Робототехника — одно из ключевых направлений автоматизации в целом, а не только в машиностроении. Промышленные роботы и манипуляторы нашли своё применение в широком спектре задач, которые они могут выполнять и где могут заменить человека-оператора. В поисках подходящего и в целом обоснованного определения того, «что именно представляет собой промышленный робот», мы сталкиваемся с рядом специфических сложностей, в основном основанных на различиях между евро-американским и азиатским (особенно японским) рынками. Робот – любое механическое/мехатронное устройство, оснащённое кинематическими парами (шарнирами) с определённой результирующей степенью свободы движения, предназначенное для манипулирования предметами – такое определение более подходит для «восточных рынков». Напротив, «западные рынки» значительно строже и определяют сложный набор требований к характеристикам своих систем управления, а также к общим возможностям промышленных роботов.
Кроме того, эволюция робототехники также привела к различным изменениям в её определении. Сейчас уже можно придерживаться определения, взятого из Международной организации по стандартизации, которая определяет термин робот следующим образом: «Робот — это любой автоматически управляемый, перепрограммируемый универсальный манипулятор, программируемый для манипуляций по трём или более осям, который может быть либо фиксированным на месте, либо мобильным для использования в промышленной автоматизации» (ISO 8373: 2012) Это определение охватывает все ключевые характеристики любого промышленного робота, такие как способность к перепрограммированию — быстрому изменению выполняемых процессов и желаемой траектории движения с помощью всего лишь изменения программы. Многоцелевой — универсальность для различных применений. Три или более осей – возможность сложного пространственного перемещения в трёхмерном пространстве (в большинстве случаев также ориентация по трём осям). Мобильный — возможность расширения рабочего пространства с помощью мобильной роботизированной платформы или, по крайней мере, так называемого управления 7-й осью.
По основным возможностям применения промышленные роботы можно разделить на:
• манипуляторный робот — наиболее распространённый тип робототехники на производстве, предназначенный для выполнения операций, связанных с изменением положения и ориентации объектов (обслуживание производственных машин, паллетирование, транспортировка объектов и т. д.).
• технологический робот – предназначен для выполнения определённой технологической операции (окраски, сварки и т.п.).
• универсальные роботы – это промышленные роботы, способные выполнять несколько разнородных задач.
• специальные роботы – предназначены для выполнения одной специальной задачи.
С тех пор, как в 1967 году был запущен в производство первый промышленный робот, на сегодняшний день по всему миру продано более 2 800 000 таких устройств. Номенклатура этих машин позже была заменена роботами современного поколения. В отличие от старшего поколения, они более эффективны, имеют большие возможности (например, до 10 раз выше отношение полезной нагрузки к весу, в настоящее время этот параметр уже приближается к значению 1:1) и сложные манипуляционные / технологические устройства, обычно оснащённые различными когнитивными и “интеллектуальными” датчиками, которые помогают роботам ориентироваться в сложных условиях окружающей среды или процессах, а также избежать потенциального повреждения манипулируемых предметов или самого робота.
Здесь мы можем упомянуть, в частности, тактильные датчики, встроенные датчики силы и крутящего момента, акселерометры, сканеры, высокопроизводительные камеры с быстрыми алгоритмами распознавания образов и другие когнитивные датчики, часто имеющие функции глубокого обучения для расширенного принятия решений на основе примеров. Количество роботов в последнее время увеличивается в среднем на 26% в год. Сборка — одна из областей, где автоматизация и робототехника развиваются высокими темпами.
Роботы прочно утвердились в общем машиностроении и сборке потребительских товаров, однако робототехника в электронике сейчас переживает, вероятно, наибольшее распространение. Международная федерация робототехники (IFR) заявляет, что мировое производство и продажи в этой области выросли на 114 процентов за последние шесть лет. Согласно опубликованным данным, к 2023 году ожидается, что рынок роботов будет расти на 14% в год, доведя производство до 600 000 роботов в год.
Ещё в начале тысячелетия таких умных механизмов производилось всего около 80 000 штук ежегодно. По данным статистики в 2018 году на 10 000 рабочих, занятых на промышленных производствах, в Европе приходилось в среднем 106 роботов, в США — 91 робот, а в Азии — 75 роботов.
Современное состояние и тенденции применения промышленных роботов в автомобильной промышленности.
Хорошо известно, что сектором промышленности с одним из крупнейших внедрений роботов в производство является автомобильная промышленность. Например, в 2019 году на эту отрасль пришлось 33% от общего объёма поставок промышленной робототехники. Производство грузовых транспортных средств и легковых автомобилей, как с обычным двигателем внутреннего сгорания, так и с все более распространёнными автомобилями на гибридном приводе или системой электропривода, в настоящее время становится всё более и более сложным. Большая часть всех производственных процессов теперь требует автоматизации на базе двух ключевых производственных устройств – станков с ЧПУ и промышленных роботов. В дополнение к задаче по предотвращению изменения климата, цели на 2030 год потребуют транспортных средств с низким или нулевым уровнем выбросов, которым потребуется ещё более быстрая и масштабная автоматизация нового поколения на основе так называемых «интеллектуальных датчиков», когнитивных и совместных роботов или других средств «умных технологий» (по определению «Девяти базовых блоков концепции Индустрии 4.0»).
