Устройство промышленного робота: из чего состоит и как работает

ГОСТ Р 60.0.0.4-2023 называет промышленным роботом автоматически управляемый перепрограммируемый манипулятор, который программируется по трём или более степеням подвижности и работает в задачах автоматизации на производстве. В его состав стандарт включает три части: манипулятор вместе с приводами, контроллер и средства обучения или программирования с интерфейсом связи.

Захват, сварочная горелка, датчики на них и система зрения в этот список не входят. Вместе с роботом и программой задания они образуют робототехнический комплекс. Граница пригодится, когда будете читать коммерческое предложение: «робот» там часто означает руку, шкаф управления и пульт, а оснастку под вашу деталь проектируют и оплачивают отдельно.

Дополнительные оси, встроенные в кинематику робота, стандарт относит к самому роботу. Сюда попадают линейная ось, по которой манипулятор ездит вдоль станков, и поворотный стол под деталью, если ими управляет тот же контроллер.

Манипулятор стандарт описывает как цепочку сочленённых сегментов, которые поворачиваются или сдвигаются друг относительно друга. Сегменты называют звеньями, подвижные соединения между ними шарнирами. Вращательный шарнир даёт одному звену поворот относительно другого, поступательный даёт линейное перемещение.

Цепочка начинается с основания, которое крепят к полу, потолку или стене. За ним идёт рука: звенья и приводные шарниры между основанием и запястьем, их называют главными степенями подвижности. Рука выводит запястье в нужную точку пространства. Запястье с вторичными степенями подвижности поддерживает, позиционирует и ориентирует рабочий орган. Если упростить, у робота-манипулятора рука отвечает за то, где окажется инструмент, а запястье за то, под каким углом он подойдёт к детали.

На конце запястья находится механический интерфейс, монтажная поверхность для рабочего органа; за размерами фланцев стандарт отсылает к ИСО 9409-1 и ИСО 9409-2. Для программы важнее другая точка, центральная точка инструмента (TCP). Её задают под конкретную задачу относительно системы координат фланца: на кончике сварочной проволоки, в центре присоски, на торце фрезы. По траектории робот ведёт именно её.

Программа робота хранит положения инструмента в пространстве, а двигателям нужны углы. Чтобы перевести одно в другое, контроллер решает обратную кинематическую задачу: по заданному положению вычисляет значения положения всех шарниров. Между точками он планирует траекторию: решает, как двигать шарниры в промежутках, и делает это по выбранному режиму управления.

Режимов два. При позиционном управлении (PTP) программист задаёт только точки, а путь между ними выбирает контроллер. Так переносят деталь по воздуху, где форма пути не важна. При контурном управлении (CP) задают и маршрут: сварочный шов или валик герметика должен пройти ровно там, где его нарисовали.

Как это выглядит в цифрах, видно на компактном шестиосевом роботе FANUC LR Mate 200iD. У базовой модели 6 осей, груз до 7 кг, досягаемость 717 мм, повторяемость ±0,01 мм и масса механической части 25 кг. У каждой оси свой диапазон и своя предельная скорость, причём все три оси запястья вращаются быстрее любой из осей руки.

В паспорте почти всегда указана повторяемость, и её легко принять за точность. ГОСТ разделяет эти величины. Погрешность показывает, насколько среднее из фактических положений отличается от заданного. Повторяемость показывает разброс фактических положений, когда робот много раз приходит в одну и ту же точку с одного направления.

Для работы по точкам, записанным с пульта, важна повторяемость: робот возвращается туда, куда его однажды привели. Если же программу строят на компьютере по 3D-модели, важнее становится погрешность: точки никто не проверял на реальном роботе. Поэтому, прежде чем программировать автономно, робот и инструмент калибруют, а первые проходы гоняют на медленной скорости.

Привод робота ГОСТ определяет как силовой механизм, который превращает электрическую, гидравлическую, пневматическую или другую энергию в движение робота. Ранние роботы двигались на гидравлике: в 1971 году KUKA построила для Daimler-Benz в Зиндельфингене первую в Европе сварочную линию с гидравлическими роботами. Через два года у KUKA Famulus все шесть осей стали электромеханическими, а сварочных роботов Nachi 1979 года IFR называет началом эпохи электропривода на смену гидравлике.

