Az ipari robotok osztályozásának alapjául szolgáló legfontosabb tényezők

Világszerte több millió ipari robot dolgozik az Ipar 4.0-s gyárakban. Ezeket a robotokat a termelési sebesség növelése, a minőség javítása, a költségek csökkentése, valamint a rugalmasabb és a fenntarthatóságot jobban segítő működés elősegítése érdekében használják. Az ipari robotok fontossága miatt a Nemzetközi Szabványügyi Szervezet (ISO, International Organization for Standardization) kidolgozta az ISO 8373:2021, Robotics Vocabulary (Robotikai szójegyzék) című szabványt, hogy meghatározza a robotikában használt szakkifejezéseket, hogy közös nyelvet teremtsen a robotok számos típusának megnevezésére és használatuk megvitatásához.

Az IFR (International Federation of Robots, Nemzetközi Robotszövetség) az ISO 8373:2021 szabványban meghatározott kulcsfogalmak alapján hat robotosztályt határozott meg mechanikai felépítésük alapján. Ezek a következők:

• csuklós robotok
• derékszögű robotok
• hengeres robotok
• párhuzamos robotok/deltarobotok
• sarokrobotok
• SCARA robotok

Ez a cikk áttekinti az ISO 8373:2021 szabványt, megvizsgálja a robotokat meghatározó négy kulcsfogalmat, és az átprogramozhatóság szükségességére, valamint az IFR által a robotok osztályozásához használt robotcsuklók típusaira és számára összpontosít. Ezután az egyes robotok osztályozásának jellemzőibe és finomságaiba ássa bele magát, és több gyártó robotjait mutatja be példaként. Menet közben olyan robotnak nevezett rendszereket is megvizsgál, amelyek nem felelnek meg az ISO-követelményeknek.

Az ISO 8373:2021 meghatározása szerint az ipari robot „automatikusan vezérelt, újraprogramozható, többcélú, három vagy több tengely mentén programozható munkavégző gép, amely ipari környezetben kialakított automatizálási felhasználási területeken való használatra szolgál, és lehet helyhez kötött vagy mozgó platformhoz rögzített”.

Az újraprogramozhatóság kulcsfontosságú megkülönböztető jegy. Egyes ipari gépek fel lehetnek szerelve munkavégző eszközökkel („manipulátorokkal”), mozoghatnak több tengely mentén, és ennek során egyedi feladatokat végezhetnek, például palackokat vehetnek fel egy italfeltöltő soron, és helyezhetnek egy dobozba. De ha csak erre az egyetlen célra használhatóak, és nem programozhatóak újra, akkor ezek nem robotok. Az „újraprogramozható” fogalmat az ISO 8373 úgy határozza meg, hogy „úgy van kialakítva, hogy a programozott mozgások vagy kiegészítő funkciók fizikai módosítások nélkül megváltoztathatóak legyenek”.

A robotcsuklók típusai és száma

Az ISO 8373 kétféle robotcsuklótípust határoz meg:

• A csúszócsukló vagy hasábcsukló két rudazatot összekötő olyan szerelvény, amely lehetővé teszi, hogy az egyik rudazat a másikhoz képest egyenes vonalú mozgást végezzen.
• A forgócsukló két rudazatot összekötő olyan szerelvény, amely lehetővé teszi, hogy az egyik rudazat a másikhoz képest egy rögzített tengely körül elforduljon.

Az IFR az ISO 8373 ezen és más definícióit használta fel arra, hogy mechanikai felépítésük vagy kialakításuk alapján hat iparirobot-osztályt határozzon meg. Ezenkívül a különböző robotkialakításoknak (robotosztályoknak) különböző számú tengelyük és ezért különböző számú csuklójuk lehet.

A tengelyek száma az ipari robotok egyik legfontosabb jellemzője. A tengelyek száma és típusa határozza meg a robot mozgástartományát. Minden tengely egy független mozgásirányt vagy szabadságfokot képvisel. A több szabadságfok azt eredményezi, hogy a robot nagyobb és összetettebb terekben tud mozogni. Egyes robottípusoknál a szabadságfokok száma állandó, míg más robottípusoknak változó számú szabadságfokokuk lehet.

