Роботы в промышленности: преимущества и области применения

Где используют? Роботы в промышленности функционируют уже несколько десятилетий, и их возможности только расширяются по мере развития технологий. От автоматизированных сборочных линий до сложных систем, способных выполнять различные задачи, они становятся неотъемлемой частью современного производственного процесса.

Какие преимущества? Использование роботов в промышленности дает только плюсы. Они могут работать быстрее и точнее, чем люди, что позволяет компаниям увеличить объемы производства при одновременном снижении затрат на рабочую силу. Требуют меньшего обслуживания, чем традиционное оборудование, и могут быть запрограммированы на выполнение различных задач при минимальном контроле. Кроме того, роботам не нужны перерывы и отпуска, поэтому при необходимости они могут «трудиться» круглосуточно.

История создания первого промышленного робота

Началом этой истории многие исследователи считают 1959 год, когда американский изобретатель Джордж Девол в своем гараже, рассматривая одно индустриальное издание, обратил внимание на фото сборочного конвейера.

Внимание «отца робототехники» на этой иллюстрации привлек не сам конвейер, а работники, выполняющие однообразные монотонные действия. Именно тогда инженеру-изобретателю пришла идея, что выполнять такую работу могли бы определенные механизмы. Джордж, не откладывая, набросал эскиз манипулятора, который напоминал руку человека. Этот механизм имел захват для удерживания различных деталей. В результате, в 1959 году появился первый робот для промышленности. Он получил название Unimate.

Уже через два года инженер получил патент свое изобретение. В 1962 году Девол совместно с Джозефом Энгельбергом создали предприятие. Его специализацией было изготовление роботов, которые могут использоваться в промышленности – Unimation.

Функции между партнерами распределились следующим образом: Энгельберг занимался развитием компании и привлечением инвестиций, а Девол отвечал за разработку механизмов. Поскольку первый компаньон вел публичную деятельность, то именно его через некоторое время стали называть создателем робота в промышленности.

Первый робот, выпущенный фирмой Unimation, был назван PUMA. Отметим, что процесс внедрения механизмов, замещающих труд людей, в Соединенных Штатах был не очень успешным. Некоторые эксперты винят в этом существовавшее в американском обществе отторжение к роботизации. Робототехника тогда считалась чем-то мистическим.

К чести владельцев Unimation, следует отметить, что неудача не стала препятствием для развития компании, которая приняла решение выходить на зарубежные рынки. Первой на этом пути стала Япония.

Промышленность страны Восходящего Солнца с энтузиазмом отнеслась к внедрению роботов из США на сборочных линиях. Затем предприятие Kawasaki, специализировавшееся на производстве широкого ассортимента оборудования, выкупило права на изготовление роботизированных механизмов Unimation.

Японцы предложили в дальнейшем развивать перспективное направление под собственным брендом. Так началась эра роботизации в Японии, которая затем охватила и мировую промышленность.

Хронология развития промышленных роботов

• 1967 год: автоматизация производственных процессов была внедрена на большинстве европейских промышленных предприятий. В Японии к тому времени уже полным ходом шла разработка машин, способных выполнять различные виды работ вместо человека. К началу семидесятых японцы стали первыми производителями промышленных роботов в мировых масштабах.
• 1973 год: появилась первая модель шестиосевого механизма, обеспечивающего свободу передвижения, превышающую возможности руки человека. Этот робот был собран в Германии инженерами фирмы KUKA Famulus.
• 1974 год: был разработан первый робот в промышленности, управляемый оператором.
• 1978 год: представлены первые варианты универсальной робототехники.
• 1980 год: в Соединенных Штатах создали первую модель, кардинально отличающуюся от первых классических роботов.
• 1994 год: робототехника стала управляться компьютерами. Задачей оператора было отслеживание рабочих процессов и внесение необходимых корректив.
• 1998 год: разработчики предприятия АВВ создали принципиально новый тип роботов, который был назван «Паук». Устройство быстро справлялось с перемещением предметов в нужное место.
• 2006 год: появился первый человекоподобный робот в промышленности.

