سیستم هستی شناسی ربات های صنعتی، به طور خلاصه، بخش سخت افزاری است که خود ربات را تشکیل می دهد. این شامل اجزای اصلی مانند پایه، کمر، بازوها، مچ دست و افکتورهای انتهایی است که برای انجام کارهای مختلف صنعتی با هم کار می کنند. در پشت ساختار مکانیکی به ظاهر ساده، فناوری بسیار پیچیده و طراحی دقیق نهفته است.
1.1 ساختار مکانیکی و درجات آزادی
روباتهای صنعتی معمولاً ساختارهای مکانیکی مفصلی با 4 تا 6 درجه آزادی (DOF) اتخاذ میکنند. در این میان از 3 درجه آزادی برای کنترل موقعیت افکتور انتهایی و از 1 تا 3 درجه آزادی دیگر برای تنظیم وضعیت و جهت افکتور انتهایی استفاده می شود. این درجات آزادی ربات ها را قادر می سازد تا کارهای ظریف و پیچیده ای مانند جابجایی، جوشکاری و مونتاژ را انجام دهند.
افکتور انتهایی (یعنی "دست" بازوی رباتیک) را می توان با توجه به سناریوهای کاربردی خاص سفارشی کرد، مجهز به ابزارهای کاری مختلف مانند تفنگ جوش، فنجان مکش، آچار، تفنگ اسپری و غیره. این انعطاف ربات های صنعتی را قادر می سازد تا با نیازهای مختلف صنایع مختلف سازگار شوند.
1.2 طراحی ماشین آلات دقیق و کنترل دینامیکی
ساختار بدنه ربات های صنعتی نه تنها نیاز به در نظر گرفتن الزامات مکانیک و دینامیک دارد، بلکه باید از دقت بالا و استحکام بالایی نیز برخوردار باشد. طراحی هر جزء نیازمند تحلیل و بهینه سازی دینامیکی دقیق است. مچ دست را به عنوان مثال در نظر بگیرید، برای دستیابی به تنظیم وضعیت پیچیده، مفاصل چرخشی متعدد (معمولاً 3 درجه آزادی) مورد نیاز است. ارتباط بین این مفاصل باعث ایجاد ارتعاش می شود و چگونگی کاهش این ارتعاشات از طریق کنترل دقیق و در عین حال اطمینان از دقت حرکت ربات یک چالش طراحی است.
علاوه بر این، برای دستیابی به عملکرد با دقت بالا، رباتهای صنعتی معمولاً به دقت موقعیتیابی مکرر افکتور انتهایی نیاز دارند تا به ± ۰.۰۵ میلیمتر یا حتی بیشتر برسد. این دقت برای برخی از صنایع کلیدی مانند تولید خودرو، مونتاژ محصولات الکترونیکی و غیره بسیار مهم است.
1.3 الزامات عملکرد بالا برای اجزای اصلی
عملکرد روباتها به شدت به اجزای اصلی آنها از جمله موتورهای سروو، کاهندهها و رمزگذارها بستگی دارد. سروو موتورها منبع نیرو برای روبات ها هستند، در حالی که کاهنده های دقیق (مانند کاهنده های هارمونیک) وظیفه تبدیل چرخش موتور به حرکت بازوی رباتیک را بر عهده دارند و اطمینان حاصل می کنند که ربات می تواند وظایف را به طور موثر و دقیق انجام دهد. رمزگذار یک جزء کلیدی است که برای تشخیص موقعیت بازوی رباتیک استفاده می شود و اطمینان حاصل می کند که هر مفصل می تواند دقیقاً برای حرکت کنترل شود.
دشواری فنی این اجزای اصلی نسبتاً زیاد است و هزینه نیز بیشتر هزینه بدنه ربات را تشکیل می دهد. بنابراین، سازندگان رباتها اغلب این اجزا را به شدت سفارشی میکنند و حتی با تامینکنندگان پیشرو همکاری میکنند تا اطمینان حاصل کنند که رباتها میتوانند استانداردهای{1} عملکرد بالا را برآورده کنند.
1.4 علم مواد و فناوری ساخت
به منظور حفظ عملکرد پایدار رباتهای صنعتی در طول کارکرد طولانی مدت، ساختار بدنه اغلب از آلیاژ آلومینیوم ریختهشده ویژه یا فولاد با استحکام بالا ساخته میشود. این مواد تحت ماشینکاری دقیق و عملیات حرارتی قرار میگیرند تا استحکام، سختی و سبکی را متعادل کنند و اطمینان حاصل شود که روباتها میتوانند بارهای کاری طولانی مدت را تحمل کنند.