В электрическом роботе привод оси складывается из нескольких узлов. Сервоусилитель в шкафу контроллера дозирует ток. Серводвигатель вращает вал, встроенный тормоз держит ось при отключённом питании, датчик положения сообщает контроллеру фактический угол. Редуктор снижает скорость двигателя и поднимает момент до уровня, который нужен звену. Двигатели, усилители и настройку контуров подробно разбирает страница сервопривод робота.

Модулем вращения промышленного робота называют такой сустав в сборе: двигатель, редуктор, подшипник, датчик положения и тормоз в одном корпусе. Готовые модули продают и отдельно, например Harmonic Drive выпускает поворотные сервоактуаторы с полым валом. Через полый вал удобно провести кабели и шланги к следующему звену.

Редуктор решает главную механическую задачу сустава. Двигатель быстрый и слабый, а звену нужен медленный и сильный поворот без люфта.

Волновой редуктор изобрёл и запатентовал в 1955 году американский инженер Уолтон Массер. В нём три основные детали: генератор волн, гибкое колесо и жёсткое колесо. Генератор волн, тонкий подшипник на эллиптической втулке, сидит на валу двигателя и растягивает гибкое колесо в эллипс. У гибкого колеса на два зуба меньше, чем у жёсткого, и за каждый оборот генератора оно смещается на два зуба в обратную сторону. Зубья всё время в зацеплении по большой оси эллипса, поэтому люфта нет, а высокое передаточное число получается в одной ступени.

Прецизионный редуктор RV объединяет циклоидный механизм с планетарным. Первую модель серии для промышленных роботов, RV-135, Nabtesco разработала в 1985 году. Производитель называет её сильными сторонами низкую вибрацию, высокое передаточное число, компактность, стойкость к ударным нагрузкам, жёсткость и точность. В 2026 году токийский Национальный музей природы и науки внёс RV-135 в реестр «наследия технологий будущего».

Планетарная передача проще, но одна её ступень даёт передаточное число до 10:1, а выше нужна вторая ступень.

Контроллер в ГОСТ называется системой управления. Это аппаратные и программные средства, которые реализуют управляющую логику и силовые функции, управляют поведением робота и его связью с другим оборудованием и людьми. На практике это шкаф с вычислителем, сервоусилителями всех осей, блоком питания, входами-выходами и контроллером безопасности.

Такой шкаф появился не сразу. Первый полностью электрический робот с микропроцессорным управлением, ASEA IRB 6, вышел в 1974 году: его контроллер S1 работал на 8-битном процессоре Intel, имел 16 КБ памяти и 16 цифровых входов-выходов. В 2010 году KUKA выпустила поколение KR C4, первое, где полный контроллер безопасности встроен в единую систему управления.

Современный контроллер делает заметно больше. ABB заявляет для платформы OmniCore точность следования траектории до 0,6 мм на скоростях до 1600 мм/с, до 100 вариантов настроек безопасности, а ещё шкаф возвращает энергию в сеть и экономит до 20% относительно прошлого поколения. Тот же шкаф синхронно с движением робота ведёт внешние устройства: клещи точечной сварки, окрасочные головки, дозаторы клея.

Пульт обучения ГОСТ определяет как переносное устройство, связанное с системой управления, с которого робота программируют или перемещают. Стандарт перечисляет четыре способа программирования обучением: вести робота рукой, перемещать его с пульта, программировать с пульта без движения и строить программу алгоритмом по данным датчиков. Чаще всего наладчик подводит инструмент к детали кнопками или джойстиком и записывает точку.

От пульта зависит и безопасность человека рядом с роботом. Ручной режим иногда называют режимом обучения, и скорость в нём держат низкой: функция сниженной скорости по ГОСТ ограничивает её значением не выше 250 мм/с. На пульте всегда есть кнопка аварийного останова. Для примера, у KUKA smartPAD pro сенсорный экран 10,1 дюйма, который работает и в перчатках, 6D-мышь для перемещения робота по трём или шести степеням свободы и подсвеченная аварийная кнопка. Со встроенными формами контроллеров KUKA проще программировать группы до шести синхронизированных роботов.

