Un robot industrial es un robot de manipulación diseñado para realizar funciones motrices y de control en el proceso productivo , es decir, un dispositivo automático compuesto por un manipulador y un dispositivo de control reprogramable que genera acciones de control que establecen los movimientos requeridos de los órganos ejecutivos del manipulador. . Se utiliza para mover elementos de producción y realizar diversas operaciones tecnológicas [1] [2] .
En la literatura en ruso, se ha generalizado la siguiente definición de robot industrial, tomada de [3] : es “una máquina automática, estacionaria o móvil, que consta de un actuador en forma de manipulador con varios grados de movilidad , y un dispositivo de control de programa reprogramable para la ejecución en un proceso de producción de funciones de motor y control. En la industria, sin embargo, junto con los robots de manipulación más utilizados, también se utilizan robots industriales móviles (locomoción), de información, de información y de control, complejos y de otro tipo [4] .
Los robots industriales suelen ser uno de los componentes de los sistemas de producción automatizados utilizados en la producción automatizada flexible ( RTK , RTYa , RTU , RTL , RTS , GPL , etc.), que, con un nivel de calidad constante, pueden aumentar la productividad laboral en general.
Es económicamente beneficioso utilizar robots industriales junto con otros medios de automatización de la producción (líneas, secciones y complejos automatizados).
El impulso para la aparición de manipuladores para uso industrial fue el comienzo de la era nuclear . En 1947, en Estados Unidos, un grupo de empleados del Laboratorio Nacional de Argonne encabezado por R. Görtz desarrolló el primer manipulador electromecánico automático con control de copia, repitiendo los movimientos de un operador humano y diseñado para mover materiales radiactivos . Realizar operaciones como girar una llave inglesa o posicionar objetos en una superficie con este manipulador fue difícil, ya que no proporcionó ninguna retroalimentación de fuerza; sin embargo, ya en 1948, la empresa General Electric desarrolló el manipulador copiador Handy Man , en el que se disponía de dicha retroalimentación, y el operador podía percibir las fuerzas que actuaban sobre la empuñadura del manipulador [5] [6] .
Los primeros robots industriales en el sentido propio de estas palabras comenzaron a crearse a mediados de la década de 1950 en Estados Unidos. En 1954, el ingeniero estadounidense George Devol desarrolló una forma de controlar un manipulador de carga y descarga utilizando tarjetas perforadas reemplazables y presentó una solicitud de patente para un "dispositivo programable para transportar objetos" que había diseñado, es decir, para un robot industrial (patente de Devol se publicó en 1961 [7] ). Junto con J. Engelberg en 1956, organizó la primera empresa del mundo para la producción de robots industriales. Su nombre "Unimation" ( inglés Unimation ) es una abreviatura del término "Universal Automation" 'automatización universal' [8] [9] [10] .
En 1959, la Consolidated Corporation (EE. UU.) publicó una descripción de un manipulador con control numérico (CNC), y en 1960-1961 aparecieron los primeros informes en la prensa estadounidense sobre los manipuladores "Transferrobot" y "Eleximan" con control de programa para montaje automático y otros trabajos.
A principios de la década de 1960, se crearon en Estados Unidos los primeros robots industriales del mundo Unimate (Unimation, 1961) y Versatran ( American Machine and Foundry , 1962). Su parecido con los humanos se limitaba a la presencia de un manipulador que se asemeja vagamente a una mano humana. Algunos de ellos siguen funcionando, habiendo superado las 100 mil horas de recurso de trabajo [11] [12] .
Ya en 1959 se creó un prototipo experimental del robot Unimate, y en la primavera de 1961 se puso en funcionamiento este robot industrial (ahora exhibido en la Institución Smithsonian ) en la fundición de una de las fábricas de la corporación automotriz General Motors , ubicada en la ciudad de Ewing es un suburbio de Trenton . El robot capturó las piezas moldeadas al rojo vivo de las manijas de las puertas y otras partes del automóvil, las sumergió en un charco de refrigerante y las instaló en una cinta transportadora, luego de lo cual fueron a los trabajadores para cortarlas y pulirlas [13] [14] . Trabajando las 24 horas del día, el robot reemplazó a tres turnos de trabajadores en trabajos duros, sucios y peligrosos [15] . Este robot tenía 5 grados de libertad con accionamiento hidráulico y una pinza de dos dedos con accionamiento neumático. El movimiento de objetos con un peso de hasta 12 kg se llevó a cabo con una precisión de 1,25 mm . Como sistema de control, se utilizó un portador de programa en forma de tambor de leva con un motor paso a paso , diseñado para 200 comandos de control y sensores de posición del codificador. En el modo de entrenamiento, el operador establece una secuencia de puntos por los que deben pasar los enlaces del manipulador durante el ciclo de trabajo. El robot memorizaba las coordenadas de los puntos y podía moverse automáticamente de un punto a otro en una secuencia dada, repitiendo repetidamente el ciclo de trabajo. En la operación de descarga de la máquina de moldeo por inyección Unimate , esta operó a un ritmo de 135 piezas por hora con un 2% de chatarra, mientras que la descarga manual fue de 108 piezas por hora con hasta un 20% de chatarra.
