Автоматизация производства посредством применения промышленных роботов: возможности, перспективы и вызовы

Промышленный робот-манипулятор – это автоматизированная программируемая механическая система, предназначенная для выполнения задач в производственной среде. Он состоит из подвижных звеньев (осей), соединённых шарнирами, и управляется контроллером. Это универсальные системы, способные выполнять сложные операции с высокой точностью.

Ключевые особенности промышленных роботов:

• Автономность – работает по заданной программе без постоянного контроля оператора.
• Программируемость – можно перенастраивать под широкую номенклатуру продукции или различные задачи.
• Многоосевая подвижность – в большинстве случаев 6 осей (могут иметь от 3 до 7 степеней свободы).

Благодаря шести степеням свободы они способны свободно перемещать и ориентировать исполнительный механизм в любом пространственном положении, что даёт возможность применять данное средство автоматизации в различных отраслях промышленности.

Промышленные роботы состоят из двух основных частей:

• Механическая часть – сам робот-манипулятор, который, в свою очередь, представляет собой набор звеньев, соединённых шарнирами. В движение манипулятор приводится посредством электродвигателей. В большинстве случаев это бесколлекторные двигатели постоянного или переменного тока. В конструкции двигателя также имеется энкодер или резольвер, а также тормоз для фиксации положения робота при отсутствии питания на двигателях. Для обеспечения нужного момента и необходимых оборотов применяются редукторы. В большинстве случаев это планетарные, волновые или циклоидальные редукторы.
• Шкаф управления – это «мозг» робота. В его состав, как правило, входят следующие элементы:

Контроллер – набор плат управления.

Плата безопасности – нужна для подключения внешних устройств безопасности.

Плата DIO – обеспечивает возможность подключения внешних исполнительных механизмов и периферийных устройств.

2. Применение шестиосевых роботов в промышленности

2.1. Автомобилестроение

Основным потребителем промышленных роботов является автомобильная промышленность. Порядка 75% всех выпущенных когда-либо промышленных роботов работают именно в автомобилестроении. Это и понятно: автомобильная промышленность имеет самый высокий уровень унификации производственных процессов. Автопроизводители стараются максимально унифицировать производство различных моделей своей линейки. Для многих машин используются одни и те же платформы, детали и техпроцессы. Это идеальные условия для применения данных средств автоматизации.

Основные операции, где задействованы роботы-манипуляторы:

• Сварка (точечная, дуговая, лазерная) – роботы обеспечивают высокую точность, скорость и повторяемость.
• Покраска – равномерное нанесение ЛКМ с минимальным расходом окрасочных материалов.
• Сборка узлов и агрегатов – установка двигателей, дверей, стёкол и других компонентов.
• Перемещение деталей – загрузка/разгрузка станков, транспортировка.

2.2. Машиностроение и металлообработка

Предприятия данного направления промышленности являются вторыми по объёму потребителями промышленных роботов. Этот уникальный механизм способен помочь практически на любой серийной, монотонной операции. Также он способен облегчить тяжёлые условия труда и повысить промышленную безопасность на вредных или потенциально травмоопасных операциях. Основные операции, где чаще всего применяются манипуляторы:

• Сварка (дуговая, лазерная, точечная) крупносерийных, тяжёлых или деталей с большой протяжённостью сварных швов.
• Обслуживание станков – в основном группы ТФО, гибочных, литьевых, ТПА-автоматов.
• Фрезерование, шлифовка, полировка – обработка металлических, деревянных и композитных деталей.
• Резка металла – там, где невозможно применение станков для раскроя листа или труборезов, идеально подойдёт промышленный робот. Например, для раскроя изделий, имеющих сложную геометрическую форму.

2.3. Пищевая промышленность

Применение промышленных роботов на предприятиях пищевой промышленности способно значительно облегчить физически тяжёлый труд сотрудников, повысить производительность отдельных операций и увеличить их точность. Промышленные роботы отлично себя зарекомендовали на следующих операциях:

• Паллетирование и депаллетирование – складирование готовой продукции на паллеты, разгрузка с паллет на конвейер и т. д.
• Фасовка и упаковка – дозирование, запечатывание, маркировка.
• Сортировка продуктов – распознавание и разделение по качеству.
• Приготовление пищи – автоматическая нарезка, смешивание ингредиентов.

2.4. Электроника и электротехника

Своё применение промышленные роботы находят и в производстве электроники и печатных плат. Основные операции:

• Монтаж печатных плат – установка компонентов, пайка.
• Тестирование устройств – автоматическая проверка работоспособности.
• Упаковка микросхем – точное позиционирование мелких деталей.

2.5. Фармацевтика и химическая промышленность

В фармацевтике робот-манипулятор отлично подходит для операций, которые требуют высокой точности, стерильности или сопряжены с работой с опасными веществами, например:

• Дозирование и смешивание реагентов – работа в стерильных условиях.
• Упаковка таблеток и ампул – высокая точность и гигиена.
• Лабораторные исследования – автоматизация пробоотбора.

