Промышленный робот SCARA: манипулятор для сборки и pick-and-place

ГОСТ Р 60.0.0.4-2023 называет промышленным роботом SCARA манипулятор с двумя параллельными вращательными шарнирами, которые дают податливость в выбранной плоскости. Акроним стандарт выводит из selectively compliant arm for robotic assembly, то есть «селективно податливая рука для роботизированной сборки». Сам изобретатель расшифровывал его как Selective Compliance Assembly Robot Arm. Суть в обоих случаях одна: податливость руки зависит от направления. SCARA стоит в одном ряду с шарнирными, декартовыми и параллельными схемами, которые собраны в разделе промышленные роботы.

Оба плеча руки поворачиваются вокруг вертикальных осей. Хироси Макино сравнивал их со складной японской ширмой бёбу: она легко сдвигается вбок, но почти не поддаётся сверху. На этом и держится главное свойство SCARA. Гибкое поведение робота или инструмента под внешней силой ГОСТ называет податливостью, а если оно не зависит от датчиков, такую податливость считают пассивной.

Типовая сборочная задача: вставить штифт в отверстие, когда детали немного смещены друг относительно друга, а на кромке есть фаска. Рука SCARA уступает вбок, смещение исправляется, и штифт садится на место без отдельной сервокоррекции. По вертикали рука жёсткая, поэтому круглый штифт входит в круглое отверстие и не заклинивает.

Четыре степени подвижности Макино раскладывал так: рука выводит инструмент в точку на плоскости и поворачивает его, а сам инструмент делает одно прямое движение. По его оценке, почти 80 % сборочных операций сводятся именно к такому движению в одном направлении.

Профессор Университета Яманаси Хироси Макино сам нарисовал сборочный чертёж первого прототипа на новогодних каникулах 1978 года. Постройку он оценил в пять миллионов иен, хотя весь его годовой исследовательский бюджет составлял тогда около миллиона. Деньги собрала исследовательская группа SCARA. К ней присоединились пять компаний, в апреле 1978 года консорциум взялся за дело, и работа шла три года.

Первый прототип построили в октябре 1978 года на печатном двигателе постоянного тока с оптическим энкодером. Сервопривод на нём вибрировал, поэтому для второго прототипа Yaskawa Electric предложила двигатель с обратной связью по тахогенератору. Эту машину собрали в мае 1980 года. Движением управлял 8-битный микрокомпьютер NEC TK-80.

В 1981 году участники группы начали выпускать собственные версии робота, и IFR называет среди первых Sankyo Seiki и Hirata. Осенью того же года пять производителей показали SCARA на Международной выставке роботов в выставочном центре Харуми. Первой промышленной работой стала сборка аудиоплат: Pioneer поставила на заводе Оомори восемь роботов Sankyo SKILAM. Свою линейку SCARA Yamaha ведёт от модели CAME 1979 года, а Epson начала делать такие роботы больше 40 лет назад, чтобы собирать собственные часы.

Adept в 1984 году выпустила AdeptOne, первый SCARA с прямым приводом: двигатели соединены с плечами без промежуточных передач. В Зал славы роботов, основанный Университетом Карнеги-Меллон, SCARA включили в 2006 году. А в 2013 году Precise Automation показала PF400, первый коллаборативный SCARA для лабораторной автоматизации: как и кобот (коллаборативный робот), он работает без ограждения.

У классического SCARA четыре оси. Первая, ближняя к основанию, поворачивает плечо вокруг вертикальной оси. Второе плечо закреплено на конце первого и вращается так же. На конце второго плеча стоит вал инструмента: он ходит прямо вверх и вниз, а четвёртая ось поворачивает инструмент. Промышленный робот-манипулятор SCARA держит инструмент только вертикально и наклонять его не умеет.

Серийные машины сохранили схему прототипа. Меняются детали. В средних SCARA Yamaha YK-XG ось вращения инструмента соединена с редуктором напрямую, без ремней, и по-другому устроена только большая модель YK1200X. Волновую передачу у моделей YK-500XG–YK1000XG заполняют смазкой на весь срок, менять смазку не нужно. Положение осей там считывает резольвер. Электронных компонентов в нём нет, и он выдерживает пыль, масло, удары и перепады температуры. Полый вал на конце руки заказывают опцией: через него проще провести провода к инструменту.

В плане рука SCARA описывает круг или его часть, а по высоте зону ограничивает ход третьей оси. У FANUC SR-6iA рабочая зона охватывает 360°. Диапазон движения по X и Y у него 650 и 1300 мм, ход по Z 210 мм. У SR-12iA и SR-20iA ход по вертикали 300 мм, а с опцией 450 мм.

Основную серию FANUC SR ставят на пол или стену, SR-3iA/U подвешивают вверх ногами, SR-9iA/R крепят к стойке; потолочные и перевёрнутые SCARA есть и у Yamaha (YK-XGS), а подвесную серию RS Epson называет роботами с нулевой площадью основания.

