады.
Қолын созу құралдары
Ең маңызды робот перифериясы – соңғы эффект немесе қолдың аяғы (EOAT). Соңғы эффекттердің кең таралған мысалдары ретінде дәнекерлеу құрылғылары (мысалы, MIG дәнекерлеу тапаншалары, нүктелік дәнекерлеушілер сияқты), спрейлі тапаншалар, сондай-ақ ұнтақтау және тегістеу құрылғылары (мысалы, пневматикалық дискілік немесе ленталық ұнтақтау машиналары, тегістегіштер сияқты) және тұтқалар (әдетте электромеханикалық немесе пневматикалық нысандарды ұстап алатын құрылғылар) жатады. Заттарды алудың тағы бір кең таралған тәсілі – вакуум немесе магниттерді пайдалану. Соңғы эффекттер көбінесе өте күрделі болып келеді, өңделетін өнімге қарай жасалады және көбінесе бір уақытта бірнеше өнімді алуға қабілетті. Олар робот жүйесіне өнімдерді табуға, қолдануға және орналастыруға көмектесетін түрлі сенсорларды қолдануы мүмкін.
Қозғалысты басқару
Берілген робот үшін соңғы атқарушы құрылғының (ұстағыш, дәнекерлеу шамдары және т.б.) толыққанды орналасуын анықтау үшін қажетті жалғыз параметрлер – роботтың әр буынының бұрыштары немесе сызықтық осьтердің орын ауыстырулары (немесе SCARA сияқты робот форматтары үшін олардың комбинациясы). Дегенмен, нүктелерді анықтаудың көптеген әртүрлі тәсілдері бар. Нүктені анықтаудың ең көп тараған және ең ыңғайлы тәсілі – оның декартикалық координаталарын көрсету, яғни роботтың бастапқы нүктесіне қатысты X, Y және Z бағыттарындағы "соңғы атқарушы құрылғының" орнын миллиметрлермен белгілеу. Сонымен қатар, роботтың буындарының типіне байланысты, соңғы атқарушы құрылғының бағыты (көлбеу, бұрылу және домалану) және құрал нүктесінің роботтың негізгі бетіне қатысты орналасуы да анықталуы керек. Буынттық қол үшін бұл координаттарды робот контроллері буын бұрыштарына түрлендіруі керек, ал мұндай түрлендірулер декартикалық түрлендірулер деп аталады, оларды көп осьті робот үшін итеративті немесе рекурсивті түрде орындау қажет болуы мүмкін. Буын бұрыштары мен нақты кеңістіктік координаттар арасындағы математикалық қатынас кинематика деп аталады. Роботты басқару бөлімін қараңыз.
Декартикалық координаттар бойынша орналасу координаттарды жүйеге енгізу арқылы немесе X, Y, Z бағыттарында роботты жылжытатын оқыту құралын (teach pendant) пайдалану арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Адам операторы үшін жоғары/төмен, солға/оңға сияқты қозғалыстарды көз алдында елестету әлдеқайда оңай. Бұл әр буынды жеке-жеке жылжытуға қарағанда тиімдірек. Көзге көрінетін орынға жеткен кезде ол қолданылып жатқан роботтың бағдарламалық жасақтамасына сәйкес белгілі бір тәсілмен анықталады, мысалы, төмендегі P1, P5.
Ерекшеліктер
Американдық өнеркәсіптік роботтар мен робот жүйелері ұлттық стандарты – Қауіпсіздік талаптары (ANSI/RIA R15.06 1999) сингулярлықты "екі немесе одан көп робот осінің бір түзуде орналасуынан туындайтын, роботтың болжаусыз қозғалысына және жылдамдықтарына себеп болатын жағдай" деп анықтайды. Бұл ең көп кездесетін жағдай "үштік айналмалы білезікке" ие робот қолдарында болады. Бұл – білезіктің үш осі, яғни бұрылыс, көлбеу және айналуды басқаратын осінің барлығы бір ортақ нүктеден өтетін білезік. Білезік сингулярлығының мысалы – робот қозғалыс бағытында роботтың бірінші және үшінші осінің (яғни роботтың 4 және 6 осі) бір түзуге келгенде туындайды. Содан кейін екінші білезік осі соңғы атқарушы құрылғының бағытын сақтау үшін нөлдік уақытта 180° айналуға тырысады. Осы сингулярлықты белгілеу үшін қолданылатын тағы бір термин – "білезік тілігі". Сингулярлықтың салдары айқын болуы мүмкін және робот қолға, соңғы атқарушы құрылғыға және процеске кері әсер ете алады. Кейбір өнеркәсіптік робот өндірушілері осы жағдайды болдырмау үшін роботтың траекториясын сәл өзгерту арқылы одан қашуға тырысады. Тағы бір әдіс – роботтың қозғалыс жылдамдығын төмендету, осылайша білезіктің ауысуы үшін қажетті жылдамдықты азайту. ANSI/RIA робот өндірушілері жүйе қолмен басқарылатын кезде сингулярлық туындаса, пайдаланушыны осы туралы хабардар етуді міндеттейді. Екінші типтегі сингулярлық тік буыны бар алты осьті роботтарда, егер білезік центрі 1-ші осьтің айналасында орналасқан және радиусы 1-ші және 4-ші осьтер арасындағы қашықтыққа тең болса, пайда болады. Бұл – иық сингулярлығы. Кейбір робот өндірушілері 1-ші және 6-шы осьтер бір-бірімен сәйкес келетін осілік сингулярлықтар туралы да айтады. Бұл – иық сингулярлығының бір түрі ғана. Робот иық сингулярлығына жақындағанда, 1-ші буын өте жылдам айналады. Үшінші және соңғы типтегі сингулярлық тік буыны бар алты осьті роботтарда, егер білезік центрі 2-ші және 3-ші осьтердің бір жазықтығында болса, пайда болады. Сингулярлықтар гимбал құлыптануымен тығыз байланысты, олардың түпкі себебі осілердің бір түзуге келуіне байланысты.