3. Влияние роботов на эффективность производства

Применение промышленных роботов на производстве практически сразу даёт ощутимый эффект в снижении себестоимости готовой продукции, повышении промышленной безопасности и увеличении производительности — без расширения штата, увеличения производственных площадей и серьёзных изменений в технологических процессах. Использование роботов-манипуляторов даёт серьёзное конкурентное преимущество по сравнению с теми производителями, кто пока не внедрил данные механизмы на своём предприятии, за счёт следующих аспектов:

• Повышение производительности – роботы способны работать 24/7 с редкими остановками для проведения технического обслуживания.
• Снижение брака – исключение человеческого фактора, высокая повторяемость.
• Гибкость производства – можно практически моментально снизить или нарастить производительность для покрытия сезонного спроса, быстрая переналадка под новые изделия.
• Снижение затрат – долгосрочная экономия на зарплате и уменьшение потерь материала.
• Безопасность – выполнение опасных операций (работа с химикатами, тяжёлыми грузами, при высоких температурах).

4. Перспективы развития промышленных роботов-манипуляторов

Основными точками роста для развития промышленных роботов-манипуляторов в ближайшее десятилетие будут развитие IT-технологий, совершенствование систем технического зрения, снижение стоимости промышленных роботов. За последние 10 лет стоимость среднестатистического робота-манипулятора снизилась практически в два раза.

В процессе интеграции промышленных роботов достаточно трудоёмкой и длительной по времени операцией является написание управляющих программ. В данном направлении идёт активное развитие различных специализированных программ для офлайн-программирования, которые значительно ускоряют и упрощают процесс написания управляющих программ робототехнических комплексов. Данный софт позволяет снизить издержки, связанные с отработкой технологии, а также сделать целесообразным использование промышленного робота при мелкосерийном производстве с частой сменой номенклатуры производимых изделий. Кроме того, данное программное обеспечение позволяет создавать цифровые двойники будущих роботизированных ячеек, линий и целых заводов — для более точного расчёта производительности на тех или иных участках, более правильного построения будущей логистики предприятия и т. д.

Развитие периферийных устройств технического зрения, таких как датчики оптического слежения, смарт-камеры, системы слежения за сварным швом, позволяет существенно снизить требования к качеству заготовительного производства и к технологической оснастке. Это, в свою очередь, снижает трудоёмкость и стоимость внедрения роботизированных систем на производство.

Развитие искусственного интеллекта и нейронных сетей в перспективе должно существенно облегчить или вовсе исключить необходимость ручного программирования промышленных роботов и отработки технологии.

Всё вышеперечисленное уже сейчас позволяет использовать промышленных роботов при создании современных производств на базе технологий Индустрии 4.0, интернета вещей (IoT) и прочих. В будущем скорость развития этих аспектов будет только возрастать, делая интеграцию промышленных роботов проще и дешевле.

5. Вызовы

Внедрение промышленных роботов на производстве в России сталкивается с рядом технологических, экономических и организационных вызовов. Несмотря на растущий интерес к автоматизации, многие предприятия испытывают сложности при интеграции роботизированных систем. Поговорим об этих сложностях подробнее:

• Низкая техническая база
  В 1990 году СССР находился на втором месте по ВВП по ППС в мире с общей долей в мировом ВВП около 12,1%. К 1998 году общий вклад России в мировой ВВП составил лишь 2,89%. Такое существенное падение свидетельствует о деградации отечественной промышленности в этот период. Огромное количество больших и малых заводов было закрыто и пущено под нож на металлолом. Те предприятия, которые сумели пережить этот сложный период, были вынуждены сосредоточиться на элементарном выживании и не помышляли о какой-либо модернизации или внедрении современных технологий в производственный процесс. В связи с этим Россия существенно отстала от ведущих стран по плотности роботизации, качеству заготовительного производства и внедрению других передовых методов ведения производства и средств автоматизации. Последствия событий того периода до сих пор отражаются на скорости и возможностях внедрения промышленных роботов на промышленных предприятиях России.
• Санкционное давление
  В связи с текущей мировой обстановкой часть технологий и оборудования стала недоступной для приобретения в России, что делает интеграцию промышленных роботов в ряде случаев существенно дороже. К счастью, ситуация активно меняется в лучшую сторону благодаря программам импортозамещения и налаживанию логистических цепочек в обход существующих препятствий.
• Дефицит кадров
  К сожалению, в области промышленной автоматизации посредством роботов-манипуляторов очень остро стоит кадровый вопрос. Дефицит специалистов приводит к высокой конкуренции за имеющиеся кадры, что существенно повышает уровень зарплат в отрасли и делает внедрение промышленных роботов для конечного клиента дороже. В России имеется хорошая школа подготовки инженерного состава, который способен спроектировать промышленного робота, но, к несчастью, практически нет учебных заведений, где бы обучали практической интеграции промышленных роботов на современных производствах.

В связи с этим присутствует явный дефицит кадров не только у компаний, занимающихся интеграцией роботов-манипуляторов, но и на промышленных предприятиях. Не хватает инженеров по автоматизации — то есть тех людей, кто призван находить узкие места в производственном процессе и быть заказчиком услуг интеграторских компаний.