Захваты для роботов: вакуумные, механические, магнитные и мягкие

ГОСТ Р 60.0.0.4-2023 называет захват захватным устройством: это рабочий орган, сконструированный для захватывания и удержания объектов. Рабочим органом стандарт считает устройство, которое крепят к механическому интерфейсу робота, чтобы тот выполнил задание. Кроме захвата, в примерах стоят сварочный пистолет и краскопульт. Горелка, которую ведёт сварочный робот, и присоски на руке паллетайзера для стандарта устройства одного класса.

Механический интерфейс тот же стандарт определяет как монтажную поверхность на конце манипулятора, к которой крепят рабочий орган. Сам орган в манипулятор не входит. Зато он входит в робототехнический комплекс вместе с промышленным роботом, датчиками на рабочем органе и программой, по которой робот выполняет задание. Поэтому промышленные роботы и захваты к ним выбирают вместе. Но захват подбирают под деталь и операцию, а не под марку руки.

В англоязычных каталогах инструмент на фланце называют end-of-arm tooling, сокращённо EoAT; коротко о термине написано в глоссарии: EOAT. Когда захват стоит на месте, программа робота работает в системе координат инструмента, привязанной к рабочему органу на механическом интерфейсе. Задали эту систему неточно, и губки или присоски придут не туда.

Сам рабочий орган ГОСТ относит к робототехническим устройствам: у такого механизма есть не все характеристики робота. В тот же ряд стандарт ставит экзоскелет без привода. Экзоскелет с приводом подходит под определение носимого робота по ГОСТ: такой робот закрепляют на человеке, и он даёт вспомогательное усилие, дополняющее возможности человека. Но промышленный экзоскелет сам груз не берёт. Деталь держит человек.

Захват нужен не каждой машине: робот-доставщик возит груз в закрытом отсеке, а промышленный робот-уборщик работает щётками. А робот-гуманоид по ГОСТ описан как робот с телом, головой и конечностями, который выглядит и двигается подобно человеку, и предметы он берёт кистями. Дальше речь только о захватах для промышленных манипуляторов.

Захваты разложил по классам ещё ГОСТ 26063-84. Его ввели с 1 января 1985 года для захватных устройств промышленных роботов грузоподъёмностью от 1 до 200 кг. По принципу действия он делит захваты на механические, вакуумные, магнитные и прочие. Механические бывают с приводом и без привода, а привод у них пневматический, гидравлический, электромеханический или иной. Вакуумные стандарт делит на активные и пассивные присоски, магнитные на электромагнитные и с постоянными магнитами.

Позже появились классы, которых в перечне советского стандарта нет: мягкие захваты с силиконовыми пальцами и адаптивные захваты, которые охватывают деталь по контуру. Чем эти типы различаются в работе, видно по таблице.

Пальцевый захват держит деталь губками. Силу, с которой губки давят нормально к зажимаемой поверхности, ГОСТ 26063-84 называет номинальной силой захватывания. В параллельном захвате губки сходятся по прямой, в центрирующем сходятся к общей оси; в каталоге DH-Robotics это отдельные серии электрических параллельных и центрирующих захватов.

Адаптивный захват DH-Robotics AG охватывает деталь рычажным механизмом. Производитель рекомендует его для круглых, сферических и нестандартных деталей, а ход пальцев в серии доходит до 145 мм. С таким ходом один захват берёт заготовки разного размера, и пальцы менять не приходится.

Серийный захват даёт привод и направляющие, а пальцы к нему можно сделать под конкретную деталь. В паспортах DH-Robotics приведены присоединительные размеры для собственных пальцев заказчика, а у серии AG подушечки пальцев сменные. От формы губок зависит, сколько захват удержит. Пальцы, которые охватывают деталь по контуру, держат больше, чем даёт расчёт на одно трение, хотя предел всё равно задают грузоподъёмность захвата и робота. Какие параметры захвата ГОСТ 26063-84 требует указывать, показано в таблице на примере двух моделей.

Вакуумный захват держит деталь разрежением под присоской. В активном устройстве разрежение создают принудительно, в пассивном воздух вытесняется, когда деформируется упругая присоска. Источник вакуума бывает внешним или встроенным: у OnRobot VGC10 электрический вакуум встроен в захват, внешний сжатый воздух не нужен, а грузоподъёмность достигает 15 кг. Левую и правую стороны VGC10 включают независимо, чтобы брать две детали за цикл.