Разработки в области создания роботизированных машин, способных полностью заменить труд людей и выполнять многие операции, гораздо эффективнее продолжаются и в наши дни.

Преимущества роботизации производства

• Более высокая производительность труда. Механизмы способны заменить на производстве людей, выполняющих трудоемкие и монотонные операции. Это способствует более эффективному выполнению рутинных работ. При этом работник может выполнять функцию оператора, наблюдателя, или его можно перевести на другой участок. Таким образом, увеличивается общая производительность труда и могут закрываться другие вакансии без найма дополнительных сотрудников.
• Повышение стабильности выполнения производственных операций. Роботы, используемые в промышленности, в отличие от людей не нуждаются в периодическом отдыхе. Более того, продолжительность их работы не ограничена трудовым законодательством, поэтому процесс производства может быть непрерывным. Конечно, и при наличии необходимого количества работников можно внедрить трехсменный график. Но и в этом случае предприятие не может работать круглосуточно, так как людям необходимы перерывы на обед, на передачу смены и т.д. Механический робот в промышленности не нуждается в отдыхе. Он может непрерывно выполнять производственные задачи. Для этого ему нужны только электроснабжение и соответствующая программа.

• Обеспечение более высоких качественных стандартов, которые недоступны работнику-человеку. Внедрение роботов в промышленность позволяет повысить скорость, точность и сложность различных операций. Человек, даже при наличии дорогостоящего высокоточного инструмента, не сможет выполнять работы, где допустимы отклонения в размерах не более нанометра.
• Нивелирование пресловутого человеческого фактора. По статистике, большинство ошибок на производстве вызваны особенностями человека как живого существа. Люди устают, теряют концентрацию, отвлекаются и непроизвольно допускают неточности. У роботов нет таких недостатков, они не могут быть невнимательными или работать спустя рукава.
• Снижение производственных затрат. Благодаря высокой производительности, обеспечиваемой машинами, и сокращению штата сотрудников, которые получают заработную плату, применение роботов в промышленности позволяет в несколько раз сократить издержки предприятий.

Сложности внедрения роботов на производстве

• Необходимо построить специальную компьютерную систему, от которой будут зависеть производственные процессы. Эффективность работы роботизированной техники во многом обусловлена качеством программ, настроенных на определенные операции. При этом сбой в компьютерной сети или некорректная работа с программным продуктом могут привести к остановке производственных процессов.
• Сложности могут возникнуть в случае возникновения потребности в расширении ассортимента или внедрении новых направлений производства. Многие промышленные роботы отличаются узкой специализацией. Они настроены на выполнение одного или двух действий. Это может привести к серьезным сложностям в случае диверсификации производства (к примеру, при производстве кардинально нового продукта). В такой ситуации может понадобиться замена роботов и внедрение новых компьютерных программ, что требует больших финансовых расходов и трудозатрат.
• Сложность управления при возникновении внештатных ситуаций. Скачки напряжения, механические поломки элементов робототехники, вредоносные программы в компьютерной сети потребуют проведения трудоемких наладочных операций, которые выполняются высококвалифицированными специалистами. В большинстве случаев понадобится остановка производства или временное замещение функций роботов ручным трудом.

• Роботы в промышленности не могут использоваться для решения творческих задач. Даже с учетом высокого уровня развития нейросетей в таких сферах, как музыка и искусство, робототехника на производстве пока еще не способна выполнять нестандартные операции. Еще не придуманы такие модели роботов и не разработаны компьютерные программы для них, которые позволяли бы машинам самостоятельно создавать детали и готовые изделия.
• Угроза роста безработицы. В современном обществе существует много страхов, вызванных тем, что роботы заменяют труд человека. Протесты против развития искусственного интеллекта сегодня не редкость. Роботы, заменяющие упаковщиков, грузчиков и сборщиков, которые, к примеру, внедряет Amazon, приводят к сокращению свободных вакансий в тех областях, где используется физический и неквалифицированный труд людей.