El robot industrial "Versatran", que tenía tres grados de movilidad y control desde una cinta magnética, podía cargar y descargar hasta 1200 ladrillos al rojo vivo por hora en el horno. En ese momento, la relación del costo de la electrónica y la mecánica con el costo del robot era del 75 % y 25 %, por lo que muchas tareas de control se resolvían a expensas de la mecánica; ahora esta proporción se ha invertido y el costo de la electrónica continúa disminuyendo .
En 1967 comenzó el uso de robots industriales en las empresas europeas: el primer robot industrial (el mismo Unimate) se instaló en una planta metalúrgica en la ciudad de Upplands-Väsby , Suecia [12] . En el mismo año, Japón también entró en la era de la robótica , que adquirió el robot Versatran. Pronto en Japón y Suecia, así como en Gran Bretaña , Alemania , Italia y Noruega , comenzó la producción de robots industriales de producción propia (en Japón, la empresa Kawasaki Heavy Industries fue la primera en producir robots, que en 1968 adquirió una licencia de Union para producir robots industriales [16] ). A fines de la década de 1970, Japón ocupaba el primer lugar en el mundo tanto en términos de producción anual de robots como en la cantidad de robots industriales instalados en las empresas del país [17] .
En la URSS, los primeros robots industriales aparecieron en 1971; fueron creados bajo la dirección del profesor P. N. Belyanin (robot UM-1) y el laureado del Premio Estatal de la URSS B. N. Surnin (robot "Universal-50"). En 1972-1975, se creó una amplia gama de robots industriales soviéticos (gracias a los esfuerzos de varias organizaciones de investigación y producción) (incluidos los robots de la serie Universal, PR-5, Brig-10, IES-690, MP-9S, TUR -10 y otros) [18] [19] .
Desde 1960, se han desarrollado robots en los Estados Unidos con sistemas de control basados en el principio de retroalimentación . Inicialmente, los dispositivos de conducción en estos sistemas se formaron en el tablero del conmutador; En 1974, la compañía Cincinnati Milacron fue la primera en utilizar una computadora en un sistema de control de robots , creando un robot industrial T 3 ( ing. The Tomorrow Tool 'herramienta del futuro') [9] [20] .
Se ofrecen esquemas cinemáticos inusuales de manipuladores. Los robots tecnológicos se están desarrollando rápidamente y realizan operaciones como corte , pintura y soldadura a alta velocidad . La aparición de los sistemas de control por microprocesador en la década de 1970 y la sustitución de dispositivos de control especializados por controladores programables hizo posible reducir el coste de los robots por un factor de tres, haciendo rentable su introducción masiva en la industria. Esto fue facilitado por los requisitos previos objetivos para el desarrollo de la producción industrial.
Un robot industrial incluye una parte mecánica (incluyendo uno o más manipuladores) y un sistema de control para esta parte mecánica. Además, el robot puede tener medios de detección (que juntos forman un sistema de sensores de información ), cuyas señales se envían al sistema de control [21] .
Un manipulador es un mecanismo controlado (o máquina ), que está diseñado para realizar funciones motoras similares a las funciones de una mano humana cuando mueve objetos en el espacio, y está equipado con un cuerpo de trabajo [22] . En algunos casos, un robot industrial puede incluir dos (o más) manipuladores [23] .
ActuadorEl mecanismo de accionamiento del manipulador, por regla general, es una cadena cinemática abierta , cuyos eslabones están conectados en serie entre sí por juntas de varios tipos; en la abrumadora mayoría de los casos, sin embargo, hay pares cinemáticos de la clase V (que tienen un grado de movilidad), y entre estos últimos hay articulaciones de traslación y rotación [24] [25] .
La combinación y disposición mutua de eslabones y articulaciones determina el número de grados de movilidad, así como el alcance del sistema de manipulación del robot. Por lo general, se supone que las tres primeras articulaciones en el mecanismo de accionamiento del manipulador implementan grados de movilidad de transporte (o portátiles ) (que proporcionan la salida del cuerpo de trabajo a un lugar determinado), y el resto implementa grados de movilidad de orientación (responsable de la orientación deseada del cuerpo de trabajo) [26] . Según el tipo de las tres primeras articulaciones, la mayoría de los robots se clasifican en una de cuatro categorías [27] [28] :
Para algunos manipuladores, no se acepta la división de grados de libertad en portátiles y de orientación. Un ejemplo son los manipuladores con redundancia cinemática (es decir, con el número de grados de libertad mayor que seis); aquí, el control del movimiento del cuerpo de trabajo y el control de su orientación no están "desatados" para grupos separados de articulaciones [26] .