Присоски выбирают по условиям работы (число смен, ресурс, агрессивная среда, температура), по материалу и по поверхности детали. Бывают плоские и сильфонные присоски с разными уплотняющими кромками. Пористые, шероховатые и промасленные детали держатся хуже гладких, и Schmalz требует для них коэффициент запаса не меньше 2.

Магнитный захват притягивает стальную деталь полем электромагнита или постоянного магнита. Сжатый воздух и присоски ему не нужны. OnRobot MG10 обходится без внешней подачи воздуха и отдельной проводки, а силу магнита настраивают ступенями, в том числе чтобы снимать тонкие листы из стопы по одному. Если пропало питание или сработал аварийный останов, MG10 сохраняет магнитную силу и деталь не роняет.

В отличие от присоски, магнит не оставляет следов и берёт перфорированные, абразивные и пыльные детали. Встроенный датчик приближения сообщает, взята ли деталь. Ограничение у магнита одно, зато жёсткое. Он работает только со сталью и другими ферромагнитными материалами, поэтому алюминий, медь и пластик берут вакуумом или губками.

Мягкий захват охватывает предмет эластичными пальцами. OnRobot Soft Gripper комплектуют тремя сменными силиконовыми чашками; он берёт предметы размером 11–118 мм и массой до 2,2 кг, причём предел зависит от формы, мягкости и трения предмета. Захват сертифицирован как пищевой, воздух к нему подводить не надо, и производитель адресует его пищевой отрасли, косметике и фармацевтике.

Бывают короба, которые не возьмёшь ни присосками, ни сжатием с боков. Для них делают вилочные захваты. OnRobot 2FGP20 Fork поддерживает снизу открытые и выставочные короба, коробки со свободной крышкой и нежёсткую упаковку. Тяжёлую тару тот же производитель предлагает брать электрическим вакуумным захватом VGP20, он поднимает до 20 кг. Захваты под мешки, короба и целые слои разобраны в статье про паллетайзер и в разделе о паллетировании.

Пневматический захват для робота двигает губки поршнем от сжатого воздуха. Серия SMC MHZ2 с поршнем 16–40 мм работает при давлении 0,1–0,7 МПа без смазки и повторяет положение с точностью ±0,01 мм у моделей до 25 мм и ±0,02 мм у моделей 32 и 40 мм. Модели до 25 мм делают до 180 циклов в минуту, модели 32 и 40 мм до 60. Кроме моделей двустороннего действия, SMC делает MHZ2 одностороннего действия, нормально открытые и нормально закрытые; нормально открытый MHZ2-16S жмёт с силой 27 Н на палец, а MHZ2-16D с силой 34 Н. Чем больше поршень, тем сильнее захват: при 0,5 МПа MHZ2-16D сжимает деталь с силой 34 Н на палец и весит 115 г, а MHZ2-40D даёт 254 Н и весит 1275 г.

Электрический захват двигает губки двигателем через передачу (у AG-160-95 это винт с гайкой и рычажный механизм), а команды получает по шине. У DH-Robotics AG-160-95 силу губки настраивают в диапазоне 45–160 Н, а питают захват от 24 В постоянного тока; связь идёт по Modbus RTU (RS485) и дискретным сигналам, по заказу по PROFINET или EtherCAT. Производитель заявляет регулируемые параметры, обратную связь и самоторможение. Тяжёлый PGHL-400-80 из того же каталога даёт 140–400 Н на губку и весит 2,2 кг.

Если поделить силу на массу захвата, по паспортам оба варианта выходят близко: 254 Н при 1,3 кг у пневматического MHZ2-40D и до 400 Н при 2,2 кг у электрического PGHL-400-80. Разница в другом. Пневматике нужна магистраль сжатого воздуха, клапан и, если надо знать положение губок, датчики на корпусе. Электрический захват получает питание и команды по кабелю, а силу и ход меняют программой.

Если воздух у ячейки уже есть, деталь одна и нужен короткий простой цикл, пневматика проще. Номенклатура меняется, силу или ход приходится перенастраивать под каждую деталь, а воздуха у робота нет? Тогда удобнее электрический захват. Для коботов многие захваты делают без внешнего воздуха: так устроены OnRobot VGC10, MG10 и Soft Gripper.

Считать начинают с худшего момента цикла: робот разгоняется, тормозит, поворачивает деталь, срабатывает аварийный останов. Логика одна и для губок, и для присосок. Захват должен держать с запасом сверх веса детали и сил инерции, а запас зависит от трения и от того, в каком состоянии поверхность.