Виды промышленных роботов

Рассмотрим, какими бывают роботы в промышленности. Можно выделить 3 основные группы таких механизмов.

Автоматические

• Программные роботы, работающие за счет циклических программных продуктов, которые предварительно записываются в блок памяти. Их справедливо считают наиболее простыми и недорогими представителями робототехники.
• Адаптивные роботизированные устройства оснащены комплексом встроенных датчиков и сенсоров, меняющих программные настройки при определенных изменениях внешней ситуации.
• Обучаемые роботы отличаются возможностью корректировки программных настроек с учетом особенностей протекания технологических операций. После изменения настроек устройство работает в новом режиме.
• Интеллектуальная роботизированная техника – новейшее поколение автоматизированного оборудования. Такие роботы оснащены некоторыми элементами искусственного интеллекта. Они способны самостоятельно изучать окружающую среду и выполнять действия с учетом полученной информации.

Биотехнические

• Манипуляторы и командная робототехника отличаются дистанционным управлением, которое осуществляет оператор.
• Копирующие роботы выполняют те действия, которые совершает оператор.
• Полуавтоматические устройства работают за счет основного элемента, действия которого задаются оператором, передаются сочлененным органам и корректируются управляющей системой.

Интерактивные

• Автоматизированные роботы действуют с чередованием режимов (управление оператором и автоматический режим).
• Супервизорные устройства выполняют операции на основании заданных циклов, которые переключаются оператором.
• Диалоговые роботы действуют автоматически, но при этом с помощью специального языка (например, голосовые команды) взаимодействуют с оператором.

В зависимости от грузоподъемности:

• Менее 10 кг: легкие.
• В диапазоне от 11 до 200 кг: средние.
• В диапазоне от 200 до 1000 кг: тяжелые – 200 кг.
• Свыше 1т: сверхтяжелые.

По маневренности:

• Стационарные.
• Перемещающиеся.

В зависимости от монтажа:

• Встроенные.
• Подвесные.
• Напольные.

Выбор конкретной модели робота в промышленности происходит с учетом задач, которые нужно решить производителю, и эксплуатационных условий.

Разновидности промышленных роботов

Современные роботы в промышленности отличаются разнообразием моделей, которые могут включать разные типы компонентов. К примеру, устройство с шарнирными соединениями (шарнирный робот) может быть интегрировано в робота портального типа (козловая машина, имеющая жесткое габаритное основание).

Направляющие козлового робота крепятся на основании полностью неподвижно. Далее мы перечислим наиболее важные типы роботов в промышленности и рассмотрим их функциональное назначение.

• Шарнирные машины

Роботы шарнирного типа называют также артикулированными. Они отличаются наличием вращающихся узлов: «талия», «локоть», плечо, а также три шарнира на «запястье». Такие роботы способны с высокой точностью устанавливать мелкие детали, упаковывать продукцию и укладывать ее на поддоны.

• Декартовы роботы

Машины такого типа имеют минимум 3 линейные оси управления. Декартовы роботы в промышленности могут иметь конфигурацию, обеспечивающую возможность выполнения тяжелых работ (к примеру, перемещать автомобильный кузов) или операций, требующих высокой точности (к примеру, детализация на поверхностях со сложным рельефом).

Читайте также: Роботизация производства: будущее промышленного выпуска продукции

• Роботы-помощники

Машины-помощники комплектуются сенсорами, которые в зависимости от особенностей выполняемой операции способны ограничивать прикладываемое усилие. Такие роботы можно использовать для работы в непосредственной близости от людей без установки защитных ограждений. В настоящее время машины-помощники чаще всего имеют шарнирную конструкцию, но принципиально датчики могут применяться и в конструкции устройств обычного типа.

Скорость развития данной технологии даже выше, чем у процедур на сертификацию машин по стандартам безопасности. Роботы-помощники могут иметь даже две «руки», что позволяет им лучше подражать манипуляциям человека, чтобы упростить внедрение в различные производственные процессы без дополнительной перестройки.

