Электрические vs пневматические захваты для робототехники

От ювелирной сборки микроэлектроники, требующей высочайшей точности, до манипуляций с крупногабаритными деталями в автомобилестроении и деликатной упаковки пищевых продуктов – захваты являются “руками” роботов, выполняющими широкий спектр задач.

Традиционно, пневматические захваты, благодаря простоте конструкции, более низкой цене и легкости интеграции, занимали лидирующие позиции в области промышленной автоматизации. Однако, сегодня наблюдается отчетливая тенденция к замещению пневматических систем электротехническими аналогами, обусловленная возрастающими требованиями к производительности, энергоэффективности и адаптивности производственных линий.

В данной статье мы проведем анализ двух типов роботизированных захватов, чтобы оценить их достоинства и недостатки, а также разберемся, почему электрические модели становятся приоритетным решением на современных производствах.

Эволюция захватов в автоматизации

В контексте исторического развития промышленной автоматизации, пневматические захваты, безусловно, заслуживают признания как пионеры. Широкое распространение данных устройств объясняется, прежде всего, простотой конструкции, надежностью и доступной стоимостью. Принцип действия пневматического типа, основанный на использовании сжатого воздуха для приведения в движение поршней и, как следствие, создания усилия зажима, был достаточно эффективным для решения многих задач. Они представляли собой экономичное и быстрое решение для простых задач “захвата и перемещения”, что делало их стандартом де-факто во многих отраслях.

Однако, с течением времени и усложнением производственных процессов, ограничения пневмозахватов стали все более очевидными. Зависимость от разветвленной сети воздушных магистралей, необходимость постоянного поддержания стабильного давления в системе, подверженность колебаниям параметров, высокий уровень шума и, что особенно важно, ограниченная точность регулировки, – все это существенно снижало эффективность автоматизированных линий и ограничивало возможности их применения в современных, высокотехнологичных производствах. Например, в процессах сборки, требующих деликатного обращения с деталями, или в задачах, где необходимо варьировать усилие захвата в зависимости от типа обрабатываемого объекта, пневматические системы демонстрировали недостаточную гибкость и точность.

В ответ на эти вызовы, появилась и получила стремительное развитие технология электрических захватов. В основе их работы лежат сервоприводы или шаговые двигатели, что позволяет добиться принципиально нового уровня контроля над усилием, скоростью и положением губок. Такая прецизионность открывает двери для роботизированных комплексов в задачи, ранее считавшиеся невозможными или слишком сложными для автоматизации.

Речь идет о процессах, требующих адаптации к различным типам деталей, динамической регулировки усилия захвата, и интеграции с системами машинного зрения для распознавания объектов и оптимизации траекторий движения. Электрические устройства не просто заменяют пневматические, – они открывают новые горизонты для роботизации и позволяют создавать более гибкие, эффективные и интеллектуальные производственные системы. Это переход от простого захвата к интеллектуальному манипулированию.

Преимущества электрических захватов

Переход к электрическим захватам в промышленной робототехнике обусловлен не просто заменой одной технологии на другую, а переходом на качественно новый уровень эффективности, гибкости и интеллектуализации производственных процессов. Рассмотрим преимущества электрических моделей, позволяющие им вытеснять пневматические системы в современных производственных реалиях:

Беспрецедентная точность и управляемость

Одним из наиболее существенных преимуществ электрических захватов является их способность обеспечивать чрезвычайно точное дозирование усилия. Контроль усилия с шагом до 0.1 Н, становится не просто желательной функцией, а необходимостью при работе с хрупкими или деликатными деталями, например, в микроэлектронике, где даже небольшое избыточное усилие может привести к повреждению компонента.

В отличие от пневматических систем, где усилие регулируется косвенно через давление воздуха, электрические компоненты предоставляют возможность прямого и точного контроля, а также программирования режимов работы. Это означает, что можно не только задавать точную траекторию движения губок, но и настраивать силу сжатия и скорость перемещения в зависимости от типа детали и выполняемой операции.

Важным элементом, обеспечивающим такую высокую точность, является наличие обратной связи. Встроенные энкодеры и датчики силы позволяют контролировать процесс захвата и удержания в реальном времени, что позволяет корректировать усилие и положение губок в зависимости от текущих условий. Этот механизм обратной связи формирует замкнутый контур управления, обеспечивая стабильность и повторяемость результатов.