Пальцевый захват держит деталь трением. SMC выводит условие для двух пальцев: 2 × μ × F > m × g, где F — сила на палец, μ — коэффициент трения губок о деталь, и добавляет запас a = 4 на удары, когда деталь переносят в обычном режиме. Отсюда правило: при μ = 0,2 сила на палец должна быть не меньше 10 весов детали, при μ = 0,1 не меньше 20. Если разгоны и торможения резкие или бывают удары, SMC советует запас увеличить. Robotiq вводит ускорение прямо в формулу: F > m × (g + a) / μ × коэффициент запаса. В таблице правило SMC переведено в ньютоны для деталей разной массы, а рядом стоит сила серии MHZ2.

В примере SMC деталь весит 0,1 кг, и при запасе в 20 весов нужна сила 0,1 × 20 × 9,8 = 19,6 Н. Захват MHZ2-16D на 0,4 МПа с плечом захвата 30 мм даёт 24 Н. Подходит.

«Рекомендуемую массу детали» в паспорте каждый производитель считает по своим допущениям. У DH-Robotics PGC-140-50 это 3 кг при силе до 140 Н на губку. По правилу SMC та же сила удержит около 1,4 кг при μ = 0,2 (140 × 2 × 0,2 / 4 = 14 Н) и около 0,7 кг при μ = 0,1. DH-Robotics оговаривает, что допустимая масса зависит от формы детали, материала и трения губок и от ускорения. Если губки охватывают деталь по форме, захват удержит больше, чем даёт расчёт на трение, но массу всё равно ограничивает грузоподъёмность захвата и робота. Поэтому паспортной цифре на слово не верят: её пересчитывают под свою деталь и проверяют испытанием.

Для присосок Schmalz считает теоретическую силу удержания по трём типовым случаям и велит брать худший для реального цикла. Коэффициент запаса S — не меньше 1,5 для гладких плотных деталей и не меньше 2 для пористых, шероховатых, промасленных и неоднородных. Коэффициент трения присоски о деталь Schmalz предлагает находить испытанием. Ориентиры такие: 0,5 для дерева, металла, стекла и камня, 0,6 для шероховатых поверхностей, 0,2–0,3 для влажных и 0,1–0,3 для промасленных.

Грузоподъёмность в паспорте робота не равна массе детали. По ГОСТ Р 60.0.0.4-2023 нагрузка — это сила или момент на механическом интерфейсе при заданных скоростях и ускорениях, а номинальная нагрузка — наибольшая из них, при которой характеристики робота не ухудшаются. Туда входит масса захвата с кронштейном и масса детали. Быстросменное устройство тоже ложится в нагрузку: OnRobot Quick Changer весит 200 г. Клапаны и шланги, закреплённые на руке, а не на фланце, стандарт называет дополнительной нагрузкой: робот выдерживает её сверх номинальной, а приложена она обычно к руке, не к механическому интерфейсу.

Для лёгкого кобота масса оснастки решает, пройдёт ли деталь: в примере захват занимает пятую часть номинала. Fairino входит в список роботов, для которых DH-Robotics выпускает кабели к AG-160-95; паспорта моделей собраны на странице производителя Fairino.

Захват крепят к круглому фланцу на запястье робота. Размеры фланца задаёт ГОСТ Р 60.3.4.1-2017: он идентичен ИСО 9409-1:2004, введён с 1 июля 2018 года и нужен, чтобы рабочие органы ставились однозначно и были взаимозаменяемы. С диапазонами грузоподъёмности стандарт эти размеры не связывает: фланец выбирают под задачу и грузоподъёмность конкретного робота.

Фланец обозначают тремя величинами: диаметр окружности центров резьбовых отверстий d1, число отверстий N и резьба d4. Пример из стандарта: ИСО 9409-1-160-6-M10. Производители пишут такое обозначение в паспорте. У DH-Robotics PGC-140-50 и AG-160-95 фланец соответствует ISO 9409-1-50-4-M6, то есть окружность 50 мм и четыре отверстия M6. Если фланец робота другой, между ними ставят переходную пластину. Кабели и шланги к захвату можно провести через центр: если во фланце есть сквозное отверстие для коммуникаций, по стандарту оно не шире посадочного диаметра d3.

ГОСТ 26063-84 делит сменные захваты на заменяемые вручную и автоматически, а по тому, как их крепят, на захваты с фланцем и с цилиндрическим хвостовиком. Вручную менять быстрее с быстросъёмным устройством: OnRobot Quick Changer меняет инструмент меньше чем за 5 с без винтов, держит до 25 кг, а его входной и выходной фланцы соответствуют ISO 9409-1. Когда один робот сам чередует захват, шлифовальную машинку и измерительный щуп, нужно устройство автоматической смены инструмента робота.