• Дельта-машины

Эти тип устройств можно считать подвидом параллельного робота. Их конструкция включает 3 рычага, которые крепятся с помощью шарнирных карданов. Отличительной чертой дельта-роботов является наличие параллелограммов в манипуляторах.

Такая конструкция обеспечивает стабильность пространственной ориентации исполнительного механизма. Высокоскоростная робототехника данного вида применяется для операций по загрузке, перемещению и упаковке продукции в фармацевтике, а также для выполнения сборочных работ в стерильных помещениях.

• Дроны

Роботы дроны больше всего известны в качестве летающих устройств на дистанционном управлении, которые сложно отнести к категории робототехники. Охарактеризовать этот тип машин можно как автономные устройства, которые программируются на выполнение конкретных операций. В промышленности дроны используют для мониторинга безопасности, проведения различных исследований в местах со сложным доступом или на пересеченной местности.

Такие роботы применяются даже под водой или в космосе. Благодаря возможностям автономной работы дроны могут самостоятельно выполнять различные операции с отправкой отчетов или даже корректировать управляющие команды в случае необходимости.

• Роботы портального типа

Название этих машин обусловлено их перемещением по линейной рейке наподобие портовых и козловых кранов. Таким образом, портальные роботы способны мобильно обеспечивать доступ к обширной рабочей площади сверху. Благодаря наличию одной или даже двух осей перемещения не уступают по мобильности другим машинам. Кроме того, на раме портальных роботов могут устанавливаться, к примеру, шарнирные устройства.

Они нашли применение для выполнения подъемных, транспортировочных и сборочных операций, для загрузки/выгрузки заготовок из станков. Идея портальных роботов в промышлености может быть реализована в вертикальной, сферической или цилиндрической конфигурациях.

• Мобильные роботы

Направление мобильной робототехники сегодня развивается высокими темпами. Такие роботы в промышленности применяют для транспортировки и складирования материалов, обслуживания станков и т.д. Благодаря внедрению в их конструкцию датчиков и технологий навигации значительно увеличилась скорость работы и расширились возможности использования машин этого типа. Мобильные роботы нередко интегрируются в другие подвижные системы с автономной навигацией.

• Параллельные роботы

Робототехника параллельного типа конструкционно имеет 3 параллелограмма и вращающиеся рычаги, которые управляются с помощью линейных приводов и серводвигателей. По возможностям использования она напоминает дельта-роботы. Часто такие машины применяют для захвата, подъема и перемещения изделий.

• Манипуляторы

Такие машины имеют название Selective Compliance Articulated Robot Arm (SCARA). Это роботы-манипуляторы, отличающиеся селективной гибкостью. Они имеют жесткую конструкцию в вертикальной плоскости (по оси Z). Горизонтально (по осям X и Y) манипуляторы отличаются гибкостью. Такая конструкция востребована при выполнении сборочных работ. Манипуляторы SCARA в равнении с декартовыми роботами отличаются большей скоростью, компактными габаритами, но и высокой ценой.

Устройство промышленного робота

Устройство роботов, используемых в промышленности, отличается в зависимости от их типа. Для примера рассмотрим конструкцию шарнирной машины. Она, в упрощенном варианте, включает такие элементы:

• управляющий блок с пультом;
• опорная конструкция;
• актуатор руки манипулятора;
• механизм управления положением исполнительного устройства (рука манипулятора);
• запястья манипулятора;
• захватное орудие.

Все узлы робота-манипулятора соединены за счет механических суставов. Каждая отдельная деталь – это пустотелое изделие из металла, внутри которого проложены системы коммуникации. Для приведения в движение всех комплектующих робота-манипулятора применяют шаговые двигатели, обеспечивающие точность перемещения отдельных узлов машины (точность движений не меняется при увеличении количества циклов).

Исполнительный узел такой машины является открытой кинематической цепью. Ее звенья соединены друг с другом последовательно и обычно имеют одну степень свободы. Обеспечивается подвижность робота-манипулятора благодаря особому расположению сочленений, которые можно разделить на два вида: обеспечивающие выполнение транспортировочных операций (приводят машину в требуемую позицию) и ориентирующих функций (пространственная ориентация руки манипулятора).

