Декартовы системы или роботы? Разбор отчета Festo

На основе технического отчета Festo «Cartesian handling systems — a technical comparison with conventional robots»

В условиях жесткой глобальной конкуренции, когда производительность и эффективность становятся решающими факторами выживания, правильный выбор системы автоматизации – это стратегический императив для любого предприятия. Вопрос “Декартовы системы или промышленные роботы?” перестает быть теоретическим и требует прагматичного ответа, основанного на глубоком анализе технологических и экономических аспектов.

Компания Festo, мировой лидер в области приводной техники и автоматизации, предлагает ценный инструмент для принятия взвешенных решений – аналитический отчет “Cartesian handling systems — a technical comparison with conventional robots”. Этот документ предоставляет комплексное сравнение декартовых систем координат и промышленных роботов, выявляя их сильные и слабые стороны в различных сценариях применения. Где скачать отчет: Официальный сайт Festo

Данная статья, опираясь на ключевые выводы отчета Festo, предлагает практическое руководство, призванное помочь инженерам-конструкторам и специалистам по автоматизации сделать осознанный выбор, максимизировать производительность и оптимизировать инвестиции в автоматизацию производственных процессов.

Зачем сравнивать: декартовы системы vs. промышленные роботы

В современных производственных линиях 40% операций связаны с перемещением деталей. На первый взгляд, и декартовы системы, и промышленные роботы выполняют схожую задачу – автоматизированное перемещение объектов в пространстве. Однако, за этой внешней похожестью скрываются фундаментальные различия в архитектуре, функциональности, эксплуатационных характеристиках и, как следствие, в оптимальных областях применения.

Согласно стандартам DIN EN ISO 8373, определение промышленного робота охватывает широкий спектр манипуляторов, от 4-6 осевых артикулированных роботов до декартовых систем: “Промышленный робот — это автоматизированный, перепрограммируемый, многоцелевой манипулятор, программируемый в трех или более осях, который может быть как закреплен на месте, так и мобильным для использования в промышленной автоматизации”. Это широкое определение подчеркивает принципиальную возможность автоматизации перемещения объектов различными средствами.

Несмотря на формальное соответствие определению промышленного робота, декартовы системы и артикулированные роботы принципиально отличаются по своим конструктивным особенностям, возможностям управления движением, точности позиционирования и, что особенно важно, по стоимости владения и интеграции в существующую производственную инфраструктуру. Именно эти различия определяют оптимальность применения каждой системы в конкретных сценариях.

Что такое декартовы системы?

Декартова система, также известная как линейная или портальная система, представляет собой механизм, выполняющий перемещения в трех ортогональных осях (X, Y, Z). Она состоит из линейных приводов, которые могут быть пневматическими, электрическими или сервопневматическими.

Одно из ключевых отличий от робототехнических систем заключается в способе управления. В то время как 4-6 осевые роботы всегда требуют сложной системы управления роботами (Robot Control System, RCS) для координации движений и выполнения сложных траекторий, декартовы системы предлагают более гибкий подход.

В зависимости от сложности задачи, декартова система может управляться:

• Простым PLC (программируемым логическим контроллером): Это подходит для задач, требующих перемещения между фиксированными точками (point-to-point движения). Во многих случаях, компания может уже иметь PLC, что упрощает интеграцию и снижает общую стоимость.
• Сложной системой управления с функциями робототехники: Такая система необходима для задач, требующих перемещения по заданным траекториям (path movement), где требуется точное управление скоростью и ускорением по каждой оси.

Преимущества

Декартовы системы обладают рядом преимуществ, особенно в контексте занимаемого пространства и кастомизации. В отличие от стандартизированных решений на базе 4-6 осевых роботов, декартовы системы:

• Требуют меньше пространства для перемещения: Оптимизированные для линейных перемещений, декартовы системы часто занимают меньше места, что критично в условиях ограниченного пространства.
• Легко адаптируются к условиям применения: Рабочее пространство может быть легко изменено путем корректировки длины осей. Это позволяет точно настроить систему под конкретные требования задачи, без необходимости адаптировать периферийное оборудование.
• Модульность и кастомизация: Механическая система декартовой системы является частью комплексного решения и может быть спроектирована с учетом конкретных требований. Это позволяет создавать модульные, экономичные и индивидуальные решения. В то время как с обычным роботом, части приложения должны быть адаптированы к требованиям и возможностям робота, с декартовой системой можно построить систему “вокруг” приложения.
• Экономическая привлекательность: Стандартизация и использование массово производимых компонентов делают кастомизированные декартовы системы экономически привлекательными по сравнению с обычными роботами.