В робототехнический комплекс по ГОСТ Р 60.0.0.4-2023 входят робот, рабочий орган и датчики на рабочем органе. Если на захвате стоят датчики, ГОСТ 26063-84 требует вносить их характеристики в номенклатуру основных параметров. Простейший датчик сообщает, сжаты ли губки: у пневматических SMC MHZ2 это опциональные датчики положения на корпусе.

Электрические захваты DH-Robotics серии AG заявляют обратную связь от встроенного контроллера, а магнитный OnRobot MG10 встроенным датчиком приближения определяет, есть ли деталь и взята ли она. С таким сигналом программа не понесёт пустой захват дальше по циклу. Если усилие надо контролировать, например при посадке с натягом или шлифовке, между фланцем и захватом ставят датчик силы и момента.

Захват превращает универсальный робот-манипулятор в машину под конкретную операцию. Какой захват берут под какую задачу, сведено в таблицу; числа в ней взяты из паспортов, приведённых выше.

Если детали лежат в таре навалом, захват дополняют системой машинного зрения: камера находит деталь и точку захвата, а робот подводит к ней губки или присоску.

На паллетировании захват определяет, какой груз робот вообще сможет брать: короба с жёсткими стенками берут присосками, а открытые короба и упаковку без жёсткости берут вилами снизу. На листе вакуум или магнит выбирают по материалу и перфорации: магнит берёт перфорированный лист и не оставляет следов, но только стальной. В пищевом цехе на первое место выходят сертификат и мягкость: силиконовые чашки Soft Gripper сертифицированы как пищевые.

Подбирают от детали к роботу, по шагам на схеме.

1. Деталь. Сколько весит, из чего сделана, какой формы, какая поверхность (гладкая, пористая, промасленная), какие следы на ней допустимы, насколько гуляют размеры в партии.
2. Принцип. Выбрать по таблице видов: губки, вакуум, магнит, мягкие пальцы, вилы.
3. Сила. Посчитать по худшему случаю цикла с запасом: для губок по правилу SMC, для присосок по трём случаям Schmalz.
4. Масса на фланце. Захват, кронштейн, переходник и деталь вместе не должны превышать номинальную нагрузку робота.
5. Интерфейс. Сверить фланец по ISO 9409-1, выбрать питание (от разъёма инструмента или отдельное) и протокол управления.
6. Испытание. Коэффициент трения присоски Schmalz велит мерить на реальной детали; губки проверяют так же.

Цена захвата зависит от типа, производителя и от того, насколько пальцы дорабатывают под деталь, поэтому считать её отдельно от ячейки мало смысла. Захват входит в бюджет вместе с роботом, оснасткой и запуском, а окупаемость робота честнее оценивать по участку целиком, например через калькулятор окупаемости роботизации.

Ошибки ниже вытекают прямо из расчётов на этой странице. Каждую ловят до того, как заказали оснастку: после монтажа исправлять дороже.

Захват не привязан к марке робота, если совпадают фланец, питание и протокол. DH-Robotics заявляет, что серия AG подключается к большинству марок коботов по схеме plug & play, а в таблице выбора кабеля для AG-160-95 перечислены роботы UR, DOBOT, AUBO, JAKA, ROKAE, Elite, Doosan, Techman, Han's и Fairino. С фланцем по ISO 9409-1 и связью по Modbus RTU захват переставляют на робот другой марки, когда меняется задача.

Заводу с роботами разных производителей это даёт общий запас захватов, пальцев и запчастей, а настройки захвата в программах остаются одинаковыми.

• Трение не константа. Коэффициент трения присоски меняется с материалом, маслом и влагой; Schmalz не даёт общих значений и требует испытаний. У губок то же самое.
• Паспортная масса детали условна. Рекомендуемая масса у DH-Robotics зависит от формы, трения и ускорения; по правилу SMC тот же PGC-140-50 держал бы около 1,4 кг вместо 3 кг.
• Вакуум и пористые поверхности. Для пористых, шероховатых и промасленных деталей нужен запас не меньше 2; перфорированный стальной лист надёжнее брать магнитом.
• Магнит берёт только ферромагнитные материалы. Алюминий, медь, пластик и стекло магнитный захват не возьмёт.
• Мягкий захват не для тяжёлого. Предел OnRobot Soft Gripper 2,2 кг, и он зависит от формы, мягкости и трения предмета.
• Питание от робота ограничено. Разъём инструмента Fairino FR5 даёт 24 В и 1,5 А, а это ровно пиковый ток AG-160-95; второму потребителю на этом разъёме места уже нет.