En algunos casos, un brazo de robot industrial está montado sobre una base móvil, lo que significa que está dotado de grados adicionales de movilidad. Por lo tanto, el manipulador se instala sobre rieles o sobre un carro móvil que se mueve a lo largo del riel del piso o a lo largo de los rieles colgantes [29] .
Hay robots industriales con cadenas cinemáticas cerradas. Los robots paralelos pueden servir como ejemplo : robots de manipulación en los que el cuerpo de trabajo está conectado a la base por al menos dos cadenas cinemáticas independientes. Esta clase de robots manipuladores incluye, en particular, la plataforma Hugh-Stewart y los robots delta [30] [31] .
Cuerpo de trabajoAl final del manipulador (en su "muñeca") se encuentra el cuerpo de trabajo , un dispositivo diseñado para realizar una tarea especial. Un dispositivo de agarre o una herramienta tecnológica puede actuar como un cuerpo de trabajo [32] .
El tipo de dispositivo de agarre más versátil es una pinza , un dispositivo en el que la captura y retención de un objeto se realiza mediante el movimiento relativo de las partes de este dispositivo [33] . Por regla general, el agarre tiene un diseño similar al de una mano humana : el agarre de un objeto se lleva a cabo con la ayuda de " dedos " mecánicos. Las pinzas neumáticas con ventosa se utilizan para sujetar objetos planos. También se utilizan ganchos (para levantar piezas de transportadores), cucharones o cucharones (para sustancias líquidas, a granel o granulares). Para capturar el mismo conjunto de piezas del mismo tipo, se utilizan diseños especializados (por ejemplo, pinzas magnéticas) [32] .
Según el método de sujeción del objeto, los dispositivos de agarre se dividen en [34] :
El número de aplicaciones de robots industriales en las que se utiliza la pinza para sujetar una herramienta de trabajo es relativamente pequeño. En la mayoría de los casos, la herramienta necesaria para realizar una operación tecnológica se fija directamente a la muñeca del robot, convirtiéndose en su cuerpo de trabajo. Puede ser una pistola rociadora, una pistola de soldadura por puntos, un cabezal de soldadura por arco, una cuchilla circular , un taladro , una fresa , un destornillador , una llave inglesa , etc. [32] [35]
UnidadesPara poner en movimiento los enlaces del manipulador y el dispositivo de agarre, se utilizan accionamientos eléctricos, hidráulicos o neumáticos [36] . Se prefieren los accionamientos hidráulicos en los casos en que es necesario proporcionar una cantidad significativa de esfuerzo desarrollado o alta velocidad; por lo general, tales unidades se suministran con robots grandes de alta carga útil. Los actuadores eléctricos no tienen tanta potencia o velocidad, pero pueden lograr mejores características de precisión. Finalmente, los actuadores neumáticos se utilizan generalmente para pequeños robots que realizan operaciones cíclicas simples y rápidas [37] .
Se estima que alrededor del 50 % de los robots industriales actuales utilizan un accionamiento eléctrico, el 30 % utilizan un accionamiento hidráulico y el 20 % utilizan un accionamiento neumático [38] .
En el desarrollo de sistemas de control para robots industriales se pueden trazar dos direcciones. Uno de ellos tiene su origen en los sistemas de control de software para máquinas herramienta y dio lugar a la creación de manipuladores industriales controlados automáticamente. El segundo condujo a la aparición de sistemas biotécnicos e interactivos semiautomáticos en los que un operador humano participa en el control de las acciones de un robot industrial [39] .
Así, los robots industriales se pueden dividir en los siguientes tres tipos (cada uno de los cuales, a su vez, se divide en varias variedades [40] [41]) :
La mayoría de los robots modernos operan sobre la base de los principios de retroalimentación , control subordinado y jerarquía del sistema de control del robot [42] [43] .
La construcción jerárquica del sistema de control del robot implica dividir el sistema de control en capas horizontales (niveles): en el nivel superior, se controla el comportamiento general del robot; en el nivel de planificación del movimiento, la trayectoria necesaria del movimiento del robot se calcula cuerpo; cuerpo y, por último, a nivel del accionamiento, se controla directamente el motor, que es responsable de un determinado grado de movilidad del manipulador [42] [43] .
Los primeros robots programados solían programarse a mano. Posteriormente aparecieron lenguajes de programación especiales para robots (por ejemplo, el lenguaje VAL para el robot Union PUMA o el lenguaje MCL desarrollado por McDonnell Douglas basado en el lenguaje de programación APT ) [44] . Actualmente, para la programación de este tipo de robots se pueden utilizar entornos de programación como VxWorks / Eclipse o lenguajes de programación como Forth , Oberon , Component Pascal , C. Como hardware, se suelen utilizar ordenadores industriales en la versión móvil PC/104 , con menos frecuencia MicroPC . El control puede ser por PC o controlador lógico programable .