Еще одно преимущество декартовых систем – возможность комбинирования различных технологий приводов. Для каждой оси можно выбрать оптимальный привод (пневматический, электрический или комбинацию), чтобы добиться оптимального движения с точки зрения эффективности, динамической реакции и функциональности.

Недостатки

• Ограниченная гибкость: Декартовы системы менее гибки, чем промышленные роботы. Они не могут выполнять сложные траектории или манипулировать объектами в разных ориентациях.
• Более низкая скорость в сложных задачах: Хотя декартовы системы могут быть очень быстрыми в линейных перемещениях, их скорость снижается при выполнении более сложных задач, требующих одновременного перемещения по нескольким осям.
• Большее занимаемое пространство: Декартовы системы, которые работают в трех измерениях, могут занимать больше пространства, чем промышленные роботы.
• Ограничения по грузоподъемности для больших рабочих зон: При увеличении рабочей зоны, грузоподъемность системы может уменьшаться из-за необходимости использования более мощных приводов и усиленной конструкции.

Хотя стандарты DIN и классифицируют декартовы системы как промышленные роботы, важно понимать различия в управлении, кастомизации и общей архитектуре. Декартовы системы часто предлагают более экономичное и гибкое решение для задач, требующих линейных перемещений и адаптируемости к конкретным условиям, в то время как промышленные роботы лучше подходят для сложных манипуляций и задач, требующих высокой гибкости.

Конструкция декартовых систем

Декартовы системы, как представители последовательной кинематики, используют основные оси для прямолинейного движения и вспомогательные оси, например, для вращения. Независимо от структуры системы манипулирования, она одновременно выполняет функции направляющей, опоры и привода, и должна быть интегрирована в общую систему приложения. Важно отметить, что хотя данное описание рассматривает стандартные варианты монтажа, декартовы системы могут быть установлены в любом положении, что позволяет оптимально адаптировать механическую систему к условиям конкретной задачи.

Рассмотрим подробнее механическую структуру декартовых систем, разделяя их на двумерные (2D) и трехмерные (3D) конфигурации:

Двумерные (2D) декартовы системы

2D декартовы системы используются для перемещений в плоскости и подразделяются на три основные категории:

• Консольные системы (Cantilever): Консольная система состоит из горизонтальной оси (Y), на передней части которой установлен вертикальный привод (Z). Это компактное решение, подходящее для задач, требующих перемещений в вертикальной плоскости. Однако, стоит учитывать, что горизонтальная ось (Y) работает как рычаг, что накладывает ограничения на грузоподъемность, особенно при значительном вылете консоли.
• Линейные порталы (Linear Gantry): Линейный портал представляет собой горизонтальную ось (Y), закрепленную с обоих концов. Вертикальная ось (Z) установлена на слайде, перемещающемся между этими двумя точками крепления. Линейные порталы, как правило, имеют узкую конструкцию и обеспечивают прямоугольное вертикальное рабочее пространство.
• Плоскостные порталы (Planar Surface Gantry): Плоскостной портал состоит из двух параллельных осей (X), соединенных перпендикулярной осью (Y). Такая конструкция позволяет охватывать значительно большую рабочую зону, чем роботы с дельта-кинематикой или SCARA-роботы с их круглой/почкообразной рабочей зоной.

Особенности плоскостных и линейных порталов: В плоскостных, линейных и трехмерных порталах сила прикладывается между двумя точками опоры горизонтальных осей, что обеспечивает более высокую жесткость и грузоподъемность по сравнению с консольными системами.