Рабочий орган машины расположен на конце манипулятора. Как правило, он выполнен в форме захвата или другого инструмента для выполнения требуемых работ (клещи для сварки, фреза, пульверизатор, дрель, отвертка, нож и т.д.). Захваты роботов-манипуляторов могут быть схватывающими, удерживающими или поддерживающими.

Отдельные компоненты промышленных роботов могут перемещаться за счет электрических, пневматических или гидравлических приводов. Об электроприводах мы уже рассказали выше. Дополним, что именно этот тип устройств чаще всего используется для комплектации роботов в промышленности, что вызвано их высокой точностью. Гидравлические приводы могут обеспечить быструю работу машины при высоких прилагаемых усилиях.

Этот тип механизмов используют для комплектации роботов в промышленности, которые должны выдерживать большие нагрузки. Пневмоприводы не отличаются мощностью и работают на небольших машинах, выполняющих высокоскоростные работы.

Стоит обратить внимание, что механизмы, используемые для комплектации роботов в промышленности, должны отличаться стойкостью к изнашиванию, большим ресурсом работы (более нескольких тыс. часов до обслуживания).

Контроллеры робототехники включают управляющий блок и пульт. Первый модуль обеспечивает управление роботом (один блок управления может контролировать работу нескольких машин). В свою очередь, с помощью пульта управления могут выполняться операции по программированию робота или внесению корректировок в выполняемые операции.

Принцип действия промышленных роботов

Так же, как и человеческая рука, манипулятор робота может передвигать захват в разные точки. Концевой эффектор позволяет машине совершать различные действия в рамках технологического процесса. Самым распространённым вариантом манипулятора выступает аналог человеческой руки, позволяющей автомату брать и передвигать различные предметы.

В большинстве случаев у концевых эффекторов присутствуют встроенные датчики для контроля усилия захвата, чтобы робот ничего не сломал. Например, машине можно дать задачу переставить лампочку в другое место, чтобы посмотреть, будет ли она там работать.

Если устройство применит чрезмерную силу, то проверяемое изделие разлетится вдребезги. Контроль усилия сжатия даёт гарантию, что лампочка останется целой. В некоторых автоматизированных захватах могут применяться порошковые распылители, разные виды дрелей и т.п.

Для управления такими роботами используются:

• Специальные программные продукты.
• Системы адаптивного управления. В нашем случае применены сенсорные устройства. Сигналы, получаемые от сенсора, тщательно исследуются, после этого происходят все необходимые операции.
• Операторы, находящиеся на удалении от машины.
• Системы искусственного интеллекта.

Применение промышленных роботов

В каких видах промышленности используются роботы? Такие машины применяются почти во всех сферах. Технология автоматизации на сегодняшний день достигла такого уровня, что роботы могут полностью заменить человека. Одна машина легко может выполнять действия одного или даже сразу нескольких десятков сотрудников. Такому устройству не нужно давать выходные, платить премии и зарплаты.

Робот не совершает «человеческих» ошибок, которые могут привести к поломке или порче инструментов и дорогостоящего оборудования. Именно по этой причине большинство производств внедряют автоматизацию.

Роботы в промышленности используются для следующих работ:

• Контактная сварка.
• Плазменная резка металлов.
• Покраска.
• Литье металлов.
• Нанесение лака.
• Электросварка.
• Операции по загрузке и погрузке.
• Различные виды бесконтактной обработки.
• Перемещение грузов.
• Обработка резанием.
• Упаковка изделий.
• Фрезеровка.
• Раскрой различных материалов.
• Операции по контролю и измерению.
• Обработка крупногабаритных деталей.
• Раскладка продукции.
• Производство крупногабаритных конструкций и так далее.

Выбор промышленного робота

Чтобы решить задачу по роботизации и автоматизации производственных процессов, важно иметь представление, какие роботы применяются в отраслях промышленности. Как было отмечено ранее, существуют устройства, которые предназначены для выполнения лишь одной или сразу нескольких технологических операций. Понятно, что машины второго типа отличаются более высокой ценой.