A legtöbb robot másik fontos elemét a robotkarok végére szerelhető szerszámok vagy végberendezések (EOAT, end-of-arm tooling) jelentik, amelyeket az ISO 8373 szabvány a „többcélú munkavégző eszköz” névvel illet. Végberendezésekből széles választék áll a felhasználók rendelkezésére, beleértve a robotkezeket, az olyan célirányos szerszámokat, mint a csavarhúzók, festékszórók vagy hegesztők, valamint az érzékelőket, köztük a kamerákat is. Ezek lehetnek pneumatikus, villamos vagy hidraulikus működtetésűek. Egyes végberendezések lehetnek elforgathatóak, ami újabb szabadságfokkal ruházza fel a robotot.

A következő szakaszok az egyes robotkialakítások IFR-definíciójával kezdődnek, majd ismertetik az adott típusú robotok képességeit és felhasználási területeit.

A csuklós robotok három vagy több forgócsuklóval vannak felszerelve.

Ez a robotok egyik nagy osztálya. A csuklós robotoknak tíz vagy több tengelyük is lehet, a leggyakoribb a hat tengely. A hattengelyű robotok X, Y és Z síkban tudnak mozogni, valamint a bólintási, dőlési és elfordulási tengely körül forogni, így képesek utánozni az emberi kar mozgását.

A teherbírásuk is széles skálán mozog, 1 kg alatti és 200 kg feletti teherbírású változatok is léteznek. Ezeknek a robotoknak a munkavégzési távolsága („kinyúlása”) is tág keretek közt változhat, az 1 méter alatti és a többméteres hatótávolság között. A KUKA KR 10 R1100-2 például egy hattengelyű csuklós robot, amelynek legnagyobb kinyúlása (munkavégzési távolsága) 1101 mm, legnagyobb hasznos terhelhetősége 10,9 kg, helyzetismétlési pontossága pedig ±0,02 mm (1. ábra). Nagy sebességű mozgások és rövid ciklusidő jellemzik, és beépített áramellátó rendszerrel van felszerelve.

1. ábra: Hattengelyű, ±0,02 mm helyzetismétlési pontosságú csuklós robot (kép: DigiKey)

A csuklós robotok tartósan a padlóra, a falra vagy a mennyezetre szerelhetők. Emellett szerelhetők a padlón vagy a mennyezeten futó sínre, valamint önjáró robotok vagy más mozgó platformok tetejére is, hogy mozgatni lehessen őket a munkaállomások között.

Különböző feladatokra használhatóak, többek között anyagmozgatásra, hegesztésre, festésre és ellenőrzésre. Az emberrel közös munkavégzésre tervezett együttműködő robotok között (amelyeket gyakran emlegetnek röviden az angol collaborative robot kifejezésből alkotott mozaikszóval cobot vagy magyaros írásmóddal kobot néven) a csuklós robot a leggyakoribb robotkialakítás. Míg egy hagyományos robot egy biztonsági ketrecben (ún. robotcellában), biztonsági korlátokkal körülvéve működik, addig a kobotokat az emberekkel való szoros együttműködésre tervezték. Például a Schneider Electric cég LXMRL12S0000 kobotjának legnagyobb kinyúlása 1327 mm, legnagyobb hasznos terhelhetősége 12 kg, és a helyzetismétlési pontossága ±0,03 mm. A kobotok gyakran el vannak látva ütközésvédelemmel, valamint lekerekített éleik vannak, erőhatárolókkal vannak felszerelve, és kisebb a tömegük a minél nagyobb biztonság érdekében.

A derékszögű robotok (néha merőleges pályájú robotnak, Descart-robotnak, lineáris robotnak vagy portálrobotnak, illetve – hibásan – kartéziánus robotnak is nevezik) egy három csúszócsuklóval felszerelt munkavégző eszközzel vannak ellátva, amelyek tengelyei derékszögű (descartes-i) koordinátarendszert alkotnak.