Альтернативные конфигурации: В дополнение к традиционной компоновке с отдельными осями, линейные и плоскостные порталы могут представлять собой готовые системы с фиксированной механической комбинацией и приводным зубчатым ремнем. Низкая эффективная нагрузка делает их подходящими для высокопроизводительных задач (количество захватов в минуту) с соответствующей динамической реакцией.

Трехмерные (3D) декартовы системы

3D декартовы системы обеспечивают перемещения в трех измерениях и подразделяются на:

• 3D Консольные системы (3D Cantilever): Представляют собой две параллельные оси (X) и консольную ось (Y), перпендикулярную направлению движения, с вертикальной осью (Z), установленной на передней части оси Y.
• Трехмерные порталы (Three-Dimensional Gantry): Состоят из двух параллельных осей (X), соединенных осью (Y), перпендикулярной направлению движения. Вертикальная ось (Z) установлена на этой перпендикулярной оси (Y).

Выбор конфигурации: Выбор конкретной конфигурации декартовой системы зависит от требований к рабочей зоне, грузоподъемности, точности и динамике. Консольные системы компактны, но имеют ограничения по грузоподъемности, в то время как портальные системы обеспечивают более высокую жесткость и охват рабочей зоны.

Что такое промышленные роботы?

Промышленный робот – это многоосевое автоматическое устройство, способное выполнять сложные задачи манипулирования в широком диапазоне рабочих зон. Существует множество различных типов промышленных роботов, включая шарнирные (articulated), SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm), параллельные (delta) и другие.

Программирование промышленных роботов является неотъемлемой частью их интеграции в производственный процесс, и его сложность напрямую зависит от функциональности. В отличие от декартовых систем, где для простых задач перемещения между точками достаточно PLC-программирования, промышленные роботы требуют применения специфических систем управления от производителя. Это обусловлено необходимостью координации движений по всем осям, особенно при выполнении сложных траекторий, например, при нанесении клея или сварке.

RCS позволяет детально контролировать скорость, ускорение и положение каждой оси, обеспечивая точность и гибкость, необходимые для сложных манипуляций. Такая сложность программирования требует квалифицированного персонала и значительных затрат времени на настройку и оптимизацию. К примеру, даже для простого прямолинейного перемещения необходимо синхронизировать работу всех шести осей, что делает задачи, аналогичные “передаче детали из правой руки в левую”, сложными и трудоемкими.

Преимущества

• Высокая гибкость: Промышленные роботы обладают высокой гибкостью и могут выполнять широкий спектр задач, включая сборку, сварку, покраску, упаковку и многое другое.
• Работа в сложных траекториях: Они способны выполнять сложные траектории движения и манипулировать объектами в разных ориентациях.
• Высокая скорость и производительность: Промышленные роботы могут работать с высокой скоростью и производительностью, что позволяет повысить эффективность производства.
• Компактность: Некоторые типы промышленных роботов, такие как SCARA, занимают меньше пространства, чем декартовы системы.
• Большой выбор моделей и конфигураций: На рынке представлен широкий выбор промышленных роботов с различными характеристиками, что позволяет выбрать оптимальное решение для конкретной задачи.

С точки зрения энергоэффективности, промышленные роботы имеют свои особенности. В приложениях с длительными периодами ожидания в определенных позициях, все оси робота находятся под замкнутым контуром управления и должны непрерывно компенсировать силу тяжести. Это приводит к постоянному потреблению энергии, даже когда робот не выполняет активных действий.

В то время, как в декартовых системах, как правило, только вертикальная ось (Z) нуждается в постоянном приложении силы для удержания нагрузки. При этом, декартовы системы часто используют пневматические приводы для оси Z, которые не потребляют энергию в фазах удержания, что делает их более энергоэффективными в таких сценариях. Таким образом, выбор промышленного робота требует тщательного анализа не только его функциональных возможностей, но и потенциальных затрат на программирование и эксплуатацию, включая энергопотребление.