Как справедливо отмечает Алексей Воронин, инженер-робототехник из FANUC Russia, “В задачах прецизионной сборки пневматика проигрывает: даже качественные регуляторы давления не гарантируют стабильности. Электрический захват — это по сути миниатюрный робот с замкнутым контуром управления”. Это сравнение подчеркивает фундаментальное различие между двумя технологиями: пневматика полагается на косвенное управление и внешние факторы, в то время как электрическое устройство предоставляет полный контроль над процессом.

Энергоэффективность и экологическая ответственность

В условиях растущей стоимости электроэнергии и повышенного внимания к вопросам экологической устойчивости, энергоэффективность становится одним из важнейших факторов при выборе технологического оборудования. Пневматические системы, требующие постоянной подачи сжатого воздуха, характеризуются низким КПД, который редко превышает 50%. Это связано с потерями энергии на сжатие воздуха, его транспортировку по магистралям и утечки.

Электрические варианты данных комплектующих, напротив, потребляют энергию только в момент выполнения операции захвата и удержания. В периоды бездействия они практически не потребляют электроэнергию, что позволяет сократить общие затраты на электроэнергию на 20-40%. Кроме того, отсутствие необходимости в компрессорах и воздушных магистралях снижает затраты на обслуживание и ремонт.

Таким образом, переход на электрические захваты не только экономически выгоден, но и способствует снижению негативного воздействия на окружающую среду.

Гибкость и простота интеграции в производственный процесс

Одним из преимуществ электрических захватов является их гибкость и простота интеграции в существующие производственные линии. Отсутствие необходимости в прокладке сложных и дорогостоящих воздушных магистралей существенно упрощает процесс установки и подключения. Для работы электрического захвата достаточно кабеля питания и передачи данных.

Еще одним аспектом является быстрая перенастройка под разные задачи. Вместо трудоемкой замены пневмоцилиндров и перенастройки пневматической системы, достаточно изменить программу управления захватом. Это позволяет быстро переключаться между различными типами деталей и выполнять разные операции без остановки производственного процесса.

Более того, электрические захваты легко интегрируются в концепцию Индустрии 4.0 (IIoT). Данные, собранные с датчиков силы и положения, могут быть переданы в систему мониторинга производства для анализа, оптимизации и прогнозирования состояния оборудования. Это открывает новые возможности для повышения эффективности и надежности производственных процессов.

Повышенная надежность и долговечность

Электрические захваты, в отличие от пневматических, не содержат изнашивающихся уплотнений, которые являются слабым звеном пневматических систем. Это значительно снижает вероятность поломок и увеличивает срок службы оборудования.

Электрические захваты работают с меньшим уровнем вибраций и шума, что создает более комфортные условия труда для персонала и снижает риск повреждения деталей. Ресурс современных сервоприводов, используемых в электрических захватах, достигает 50 миллионов циклов и более, что значительно превышает ресурс пневматических цилиндров (обычно 10-15 миллионов циклов).

Мы видим, электрические захваты обеспечивают более высокую надежность и долговечность, что приводит к снижению затрат на обслуживание и ремонт, а также к увеличению времени безотказной работы производственной линии.

Области применения

В то время, как пневмозахваты могут оставаться экономически целесообразным решением для простых задач, существуют целые отрасли и конкретные применения, где использование электрических захватов не просто предпочтительно, а необходимо для обеспечения требуемого уровня качества, эффективности и безопасности. Рассмотрим подробнее некоторые из них.

Электроника и микроэлектроника

В этой высокотехнологичной отрасли, где компоненты становятся все меньше и сложнее, точность и деликатность манипуляций имеют первостепенное значение. Монтаж микросхем, установка SMD-компонентов на печатные платы, работа с хрупкими керамическими элементами, – все эти операции требуют высочайшей точности позиционирования и прецизионного контроля усилия.

Использование пневматических захватов в таких процессах практически исключено из-за риска повреждения компонентов и нестабильности параметров. Электрические устройства, благодаря своей способности обеспечивать точное дозирование усилия и контролировать процесс в реальном времени, являются безальтернативным решением для автоматизации подобных операций.