A módosított derékszögű robotok két csúszócsuklóval vannak felszerelve. Emiatt nem felelnek meg az ISO 8373 azon követelményének, miszerint a robotoknak „három vagy több tengely mentén programozható” gépeknek kell lenniük, így technikailag nem számítanak robotnak.

Három csúszócsuklót többféleképpen lehet összeállítani, ezért a derékszögű robotokat többféleképpen lehet beállítani. Egy alapvető derékszögű kialakításban mindhárom csukló merőleges egymásra, az egyik az X tengely mentén mozog, és egy az Y tengely mentén mozgó másodikhoz kapcsolódik, az pedig egy harmadikhoz, amely a Z tengely mentén tud mozogni.

Bár gyakran használják a derékszögű robot szinonimájaként, de a portálrobot eltérő kialakítású. Az alapszintű derékszögű robotokhoz hasonlóan a portálrobotok is egyenes vonalú mozgásokat tesznek lehetővé háromdimenziós térben. A portálrobotok azonban két X tengellyel párhuzamos alapsínnel, egy ezt a két alapsínt összekötő, azokra támaszkodó, Y tengely irányú sínnel és egy az Y tengely irányú sínhez rögzített konzolos Z tengellyel vannak felszerelve. Az Igus DLE-RG-0012-AC-800-800-500 például egy 800 mm × 800 mm × 500 mm-es munkaterületű portálrobot, amely akár 5 kg-ot is képes szállítani, maximum 1,0 m/s sebességgel mozog, és ±0,5 mm a helyzetismétlési pontossága (2. ábra).

2. ábra: 800 mm × 800 mm × 500 mm-es munkaterületű portálrobot (kép: Igus)

A hengeres robotok legalább egy forgócsuklóval és legalább egy csúszócsuklóval ellátott munkavégző eszközzel vannak felszerelve, amelynek tengelyei egy hengeres koordinátarendszert alkotnak.

A hengeres robotok viszonylag egyszerűek és kis méretűek, és korlátozott mozgástartományuk miatt könnyen programozhatóak. Ritkábban lehet velük találkozni, mint összetettebb rokonaikkal. Ennek ellenére különösen alkalmasak olyan felhasználási területekre, mint a csiszolási folyamatok, a raklapozás, a hegesztés (különösen a ponthegesztés) és az anyagmozgatás, például a félvezetőszeletek behelyezése a kazettákba és kiemelése onnan az integráltáramkör-gyártási műveletek során (3. ábra).

3. ábra: Ennek a hengeres robotnak egy forgócsuklója és egy csúszócsuklója van (kép: Association for Advancing Automation)

A hengeres robotok jellemzően 1–10 m/s sebességgel mozognak, és nehéz terhek szállítására is tervezhetők. Hengeres robotokat használnak a gépjárműiparban, a gyógyszeriparban, az élelmiszer- és italgyártásban, az űrkutatásban és a repülőgépiparban, az elektronikai ágazatban és más iparágakban is.

A párhuzamos robotok vagy deltarobotok olyan munkavégző eszközök, amelyeknek a karjai zárt hurkot alkotó rudazattal vannak ellátva.

Míg más robotok, például a hengeres vagy a derékszögű robotok a mozgásukról kapták a nevüket, a deltarobotot a fejjel lefelé fordított háromszög (vagy fejjel lefelé fordított görög nagy delta (Δ) betű) alakjáról nevezték el. A deltarobotok 2–6 tengelyűek, és a 2 és 3 tengelyű változatok a leggyakoribbak. A 2 tengelyű derékszögű robotokhoz hasonlóan technikailag a 2 tengelyű deltarobotok sem felelnek meg az ISO 8373 szabvány azon követelményének, hogy robotnak lehessen nevezni őket.

A deltarobotokat inkább a sebességre, mintsem az erőre tervezték. Ezek a munkaterület fölé vannak szerelve, és olyan funkciókat látnak el, mint a felszedés és elhelyezés, a válogatás, a szétszerelés és a csomagolás. Gyakran találhatók az alkatrészeket a gyártósoron mozgató szállítószalag felett. A robotkéz hosszú, karcsú mechanikus rudazatokhoz kapcsolódik. Ezek a rudazatok a robot alján lévő három vagy négy nagy villanymotorhoz vezetnek. A rudazatok másik vége egy szerszámtartó lemezhez van rögzítve, amelyhez a végberendezés csatlakozik.