Недостатки

• Более высокая стоимость: Промышленные роботы, как правило, дороже декартовых систем.
• Сложность программирования и управления: Программирование и управление промышленными роботами может быть сложным и требует специальных навыков и знаний.
• Более сложное обслуживание: Обслуживание промышленных роботов также может быть более сложным и требует квалифицированного персонала.
• Меньшая точность позиционирования в некоторых задачах: В некоторых случаях, особенно при работе с мелкими деталями, декартовы системы могут обеспечивать более высокую точность позиционирования.
• Более высокая потребность в интеграции и настройке: Интеграция промышленного робота в производственную линию часто требует значительных усилий по настройке и калибровке.

Выбор между декартовой системой и промышленным роботом требует всестороннего анализа, учитывающего уникальные потребности производства. Как же решить эту задачу оптимально? Об этом – далее.

Ключевые факторы выбора: 10 параметров для сравнения

Структурированный подход к выбору между декартовыми системами и промышленными роботами, основанный на оценке десяти ключевых параметров, позволяет не только сравнить различные технологии, но и выявить оптимальное решение, максимально соответствующее целям производственного процесса. Давайте рассмотрим эти параметры подробнее.

1. Рабочая зона

Форма и размер зоны, в которой система должна выполнять операции, являются одним из основополагающих факторов. Декартовы системы демонстрируют превосходство в задачах, требующих перемещений в строго определенной плоскости или по прямой линии, например, при обслуживании конвейера. Их прямоугольная рабочая зона легко масштабируется. В то время как промышленные роботы, особенно шарнирные и SCARA, предлагают гораздо более сложную и гибкую рабочую зону, способную охватывать объекты, расположенные в разных плоскостях и под разными углами. При выборе необходимо учитывать, насколько хорошо конфигурация рабочей зоны соответствует расположению оборудования и логистике перемещения материалов.

2. Грузоподъемность

Важнейшим аспектом является грузоподъемность, влияющая на максимальный вес объектов, с которыми должна работать система. Необходимо не просто знать вес, но и учитывать распределение нагрузки, особенно при захвате объектов сложной формы. И декартовы системы, и промышленные роботы представлены в различных вариантах грузоподъемности, но следует убедиться, что выбранная система не только способна безопасно поднимать объект, но и делает это с достаточной скоростью и точностью. Перегрузка системы может привести к снижению производительности, повышенному износу и даже поломкам.

3. Точность и повторяемость

Данные характеристики определяют качество выполняемых операций. Точность – это способность системы достигать заданного положения, а повторяемость – это способность возвращаться в это положение многократно. Декартовы системы, благодаря жесткой конструкции и прямолинейным движениям, часто обеспечивают более высокую точность позиционирования, что критично для задач, требующих прецизионной сборки или обработки. Промышленные роботы, хотя и могут быть достаточно точными для многих задач, могут уступать в точности декартовым системам, особенно в больших рабочих зонах, из-за влияния люфтов и деформаций в шарнирах.

4. Скорость и производительность

Параметры определяют, как быстро система может выполнять задачи и какое количество операций она может выполнить за определенный период времени. Промышленные роботы, особенно с дельта-кинематикой, как правило, работают быстрее, чем декартовы системы, особенно при выполнении сложных движений, требующих координации нескольких осей. Однако для простых линейных перемещений декартовы системы могут быть не менее эффективными, а в некоторых случаях и превосходить роботов по скорости.

5. Гибкость

Этот параметр отражает способность системы адаптироваться к изменяющимся требованиям производства. Промышленные роботы безоговорочно лидируют в этом отношении. Их можно перепрограммировать для выполнения различных задач, изменять траектории движения и адаптировать к новым продуктам, что делает их идеальным выбором для производств с частой сменой ассортимента. Декартовы системы, хотя и могут быть относительно легко адаптированы путем изменения длины осей или замены приводов, все же уступают роботам в гибкости и не подходят для задач, требующих сложных манипуляций.

6. Простота программирования и управления

Данный фактор влияет на время и ресурсы, необходимые для настройки и эксплуатации системы. Декартовы системы обычно проще в программировании, особенно для простых задач, так как их движения ограничены прямыми линиями. Управление часто осуществляется с помощью PLC, с которым многие инженеры уже знакомы. Промышленные роботы требуют более сложного программирования, часто с использованием специализированных языков и сред разработки, что требует квалифицированного персонала.