Фармацевтика и медицина

В фармацевтической промышленности, а также в производстве медицинского оборудования, необходимым требованием является соблюдение строжайших стандартов чистоты и стерильности. Риск загрязнения продукции, даже минимальный, недопустим.

Пневматические системы, использующие сжатый воздух, несут в себе потенциальную опасность утечки масла из компрессора или образования конденсата в воздушных магистралях, что может привести к загрязнению производственной среды и продукции. Электрические захваты, не требующие использования сжатого воздуха и исключающие риск загрязнения, являются предпочтительным решением для автоматизации фармацевтических производств. Более того, многие модели электрических захватов специально разработаны для работы в стерильных условиях и соответствуют самым строгим требованиям FDA и других регулирующих органов.

Автомобилестроение

Современное автомобилестроение характеризуется высокой степенью автоматизации и роботизации. Электрические захваты находят широкое применение в различных процессах, включая точную установку деталей кузова, сборку двигателей и трансмиссий, а также покраску и отделку.

В частности, при установке стекол или панелей кузова, требуется обеспечить точное позиционирование и равномерное распределение усилия, чтобы избежать повреждения деталей и обеспечить герметичность соединений. Электромеханические устройства, благодаря своей способности контролировать усилие и положение губок, позволяют выполнять эти операции с высокой точностью и повторяемостью.

Пищевая промышленность

В пищевой промышленности гигиенические требования также являются первостепенными. Риск загрязнения продукции сжатым воздухом, используемым в пневматических системах, является серьезной проблемой. Электрические захваты, как и в фармацевтической промышленности, позволяют избежать этой проблемы и обеспечивают более гигиеничное решение для автоматизации процессов упаковки, сортировки и транспортировки пищевых продуктов.

Существуют специальные модели электрических захватов, изготовленные из материалов, устойчивых к воздействию агрессивных моющих средств и высоких температур, что позволяет обеспечить их надежную и долговечную работу в условиях жесткой санитарной обработки.

Выбор между пневматическими и электрическими захватами должен основываться на тщательном анализе требований и условий производства. В тех случаях, когда точность, чистота и контроль имеют решающее значение, электрические захваты являются незаменимым инструментом для повышения эффективности и качества производственных процессов.

Ограничения и когда пневматика выигрывает

Несмотря на неоспоримые преимущества электрических захватов в плане точности, гибкости и энергоэффективности, было бы неправильно игнорировать области, где пневматические системы по-прежнему остаются конкурентоспособными и даже превосходят электрические аналоги. Существуют определенные сценарии, в которых надежность, простота и экономичность пневматических решений перевешивают преимущества электрических систем.

Прежде всего, стоит отметить, что начальная стоимость пневматических захватов, как правило, ниже, чем у электрических (разница может составлять 30-50%). Это делает их привлекательным вариантом для предприятий с ограниченным бюджетом или для простых задач, где высокая точность и гибкость не требуются. Однако, при оценке общей стоимости владения (TCO) необходимо учитывать затраты на обслуживание, электроэнергию и другие факторы, где электрические захваты могут оказаться более экономичными в долгосрочной перспективе.

Существуют также специфические условия эксплуатации, где пневматические захваты демонстрируют явные преимущества.

Работа в условиях ударных нагрузок и высоких температур

Пневматические системы, благодаря своей простой и прочной конструкции, более устойчивы к ударным нагрузкам и высоким температурам, чем электрические захваты. Они часто используются для захвата горячих заготовок в металлургической промышленности или для выполнения операций, связанных с сильными ударами и вибрациями. В таких условиях чувствительная электроника и прецизионные механизмы электрических захватов могут быстро выйти из строя, в то время как пневматические цилиндры способны выдерживать экстремальные нагрузки.

Эксплуатация во взрывоопасных средах

В средах, где существует риск взрыва (например, в химической промышленности или при работе с легковоспламеняющимися материалами), использование электрического оборудования может быть опасным из-за возможности возникновения искр.

Пневматические системы, разработанные для работы во взрывоопасных средах, не содержат электрических компонентов и, следовательно, не представляют опасности возникновения искр. Они соответствуют строгим требованиям безопасности и сертифицированы для использования в таких условиях. Создание искробезопасных электрических систем захвата возможно, но как правило, значительно дороже пневматики.