Роботы, используемые в промышленности, представляют собой сложные в техническом отношении устройства, для бесперебойной работы которых необходимо квалицированное программирование и настройка. В связи с этим покупать роботизированную технику следует исключительно у компаний, предоставляющих полный комплекс услуг по ее обслуживанию.

Кроме того, чтобы избавить себя от проблем, связанных с внедрением робота в определенные технологические процессы, рекомендуем заказать такое устройство «под ключ». В этом случае профессионалы подберут машину, отвечающую всем требованиям заказчика, доставят ее на производство, выполнят все монтажные и пусконаладочные работы, проведут ее обучение и предоставят профессиональное обслуживание в процессе эксплуатации.

Общий прогноз развития сектора робототехники

Исследования, проведенные экспертной аналитической компаний Markets & Markets, показали, что объем всемирного рынка роботов в промышленности достиг размера 42,2 млрд $. По мнению специалистов агентства, уже в 2026 году эта цифра вырастет до 75,3 млрд $. При этом, эксперты считают, что данные показатели могли бы быть на 20 % выше, если бы на них не повлиял кризис 2020.

Читайте также: Автоматические линии упаковки: виды, плюсы и минусы

За год до этого в мировой промышленности уже использовалось свыше 2,7 млн. роботов, а в 2021 их стало 3,3 млн. Сегмент рынка роботизированной техники постоянно развивается. Кризисный 2020 год продемонстрировал все преимущества роботизации и высокую эффективность роботов в промышленности. Сегодня многие компании столкнулись с необходимостью автоматизации производства.

Применение роботов в промышленности позволяет высвобождать время для решения более сложных задач. Лидерами на рынке роботостроения сегодня выступают такие страны, как Сингапур, Корея, Япония и ФРГ.

Компания The Boston Consulting Group, специализирующаяся на управленческом консалтинге, представила три возможных варианта развития робототехники на период до 2030 г.:

1. Повышение уровня индивидуальности решений. В этом случае рынок роботов в промышленности будет расти естественным образом, без массового использования таких устройств. Лидерами в этом рыночном сегменте будут компании малого и среднего бизнеса. Кроме того, в тренде будут стартапы, отличающиеся углубленными знаниями в сфере программных продуктов для управления робототехникой, которые будут максимально учитывать запросы заказчиков.
2. Робототехника как стандартное оборудование для автоматизации процессов. При таком развитии событий наиболее популярными будут роботы в промышленности, отличающиеся легкими системами установки. Такие машины можно массово внедрять, но они не будут отличаться сложностью конструкции и широким набором функций. При таком сценарии лидерами рынка станут большие концерны и известные бренды, работающие в нише недорогой робототехники массового применения.
3. Google World. В данном варианте возможен серьезный прорыв направления, связанного с развитием машинного интеллекта. Будут появляться линейки интеллектуальных роботов в промышленности, способных обрабатывать сложные данные и решать задачи в динамике. Программное обеспечение при таком сценарии станет основным фактором успеха. В число лидеров рынка войдут крупные концерны и специализированные стартапы. Обычные предприятия по производству роботов в этой ситуации займут нишу поставщиков механических комплектующих.

Прогноз, разработанный The Boston Consulting Group, предполагает увеличение мирового рынка роботов до 160-260 млрд $. Таким образом, до 2030 года объем мирового рынка производства роботов вырастет в 5,4 или даже в 9,4 раза (ежегодный прирост будет составлять от 48 % до 93 %).

Сложно сделать однозначный прогноз по темпам роста продаж роботов для промышленности в РФ. Ожидается все же положительная динамика. Так, в 2010 году продано 230 таких машин, в 2021 – более 1500. В мировом масштабе объемы продаж роботов в промышленности выросли в 1,2 раза.

Эксперты считают, что отечественный рынок промышленной робототехники проходит этап активного формирования. Сейчас здесь открыты самые разные направления и присутствует хороший потенциал для дальнейшего развития.