7. Стоимость

Включает в себя не только стоимость приобретения, но и расходы на установку, обслуживание, программирование и эксплуатацию системы. Декартовы системы часто дешевле в приобретении, особенно для простых задач. Однако, промышленные роботы могут предложить более высокую долгосрочную рентабельность инвестиций, особенно в условиях высокой производительности и часто меняющихся требований. При оценке стоимости важно учитывать все затраты, включая обучение персонала, приобретение программного обеспечения и запасных частей.

8. Занимаемое пространство

В условиях ограниченного производственного пространства этот фактор становится особенно существенным. Некоторые типы промышленных роботов, например, SCARA-роботы, могут занимать меньше места, чем декартовы системы, особенно когда требуется работа в нескольких плоскостях. Декартовы системы, особенно портальные, могут требовать больше пространства для перемещения осей.

9. Обслуживание и ремонтопригодность

Влияет на время простоя и затраты на поддержание системы в рабочем состоянии. Декартовы системы, как правило, собираются из стандартных компонентов, что упрощает поиск и замену деталей. Промышленные роботы требуют более специализированного обслуживания, и доступность запасных частей и квалифицированных сервисных специалистов может быть ограничена.

10. Интеграция

Интеграция системы в существующую производственную линию может быть сложной задачей. Декартовы системы, как правило, проще интегрировать в существующие системы управления, особенно если уже используется PLC. Интеграция промышленных роботов требует более глубоких знаний в области робототехники, программирования и коммуникационных протоколов.

Тщательное рассмотрение этих десяти параметров позволит предприятию сделать обоснованный выбор, соответствующий вашим потребностям и бюджету. Помните, что оптимальное решение – это не всегда самое дешевое или самое технологичное, а то, которое наилучшим образом соответствует вашим конкретным задачам и условиям производства.

Сравнение декартовых систем позиционирования и традиционных роботов

Интеграция в Industry 4.0

В эпоху Industry 4.0, где данные и связь играют ключевую роль, способность системы автоматизации интегрироваться в общую цифровую экосистему предприятия становится решающим фактором. Как декартовы системы, так и промышленные роботы активно эволюционируют, предлагая новые возможности для “умного” производства, но акцент делается на разных аспектах.

Декартовы системы нового поколения, стремясь к максимальной совместимости и прозрачности, делают ставку на открытые стандарты и встроенные инструменты мониторинга.

Поддержка OPC UA, протокола обмена данными, становится стандартом, обеспечивая бесшовное подключение к MES-системам. Это позволяет в режиме реального времени получать информацию о производительности, отслеживать ход выполнения заказов и оптимизировать производственные процессы на основе актуальных данных.

Встроенные датчики вибрации и износа, в свою очередь, позволяют перейти к проактивному обслуживанию, предсказывая потенциальные поломки и предотвращая дорогостоящие простои.

Модульность конструкции также играет важную роль, обеспечивая возможность легкого масштабирования системы и адаптации к изменяющимся потребностям производства.

Для промышленных роботов, особенно востребованных в применении на гибких производственных линиях, критичным становится развитие систем коллаборации. Роботы, способные безопасно работать рядом с людьми, открывают новые возможности для оптимизации рабочих процессов и повышения эффективности.

Не менее важна и поддержка интерфейсов для создания и взаимодействия с цифровыми двойниками. Цифровой двойник позволяет виртуально моделировать работу робота, оптимизировать его движения, проводить испытания и даже обучать персонал без необходимости останавливать реальное производство.

Таким образом, выбор между декартовой системой и роботом в контексте Industry 4.0 определяется не только их базовыми характеристиками, но и способностью интегрироваться в общую цифровую инфраструктуру и обеспечивать “умное” управление производством.

Выбор между декартовой системой и промышленным роботом – это сложное решение, требующее тщательного анализа ваших конкретных потребностей и требований. Внимательное изучение отчета Festo и рассмотрение вышеуказанных 10 параметров поможет вам сделать правильный выбор и оптимизировать производственные процессы, повысив эффективность и производительность вашего предприятия. Помните, что не существует универсального решения. Правильный выбор зависит от уникальных особенностей вашего производства.