Согласно нескольким источникам (например, IFR), в последнее десятилетие возник спрос на новые инвестиционные проекты, направленные на разработку, модернизацию или создание новых производств современных автомобилей. Поскольку в автомобильном производстве постоянно используются новые материалы и технологии, эти проекты создали спрос на поставку роботов последнего поколения, способных удовлетворить высокие технические требования. Эта тенденция сохраняется и сегодня. Несмотря на сложную ситуацию в 2020 году, предполагается, что она не изменится существенно даже в отношении требований вновь открывшихся развивающихся рынков. Весьма вероятно, что применение робототехники станет ещё более желательным также из-за последствий глобальной пандемии COVID-19. Ситуация во время пандемийного кризиса также выявила, что одним из самых слабых звеньев производственной цепочки является человек-оператор. Следовательно, было бы целесообразно повысить устойчивость производственной системы к таким обстоятельствам даже при более широком применении промышленных роботов. Конечно, не все процессы можно полностью автоматизировать с технической точки зрения, или это экономически невыгодно. Однако, также основываясь на опыте передовых брендов автомобилестроения (новые проектные требования по дополнительным роботизированным ячейкам к существующим линиям), можно утверждать, что тренд на автоматизацию все большего количества процессов уже установился.
Автомобилестроительную робототехнику можно определить, как область промышленной робототехники, которая имеет свою направленность и применение в этом сегменте промышленности — непосредственно на главной сборочной линии автозавода или во всей цепочке поставок (заводы поставщиков). Их применение во всем производственном процессе позволяет добиться значительного объёма автоматизации процессов, снижая потребность в людях, занятых в монотонных процессах, что повышает безопасность и надёжность. Наиболее распространёнными «роботизированными процессами» в автомобильной промышленности являются: общая обработка, дуговая и точечная сварка, автоматическая сборка, напыление краски, герметизация швов, визуальный осмотр и проверка качества, а также различные дополнительные задачи, такие как очистка. В настоящее время инженеры изучают новые задачи для применения робототехники, а роботы становятся более точными, эффективными, способными выполнять все более сложные и даже более гибкие задачи. Таким образом, автомобильная промышленность по-прежнему остаётся одной из самых автоматизированных цепочек поставок в мире и одним из крупнейших пользователей роботов в промышленности.
Автомобильная робототехника — это область, которая генерирует наибольшее количество промышленных роботов во всем мире, в настоящее время покрывая 30% от общего объёма инвестиций в промышленный сектор. Можно выделить следующие основные плюсы от применения робототехники в автомобильной промышленности:
• повышение точности технологического процесса и годовых объёмов производства;
• некоторые операции полностью автоматизированы и разрабатываются с ограниченным вмешательством человека;
• сохранение здоровья работников и снижение возможных профессиональных рисков при выполнении определённых операций;
• разработаны эффективные мероприятия и операции по обработке тяжёлых и негабаритных материалов.
Перспективы развития
Современные роботы взаимодействуют бок о бок с людьми, заменяя их в монотонных, а иногда и физически трудных операциях. Ожидается, что шарнирные и антропоморфные типы роботов останутся ключевым элементом робототехники в автомобилестроении, особенно благодаря их универсальности, производительности и эффективности. Они работают по пяти или шести независимым осям (степеням свободы), расположенными в так называемой последовательной кинематике. Такая кинематика подходит для таких видов деятельности, как: погрузочно-разгрузочные работы, механическая обработка деталей, покраска деталей и кузовов машин, транспортировка и сборка. Преимуществами этого типа являются гибкие возможности монтажа и возможность получения любой ориентации рабочей насадки (манипуляторы, захваты, точечный пистолет, горелка для дуговой сварки и т. д.), и при этом они имеют несколько меньшую жёсткость.
Несмотря на успех роботов с традиционной кинематикой, одной из основных новых тенденций является более широкое применение коллаборативных роботов, также известных как «коботы» (коллаборативный робот может быть определён как робот, взаимодействующий с человеком-оператором). Набирает обороты применение так называемых роботов с параллельной кинематической структурой, способных развивать огромные скорости и ускорения (до 15-кратного ускорения свободного падения), работающих за очень короткое время цикла, а также использование «умных датчиков» и возможности обмена данными между устройствами.
Проглядывается ещё одна новая тенденция внедрения, когда для автоматизированного процесса требуется более одной «руки» — манипулятора. В таких случаях роботы с двумя «руками» выполняют многоосевые движения и различные высокоточные задачи с помощью дублирующих осей. Развитие роботизации постепенно приближается к созданию полностью автономных заводов, на которых будет полностью самостоятельно управлять производством автоматика, однако, как подчёркивают эксперты, до этого ещё несколько десятков лет.