Чтобы провести инструмент по прямой, контроллер пересчитывает декартовы координаты в углы двух плеч. Нагрузка на двигатели и редукторы при этом сильно зависит от того, сложена рука или вытянута. Поэтому Yamaha подбирает предельные ускорения автоматически, по положению руки в начале и в конце движения: если превысить пиковый момент редуктора, робот, по данным производителя, раньше ломается и служит меньше. FANUC программирует свои SCARA через веб-интерфейс iRProgrammer с планшета или компьютера, а пульт обучения продаёт опцией. Операторов и студентов учат на отдельном классе машин, о нём рассказывает статья учебный робот-манипулятор.

Линейки крупных производителей заметно пересекаются. Epson называет себя крупнейшим в мире производителем SCARA: у неё больше 300 моделей с вылетом 175–1000 мм и грузом до 50 кг. Каталог Yamaha охватывает 120–1200 мм и 1–50 кг. Роботы FANUC серии SR поднимают 3–20 кг и, по описанию производителя, быстро перемещают, выравнивают и собирают детали. Китайская Inovance выпускает тяжёлую IR-S50: груз 50 кг, вылет 1200 мм и 400 мм хода по вертикали.

Повторяемость у SCARA высокая. У FANUC SR-6iA она ±0,01 мм, а Epson заявляет для своих моделей до 5 мкм.

В паспорте SCARA указывают стандартное время цикла. У Epson оно начинается с 0,28 с у серии GX, 0,29 с у LS, 0,32 с у RS и 0,40 с у LA. Серию T с циклом от 0,46 с Epson предлагает вместо линейных модулей. Но Yamaha предупреждает: одна эта цифра производительность SCARA не описывает, потому что на реальных участках попадаются тяжёлые детали и инструмент с большим выносом. Чем дальше центр груза от оси вращения, тем больше момент инерции. А он заметно ограничивает ускорение. Поэтому цикл считают на своей траектории и со своим захватом. Ещё надёжнее пробный прогон.

SCARA придумали для сборки, ею эти роботы в основном и заняты. Для SR-6iA FANUC называет сборку, pick-and-place, контроль и упаковку, а сам робот занимает мало места. Inovance перечисляет для IR-S50 загрузку и выгрузку станков, точную сборку, нанесение клея, завинчивание винтов, наклейку этикеток, установку деталей и сортировку, а из отраслей в том же описании названы новая энергетика, электроника (3C) и упаковка продуктов. Задачи производства электроники разобраны на отдельной странице.

Под среду выпускают специальные исполнения. У FANUC SR есть пищевой вариант и модели /C для чистых помещений, у Yamaha есть пыле- и влагозащищённые YK-XGP и чистые YK-XGC. Стандартный SR-6iA защищён по IP20, поэтому для мойки, пыли или стружки выбирают защищённое исполнение.

За одни и те же задачи со SCARA спорят несколько других схем. Выбирают между ними по форме рабочей зоны, грузу и такту. Шарнирный робот-манипулятор по ГОСТ имеет три и больше вращательных шарнира. Он может наклонить инструмент и подойти к детали сбоку, а SCARA держит инструмент только вертикально.

Дельта-робот относится к роботам с параллельной структурой: его звенья образуют замкнутые кинематические контуры. Он тоже перекладывает лёгкие предметы, и когда брать дельту, а когда SCARA, разбирает сравнение дельта-робота и SCARA.

Декартовый робот двигается по трём поступательным осям, и его зону задают длины направляющих. Портальный робот поднимает такую схему над рабочей зоной. SCARA занимает в плане одну колонну, а серию T Epson прямо предлагает как замену линейным модулям.

По исследованию, которое в июле 2026 года привели «Ведомости», около 80 % робототехники на российских предприятиях выпущено за рубежом, а главными поставщиками оборудования названы китайские компании. Поэтому японские линейки SCARA сравнивают с китайскими, у которых есть и тяжёлые модели вроде Inovance IR-S50 на 50 кг. Модель под деталь, вылет и такт выбирают по паспортам и пробному циклу. Это задача подбора оборудования.

• Груз и вылет. Серийные SCARA рассчитаны на 1–50 кг и вылет 120–1200 мм. Тяжелее и дальше работают шарнирные и портальные роботы.
• Только вертикальный инструмент. Четыре оси двигают инструмент в плоскости, поднимают и опускают его и поворачивают вокруг вертикали. Наклонить деталь или подойти к ней сбоку SCARA не может.
• Короткий ход по Z. У FANUC SR вертикальный ход 140–300 мм, с опцией до 450 мм. Глубокую тару и высокую оснастку сверяют с паспортом.
• Вынос груза. Захват, вынесенный далеко от оси вращения, создаёт момент инерции и ограничивает ускорение. Реальный цикл поэтому длиннее паспортного.
• Нагрузка зависит от позы руки. Двигатели и редукторы нагружены по-разному в сложенной и вытянутой руке. Если превысить пиковый момент редуктора, робот прослужит меньше. Поэтому массу инструмента вводят в контроллер точно.
• Среда. Стандартный SR-6iA защищён по IP20. Для мойки, пыли и чистых помещений нужны специальные исполнения.