Пульт не единственный путь. При автономном программировании программу готовят на компьютере, независимо от робота, и затем загружают в контроллер.

Рабочий орган крепят к механическому интерфейсу, чтобы робот выполнил задание. ГОСТ приводит примеры: захватное устройство, сварочный пистолет, краскопульт. Захват предназначен для того, чтобы схватить и удержать объект. Какие бывают захваты и как считать усилие, описано в разделе захваты для роботов.

Электрошпиндель для промышленного робота превращает манипулятор в лёгкий обрабатывающий модуль: на фланец ставят высокооборотный двигатель с цангой под фрезу или сверло. Так снимают облой, фрезеруют пластик и дерево, сверлят отверстия в панелях. Рука робота мягче станины станка, поэтому силу резания и требуемую точность сверяйте с паспортом робота, пока шпиндель не куплен.

Датчики дают роботу то, чего нет в программе. Датчик положения стоит в каждой оси. Шестикомпонентный датчик силы и момента измеряет все три силы и три момента, к нему прилагаются кабель и блок обработки сигнала. ATI называет среди задач таких датчиков роботизированную сборку, шлифовку и полировку. Например, у ATI Axia80-M20 точность лучше 2% полной шкалы по всем осям, подключается он по Ethernet, EtherCAT или последовательному интерфейсу. Камеры технического зрения находят деталь, которая лежит неточно, и поправляют траекторию.

Всё описанное выше относится к шарнирному роботу, у которого три или более вращательных шарнира. ГОСТ выделяет и другие кинематические схемы. Приводы, контроллер и пульт есть у всех, меняется только цепочка шарниров между основанием и фланцем. Где какие схемы применяют и чем они сильны, рассказывает обзор типы промышленных роботов.

Узлы современного робота появлялись постепенно, и почти каждый шаг менял либо привод, либо управление. Unimate на заводе GM в 1961 году выполнял пошаговые команды, записанные на магнитном барабане. Дальше были гидравлика, электромеханические оси, микропроцессор и прецизионные редукторы.

Паспорт робота показывает груз, досягаемость и повторяемость, но об устройстве узлов говорит мало. Задайте поставщику несколько вопросов, пока договор не подписан. Это сэкономит месяцы, когда робота начнут запускать и ремонтировать.

Устройство подсказывает, на что смотреть, но выбор модели начинается с детали, такта и планировки.

Считать проект по цене одной руки нельзя: к ней добавятся рабочий орган, оснастка, ограждение и запуск.

Устройство робота описывает нижний уровень. Выше стоят ячейка, линия и цех. Как робот встраивается в управление процессом вместе с датчиками, ПЛК и SCADA, объясняет статья системы и средства автоматизации технологических процессов. Общую картину, включая механизацию и цифровой цех, даёт автоматизация производства. Что меняется, когда роботы берут на себя целые участки, разобрано в материале роботизированное производство.

Сколько роботов уже работает на российских заводах и как Россия выглядит в сравнении с другими странами, показывает плотность роботизации в России. Отечественные модели с теми же узлами, включая манипулятор, контроллер и пульт, собраны в обзоре роботы-манипуляторы российского производства.

• Страница описывает электрический шарнирный робот. У портальных, SCARA- и дельта-роботов другая цепочка шарниров, хотя приводы, контроллер и пульт есть у всех.
• Диапазоны и скорости осей взяты из паспорта одной модели и указаны без нагрузки. Кабели, оснастка и программные ограничения зоны их сужают.
• Тип редукторов, датчиков положения и тормозов по осям производители публикуют не всегда. Запросите его у поставщика вместе с регламентом обслуживания.
• Сведения о контроллерах, пультах и датчиках силы взяты из материалов производителей: это их собственные заявления.
• Требования к безопасности комплекса ГОСТ Р 60.0.0.4-2023 отсылает к ИСО 10218-2; здесь о безопасности речь идёт, только когда разговор касается пульта и ручного режима.