При выборе между пневматическими и электрическими захватами необходимо учитывать не только их технические характеристики, но и условия эксплуатации и бюджетные ограничения. Пневматические системы по-прежнему остаются актуальным и экономически целесообразным решением для простых задач, работы в условиях ударных нагрузок и высоких температур, а также для эксплуатации во взрывоопасных средах. Однако, в большинстве других случаев, преимущества электрических захватов в плане точности, гибкости, энергоэффективности и надежности делают их предпочтительным выбором для современных производственных предприятий.

Тренды и перспективы

Подводя итог, становится очевидным, что рынок захватов для промышленных роботов находится в состоянии динамичной трансформации, обусловленной развитием технологий и изменяющимися требованиями промышленности. Несмотря на то, что пневматические системы по-прежнему сохраняют свои позиции в определенных нишах, вектор развития четко направлен в сторону электрических захватов, предлагающих более широкий спектр возможностей и преимуществ.

Согласно данным аналитической компании Interact Analysis, рынок электрических захватов демонстрирует устойчивый рост на уровне 12-15% в год. Этот рост обусловлен несколькими факторами.

Развитие коллаборативной робототехники

Коботы, предназначенные для совместной работы с людьми, предъявляют повышенные требования к безопасности и точности манипуляций. Электрические захваты, благодаря своей способности контролировать усилие и положение губок, обеспечивают безопасное и деликатное взаимодействие с объектами и людьми, что делает их идеальным решением для коботов. Возможность программирования усилий и обнаружения столкновений являются важными для безопасной работы коботов в непосредственной близости от человека.

Растущий спрос на экологически чистые и энергоэффективные технологии

В условиях глобального стремления к устойчивому развитию и снижению выбросов CO2, предприятия все чаще обращают внимание на энергоэффективность используемого оборудования. Электрические захваты, потребляющие энергию только в момент выполнения операции, являются более экологичным и экономичным решением по сравнению с пневматическими системами, требующими постоянной подачи сжатого воздуха.

Цифровизация производства и интеграция с технологиями Индустрии 4.0

Современные производственные предприятия стремятся к максимальной автоматизации и оптимизации процессов, что требует интеграции оборудования с системами искусственного интеллекта, облачными платформами и другими цифровыми технологиями. Электрические захваты, оснащенные датчиками и интерфейсами для передачи данных, легко интегрируются в такие системы, позволяя собирать и анализировать информацию о процессе захвата, оптимизировать траектории движения роботов и прогнозировать состояние оборудования. Например, данные о силе захвата могут использоваться для выявления износа деталей или для адаптации стратегии захвата в зависимости от типа объекта.

Какие перспективы есть у рынка электрических захватов? Безусловно, можно ожидать дальнейшего развития технологий эти промышленных комплектующих, включая разработку более компактных, легких и мощных устройств, а также интеграцию новых функций, таких как машинное зрение и тактильное восприятие. Это позволит расширить область применения электрических захватов и автоматизировать еще более сложные и деликатные операции. Будут развиваться и технологии, позволяющие более эффективно работать в небезопасных средах, где сейчас доминируют пневматические захваты.

Если ваше производство ориентировано на гибкость, точность, высокую эффективность и готово инвестировать в долгосрочную перспективу, то электрические захваты являются оптимальным выбором. Пневматические системы, вероятно, сохранят свою нишу в бюджетных решениях и специализированных применениях, где важна устойчивость к ударным нагрузкам или работа во взрывоопасных средах. Однако, общее направление развития рынка указывает на то, что будущее автоматизации и роботизации определенно за электромеханическими системами, предлагающими более широкий спектр возможностей и преимуществ для современных производственных предприятий.

Официальные отчёты и исследования:

Interact Analysis (2023) – «The Global Market for Industrial Robotics Grippers» – (данные о росте рынка электрических захватов).

ISO 9283:2021 – «Manipulating industrial robots — Performance criteria and related test methods» – стандарты точности позиционирования.

VDMA (German Mechanical Engineering Industry Association) – «Energy Efficiency in Pneumatic Systems» – сравнение КПД пневматики и электроприводов.