Az Igus RBTX-IGUS-0047 például egy 3 tengelyű deltarobot. A munkaterületének átmérője 660 mm, és legfeljebb 5 kg terhet tud mozgatni. 0,5 kg-os teher mozgatása esetén percenként 30 tárgyat tud felszedni 0,7 m/s legnagyobb sebességgel és 2 m/s² gyorsulással. A helyzetismétlési pontossága ±0,5 mm (4. ábra).

4. ábra: Háromtengelyes deltarobot és a hozzá tartozó vezérlőegység (balra) (kép: DigiKey)

A sarokrobotok (más néven polárrobotok vagy szférikus (azaz gömb alakú munkaterületű) robotok) két forgócsuklóval és egy csúszócsuklóval felszerelt munkavégző eszközök, amelyeknek a tengelyei egy polár-koordinátarendszert alkotnak.

Az egyik forgócsukló azt teszi lehetővé, hogy a sarokrobot az alaplapból felfelé nyúló függőleges tengely körül forogjon. A második forgócsukló az első forgócsuklóra merőlegesen helyezkedik el, és azt teszi lehetővé, hogy a robotkar felfelé és lefelé tudjon lengeni. Végül a csúszócsukló arra ad módot, hogy a robotkar a függőleges tengelyből kinyúljon vagy abba visszahúzódjon.

A sarokrobotoknak egyszerű felépítésük ellenére olyan hátrányai vannak, amelyek korlátozzák a használatukat más robotkialakításokkal, például a csuklós, a derékszögű és a SCARA robotokkal szemben:

• a gömbi koordinátarendszer bonyolultabbá teszi a programozásukat
• ezek a robotok jellemzően kisebb teherbírásúak, mint más típusú robotok
• ezek a robotok lassabbak más robotoknál

A sarokrobotok fő előnyei a nagy munkaterület és a nagy helyzetismétlési pontosság. Szerszámgépek kezeléséhez, összeszerelési műveletekhez, gépjárműipari összeszerelősorokon anyagmozgatáshoz, valamint gáz- és ívhegesztéshez használják őket.

A SCARA robotok olyan munkavégző eszközök, amelyeknek két párhuzamos forgócsuklójuk van, hogy egy kiválasztott síkban tudjanak dolgozni.

Egy alapszintű SCARA (selective compliance articulated robot arm, egy síkban mozgó csuklós robotkarú) robotnak három szabadságfoka van, a harmadikat egy forgó végberendezés adja. Vannak egy további forgócsuklóval felszerelt SCARA robotok is, amelyeknek így összesen négy szabadságfokuk van, ami összetettebb mozgásokat tesz lehetővé.

A SCARA robotokat gyakran használják olyan felszedési és elhelyezési, valamint összeszerelési műveletekre, ahol nagy sebességre és nagy pontosságra van szükség. A Dobot M1-PRO például egy 4 tengelyű SCARA robot, amelynek a munkavégzési sugara 400 mm, a legnagyobb hasznos terhelhetősége 1,5 kg, a helyzetismétlési pontossága pedig ±0,02 mm. Érzékelőmentes ütközésérzékelés és odahúzva betanítható programozás jellemzi, így kobotként és önálló robotként is használható (5. ábra).

5. ábra: Négytengelyű, ±0,02 mm-es helyzetismétlési pontosságú SCARA robot (kép: DigiKey)

Összegzés

Minden ipari robot megfelel az ISO 8373 szabvány követelményeinek, amelyek szerint automatikusan vezérelhetőnek kell lennie újraprogramozható, többcélú munkavégző eszközzel. Nem minden robotváltozatnak van azonban kellő számú tengelye egy adott kialakításhoz. A deltarobotok és a derékszögű robotok között vannak a meghatározottnál kevesebb tengelyszámú változatok is, míg egyes SCARA robotoknak több tengelyük van az IFR meghatározásában szereplőnél.