Control subordinadoEl control esclavo se utiliza para construir un sistema de control de accionamiento. Si es necesario construir un sistema de control de accionamiento por posición (por ejemplo, por el ángulo de rotación del enlace del manipulador), entonces el sistema de control se cierra mediante retroalimentación de posición, y dentro del sistema de control de posición hay un sistema de control de velocidad con su propia retroalimentación de velocidad, dentro de la cual hay una corriente de bucle de control, también con su retroalimentación.
Un robot moderno está equipado no solo con información sobre la posición, la velocidad y la aceleración de los enlaces. Al capturar piezas, el robot debe saber si ha capturado con éxito la pieza. Si la pieza es quebradiza o su superficie tiene un alto grado de limpieza, se construyen complejos sistemas de retroalimentación de fuerza para permitir que el robot agarre la pieza sin dañar su superficie o destruirla.
El robot está controlado, por regla general, por un sistema de gestión empresarial industrial (sistema ERP), que coordina las acciones del robot con la preparación de las piezas de trabajo y las máquinas herramienta con control numérico para realizar operaciones tecnológicas.
A mediados de la década de 1990, aparecieron en el mercado robots industriales adaptativos equipados con dispositivos táctiles . Los modernos sistemas de sensores de información utilizados en robótica son conjuntos de herramientas de medición y computación funcionalmente integradas, cuya tarea es obtener información de varios sensores y procesarla para su uso posterior por el sistema de control [45] .
Los sensores utilizados en los sistemas robóticos modernos son diversos y se pueden dividir en los siguientes grupos principales [46] [47] [48] :
Varios aspectos del uso de robots industriales se consideran, por regla general, en el marco de los proyectos de producción industrial estándar: en función de los requisitos existentes, se selecciona la mejor opción, que especifica el tipo de robots necesarios para esta tarea, su número, y también resuelve los problemas de infraestructura de energía (conexiones de energía, suministro de refrigerante - en el caso de utilizar refrigeración líquida de elementos de herramientas) y la integración en el proceso de producción (suministro de piezas brutas/productos semielaborados y devolución del producto terminado a una línea automática para su transferencia a la siguiente operación tecnológica).
Los robots industriales en el proceso de producción son capaces de realizar operaciones tecnológicas básicas y auxiliares .
Las principales operaciones tecnológicas incluyen las operaciones de conformado directo, cambio de las dimensiones lineales de la pieza de trabajo, etc.
Las operaciones tecnológicas auxiliares incluyen las operaciones de transporte, incluidas las operaciones de carga y descarga de equipos tecnológicos.
Entre las acciones más comunes que realizan los robots industriales se encuentran las siguientes [49] [50] :
A principios del siglo XXI, los robots industriales se han generalizado, se mueven dentro de las tuberías y están diseñados para la detección de fallas y la limpieza de sus superficies internas [51] [52] . Dichos robots pertenecen a la clase de robots móviles y se dividen en los siguientes grupos según la forma de su movimiento [52] [53] : robots reptantes con un principio de movimiento similar a una serpiente [54] ; robots reptantes con un principio de movimiento similar al de un gusano [55] ; robots con topes deslizantes [56] [57] ; robots con ruedas [58] ; robots oruga [59] ; robots de vibración [51] ; robots con enlaces flexibles y elásticos [60] ; robots con forma de cuerpo variable [61] ; robots movidos por el flujo de líquido o gas [62] .
El uso de robots en la producción industrial tiene una serie de ventajas, en particular [63] :
En 2004, Japón representaba alrededor del 45% de los robots industriales del mundo. En términos absolutos: a finales de 2004, en Japón se utilizaban 356.500 robots industriales, con Estados Unidos en segundo lugar (122.000 robots industriales) por un amplio margen.
Según la Federación Internacional de Robótica , en 2013 las ventas mundiales de robots industriales ascendieron a 178.132 unidades (un aumento del 12% respecto al año anterior). El mayor mercado de robots industriales fue la República Popular China , con 25.111 robots industriales comprados por empresas. Le siguen Japón (25.110 unidades), EE . UU. (23.700 unidades), República de Corea (21.307 unidades), Alemania (18.297 unidades) y otros países industrializados.
El mayor número de nuevos robots industriales se instala en las empresas:
Japón ocupa el primer lugar en el mundo (2004) en la exportación de robots industriales. Cada año este país produce más de 60 mil robots, de los cuales casi la mitad se exporta. Esta es una gran brecha en comparación con otros países.
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