Денсаулық және қауіпсіздік
Халықаралық робототехника федерациясы өнеркәсіптік роботтарды қолданудың дүниежүзі бойынша өсуін болжады және 2020 жылға қарай бүкіл әлем бойынша зауыттарда 1,7 миллион жаңа робот орнатылатынын күтіп отыр [IFR 2017]. Автоматтандыру технологияларындағы (мысалы, стационарлық роботтар, бірлесіп жұмыс істейтін және мобильді роботтар, сондай-ақ экзоскелеттер) қарқынды даму жұмыс жағдайын жақсартуға мүмкіндік береді, бірақ сонымен қатар өндірістік ортадағы қауіп-қатерлерді де тудыруы мүмкін. Роботтармен байланысты жарақаттар бойынша кәсіби бақылау деректерінің жетіспеуіне қарамастан, АҚШ Ұлттық еңбек қауіпсіздігі және денсаулық институты (NIOSH) зерттеушілері Еңбек статистикасы бюросының (BLS) Өлімге әкелетін еңбек оқиғаларының дерекқорынан кілт сөздерді іздеу арқылы 1992 және 2015 жылдар аралығында роботтарға байланысты 61 өлім жағдайын анықтады (Кәсіби робототехника зерттеу орталығының ақпаратына қараңыз). Еңбек статистикасы бюросының деректерін пайдалана отырып, NIOSH және оның штаттық серіктестері Өлім-жітімді бағалау және бақылау бағдарламасы аясында роботтарға байланысты 4 өлім жағдайын тергеді. Сонымен қатар, Еңбек қауіпсіздігі және денсаулық басқармасы (OSHA) роботтарға байланысты ондаған өлім мен жарақаттарды зерттеді, олар туралы мәліметтерді OSHA-ның Апаттарды іздеу бетінен табуға болады. Бірлесіп жұмыс істейтін роботтардың, экзоскелеттердің және автономды көлік құралдарының санының артуына байланысты жарақаттар мен өлім-жітімдер уақыт өте келе көбеюі мүмкін. Қауіпсіздік стандарттарын Робототехникалық индустрия қауымдастығы (RIA) Америка Ұлттық стандарттар институтымен (ANSI) бірлесіп әзірлеуде. 2017 жылдың 5 қазанында OSHA, NIOSH және RIA техникалық біліктілікті арттыру, дәстүрлі өнеркәсіптік роботтармен және адам-робот өзара әрекеттесуін қамтамасыз ететін жаңа технологиялармен байланысты жұмыс орындарындағы қауіп-қатерлерді анықтау және жою үшін, сондай-ақ жұмыс орындарындағы қауіп-қатерлерді азайтуға қажетті зерттеулерді анықтау мақсатында бірлескен келісімге келді. 16 қазанда NIOSH "жұмысшылардың қауіпсіздігін, денсаулығын және әл-ауқатын арттыратын жұмысшы роботтарын әзірлеу мен пайдалануға ғылыми басшылықты қамтамасыз ету" үшін Жұмысшы роботтарын зерттеу орталығын іске қосты. Қазіргі уақытқа дейін NIOSH және оның серіктестері анықтаған зерттеу қажеттіліктеріне жарақаттар мен өлім-жітімдерді қадағалау және алдын алу, машиналарды қауіпсіз басқару және техникалық қызмет көрсету процедураларын қолдау үшін араласу және тарату стратегиялары, сондай-ақ тиімді, дәлелге негізделген шараларды жұмыс орындарындағы тәжірибеге енгізу кіреді.