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协作机器人在工厂自动化中日益增长的作用

作者:TE Connectivity工业事业部副总裁兼首席技术官Alex Megej2024.02.05阅读 3669

  机器人在工业领域已经存在了几十年的时间,但技术创新正在推动全新一轮的工厂自动化趋势。对于那些曾经负担不起(或者不需要)工业机器人的小型企业而言,协作机器人和类似协作机器人大小的小型机器人的出现将有机会帮助他们把效率和生产力提高到一个新水平。
  与传统工业机器人相比,协作机器人更小、更经济、更易编程,而且它们的灵活度也大幅提升。现代化的机器人可以满足快速重新分配任务的需求,以执行新任务或移动到工厂或者仓库等不同区域。协作机器人可以配合工作人员进行安全操作,特别适合执行带有危险性或重复性的任务,也可以在需要极高精密性的任务中协助工作人员进行操作。
  因此,协作机器人能成为机器人行业增长最快的细分领域之一,也就不足为奇了。预计到 2026 年,全球协作机器人的年出货量将超过 47,000 台,远高于 2021 年的 10,000 台,增长率也将高于工业机器人的预期增长。
  为了进一步优化协作机器人的设计以更好地满足市场需求,TE Connectivity(泰科电子,以下简称“TE”) 长期专注于实现未来工厂自动化的关键趋势,包括提高协作机器人的灵活性、降低总成本、增强其安全性和耐用性等。
  协作机器人:一款可以执行多项任务的机器
  设计工业机器人的目的是希望它在几十年间可以重复执行相同的任务,而一台协作机器人则必须能够适配多种任务类型。例如,一家公司可能会需要协作机器人能够从简单的拾取和放置任务,轻松过渡到协助对有更高精密度需求的机器进行维护。
  协作机器人设计者面临的挑战是,他们需要创造的机械臂不仅要能覆盖不同任务所需的运动范围,同时还要控制成本。每次可能的移动都需要一个单独的轴,每个轴都自带一套电机、传感器、电缆和连接器——这些都会导致成本的增加。出于这个原因,协作机器人制造商已经形成共识CONTROL ENGINEERING China版权所有,对柔性机器人采用标准的六轴设计。这种结构模拟了人类手臂的运动范围,使机械臂适用于大多数的协作任务。
  然而,在这种标准设置中,设计者在选择内部组件时仍然需要想方设法在耐用性、灵敏度和成本间找到最好的平衡。例如,旋转变压器(测量旋转角度的系统)成本低,具备很高的耐用性,但可能无法提供精细操作所需的精确度。而另一个极端情况是,光学编码器可以提供更高的精确度,但容易损坏且价格昂贵。为了帮助更多客户有机会使用协作机器人,TE提供了介于这两种选择之间的方案——磁性编码器(Magnetic encoder)。它能提供比旋转变压器更高的精确度控制工程网版权所有,但与光学编码器相比,价格更便宜、且更耐用。
  优化工厂机器人 确保操作人员的安全
  按照定义,协作机器人需要与人类一起协作。它们的安装无需使用安全笼,这样既能降低安装成本,并减少其在工厂或仓库的占地。但是,这种结构需要有其他的安全功能以确保操作人员的安全。
  扭矩传感器的进步可使协作机器人更安全、更可靠。协作机器人机械臂的每个轴上会安装扭矩传感器,用于测量轴电机和变速箱内的机械张力。我们可以通过编程将扭矩保持在特定阈值以下,这样在出现可能的危险之前,协作机器人就会自动关闭控制工程网版权所有,避免操作人员受伤或协作机器人机械臂自身损坏的情况。
  随着协作机器人使用率的持续上升,我们预计其他安全功能(例如近距离传感器和绝对位置传感器)也会有进一步的改进。例如,可以通过使用一系列光学传感器和压力传感器CONTROL ENGINEERING China版权所有,在协作机器人周围构建一个隐形围栏,一旦有人进入协作机器人的工作空间则会触发机器减速或立即停止。
  确保在严苛环境下的可靠性
  减少停机时间和降低维修费用对控制协作机器人的成本至关重要,这也是设计者需要面临的挑战之一,因为协作机器人通常需要在对电子元件和移动部件并不友好的环境中工作。灰尘、湿度、油、热、振动和电磁干扰在工厂和仓库环境中十分常见。
  
  因此,TE专门针对严苛环境设计了位置和角度传感器等元件。不过设计者容易忽视另外一些对协作机器人保持可靠性至关重要的组件比如:电缆和连接器。
  传感器和电机等轴元件的电缆和连接器通常安装在协作机器人机械臂的内部。可即使有了这层保护,依旧有必要使用专门设计的工业级电缆组件。在实现每个机械臂关节所需的运动范围的同时,在机械臂执行重复任务时能避免任何不必要的移动。
  当任务涉及协调臂端工具和传感之间的变化时,连接变得更加棘手。任务之间的切换通常需要在协作机器人机械臂末端安装一套新的工具,包括夹子、传感器、摄像头和灯。除了协作机器人机械臂保护之外,这里面的每一个元件都需要电源和数据的连接。。
  由于适应性是协作机器人的主要优势之一,所以我们致力于在保证功能的前提下帮助设计者降低布线和连接的复杂性。我们正在开发将电源和数据连接结合在单根电缆中的解决方案,例如单对以太网 (SPE)。这样的单根电缆就能够为任何臂端外围设备提供足够的功率和数据传输速率
  助力未来工厂架构
  就在几年前,协作机器人还处于应用不成熟,或者价格过高的困局中,而现在它们的兴起已经将自动化水平提升到了新高度。协作机器人不断代替人工执行更多任务控制工程网版权所有,同时还能帮助制造商优化生产流程,实现更高的效率和灵活性。
  未来我们将看到:模块单元配置化的制造车间,每个单元都可实现在离散任务或定制流程之间切换的灵活性。此外,无线连接技术的进步将帮助工厂监控和分析其中每个半自动单元的生产情况。与此同时,人工智能和机器学习的不断发展也将助力协作机器人更快地学习新任务。
  工厂自动化水平的提升可满足制造商在速度、效率和定制等方面不断增长的需求,同时也能帮助制造商应对包括劳动力持续短缺在内的其他挑战。虽然从半自动生产到完全自动化的发展仍然需要一定的时间,但协作机器人与无缝连接及增强智能技术的结合将是实现这一目标的必经之路。
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