علاوه بر استحکام خود ماده، عملکرد آب بندی اتصال نیز یک نیاز طراحی بسیار مهم است. برای مثال، روباتهای صنعتی معمولاً برای جلوگیری از نفوذ گرد و غبار یا مایعات، به سطح خاصی از حفاظت نیاز دارند. عملیاتهای طولانی مدت با شدت بالا{2}}همچنین میتوانند باعث ساییدگی و پارگی قطعات شوند، بنابراین نحوه انتخاب مواد با مقاومت سایش خوب و اطمینان از آن از طریق فرآیندهای دقیق، چالش فنی دیگری برای روباتها شده است.
1.5 یکپارچگی بالا و سازگاری سیستم
رباتهای صنعتی فقط بدنههای مکانیکی ساده نیستند، بلکه باید با سیستمهای متعددی مانند سیستمهای کنترل و حسگرها یکپارچه شوند. بدنه ربات باید دادههای زمان واقعی را از طریق یک اتوبوس سریع- (مانند EtherCAT) با کنترلکننده مبادله کند تا وضعیت حرکتی آن بهطور دقیق تنظیم شود.
در عین حال، رباتها برای سازگاری بهتر با محیطهای پیچیده صنعتی، نیاز به ادغام حسگرهای مختلف مانند حسگرهای نیرو، حسگرهای بینایی و غیره دارند. به عنوان مثال، در حین جوشکاری، ربات ها می توانند از حسگرهای نیرو برای تشخیص تغییرات در نیروی تماس استفاده کنند و در نتیجه فرآیند جوشکاری را به طور دقیق کنترل کنند.
سناریوهای کاربردی مختلف نیز نیازمندی های متفاوتی برای روبات ها دارند. کارهایی مانند جابجایی، جوشکاری و مونتاژ نیازمندی های متفاوتی برای ظرفیت بار، دامنه حرکت و دقت روبات ها هستند. بنابراین، رباتهای صنعتی معمولاً باید مطابق با سناریوهای کاربردی واقعی سفارشی شوند تا حداکثر عملکرد را در شرایط خاص تضمین کنند.
2. دلایلی که ربات های صنعتی جایگزین نیروی انسانی می شوند: کارآمد، دقیق و ایمن
بنابراین، بر چه اساسی روباتهای صنعتی میتوانند جایگزین نیروی انسانی شوند؟ پاسخ در کارایی، دقت و ایمنی آنها نهفته است.
2.1 کارایی
ربات ها می توانند 24 ساعت شبانه روز بدون وقفه کار کنند و راندمان تولید را تا حد زیادی بهبود می بخشند. به خصوص در برخی از کارهای بسیار تکراری، ربات ها می توانند به سرعت کار خود را بدون اینکه تحت تاثیر عوامل انسانی مانند خستگی و نوسانات احساسی قرار گیرند، انجام دهند.
2.2 دقت
همانطور که قبلاً ذکر شد، رباتهای صنعتی میتوانند{0}}به عملیاتهایی با دقت بالا دست یابند، و بهویژه برای سناریوهایی که به تحملهای سخت و عملیات دقیق نیاز دارند، مناسب هستند. در صنایعی مانند خودروسازی و مونتاژ الکترونیک، رباتها میتوانند به دقت بسیار فراتر از انسان دست یابند و محصولات با کیفیت{2}}بالا را تضمین کنند.
2.3 امنیت
رباتها میتوانند در برخی از مشاغل خطرناک، مانند جوشکاری در محیطهای{0}در دمای بالا و کار با مواد رادیواکتیو، جایگزین انسان شوند. این نه تنها از ایمنی کارگران محافظت می کند، بلکه حوادث ناشی از کار را کاهش می دهد و ثبات و کارایی فرآیند تولید را تضمین می کند.
اگرچه روباتهای صنعتی جایگزین نیروی انسانی در بسیاری از زمینهها شدهاند و تعداد زیادی از وظایف سنگین را به پایان رساندهاند، اما توسعه فناوری آنها همچنان به طور مداوم در حال پیشرفت است. با پیشرفت مستمر فناوریهایی مانند هوش مصنوعی، اینترنت اشیا و کلان داده، روباتهای صنعتی آینده هوشمندتر خواهند شد و قادر به قضاوت، تصمیمگیری و همکاری با سایر دستگاهها برای دستیابی به حالتهای تولید کارآمدتر خواهند بود.
رباتهای صنعتی بهمنظور جایگزینی کامل نیروی انسانی نیستند، بلکه برای کار نزدیک با انسانها، آزاد کردن نیروی انسانی و اجازه دادن به انسانها برای تمرکز بیشتر بر روی کارهای خلاقانه، تصمیمگیری- و سطوح بالاتر، قرار دارند. در عصر Industry 4.0، ربات ها پل بین فناوری و بهره وری و نیروی محرکه اصلی برای دگرگونی صنعت تولید مدرن هستند.